一種基于PWM快速產(chǎn)生模擬電壓的方法

1，概述

　　在電子和自動化技術的應用中，數(shù)字信號轉換模擬控制信號輸出是電子設計中常見的問題，然而許多單片機內(nèi)部并沒有集成數(shù)摸轉換器（DAC）。當然市場上也有一些專用的D/A轉換芯片，但這類芯片價格昂貴，并且需要多個處理器功能管腳來控制，這對一般的簡單應用是不適合的。

　　所以在有些應用中，由單片機的PWM輸出（或者通過定時器和軟件一起來實現(xiàn)PWM輸出），經(jīng)過簡單RC濾波電路實現(xiàn)DAC來得到模擬電壓是一種比較好的選擇。然后，這種方法的一個缺點就是電平轉換時間過長，本文提出了一種新的方法來克服該問題。

　　2， RC濾波電路

　　圖1是傳統(tǒng)的RC濾波電路，PSoC通過GPIO口和RC濾波產(chǎn)生模擬電壓

　　圖1，RC濾波電路產(chǎn)生模擬電壓

　　在這種方法中，PWM通過Px[y]輸出，Vout即是需要的模擬電壓。PWM的輸出在電壓VDD和0之間變換，PWM的占空比（DC）決定Vout的輸出值。增加DC輸出電壓也會跟著增加（當DC=0%時，Vout=GND; 當DC=100%時，Vout=VDD）。

　　這種方法比較簡單，但缺點是電平轉換時間長。例如，當DC從一個值變到另一個值時，可能要幾個ms才能使Vout從一個電壓變換到最終的穩(wěn)定電壓，如圖2所示。

　　圖2，RC濾波電路的電平轉換時間

　　較長的電平轉換時間在有些應用中是不適用的，下面我將提供一個新的方法來減小該時間。當然，也可通過減小電容電阻（RC）值并提高PWM頻率來縮短電平轉換時間，但有些單片機的固有缺陷而沒辦法提高PWM頻率時就沒辦法了。

　　3， 電壓跟隨器電路

　　本文介紹一種新的方法能把轉換時間減小到幾十us，該方法除了RC濾波外，還使用了電阻、三極管以及另外一個GPIO口，三極管設計為電壓跟隨器模式，如下圖3所示：

　　圖3，電壓跟隨器電路產(chǎn)生模擬電壓

　　三極管T是模擬電壓Vc到Vout的開關。在空閑狀態(tài)下設置Pa[b]為“strong drive”模式，并置為高電平（邏輯1），這樣，Vout = VDD, 下列步驟將使Vout從空閑狀態(tài)變換到指定的電壓狀態(tài)。

　　1）使能PWM并設定為指定的占空比DC。在計算PWN占空比時要考慮到三極管be間的壓降(Vbe)。Vc = Vout + Vbe，得出DC = (Vout + Vbe)/VDD.

　　2) 做足夠長時間的延遲以使Vc穩(wěn)定在指定的電壓，注意在這延遲的時間內(nèi)Vout保持高電平VDD。

　　3) 設置GPIO口Pa[b]的驅(qū)動模式為“High-Z analog”,這將導致三極管T工作狀態(tài)并且Vout將立即變?yōu)橹付ǖ淖罱K電壓（只需要幾十個微秒）。

　　下列步驟將使Vout從指定的電壓變換到空閑狀態(tài)（Vout = VDD）

　　1) 設置Pa[b]的驅(qū)動模式為“strong drive”并置該PIN為高電平，Vout 將立即變?yōu)閂DD.

　　2) 如果需要，此時可停止Px[y]口的PWM以減小功耗。

　　電平轉換如圖4所示，當Vc在電壓下降的非穩(wěn)態(tài)過程中，Vout還保持高電平。

　　圖4，電壓跟隨器電路的電平轉換時間

　　4， 實驗和測試結果

　　在Cypress的CY8C20x24系列芯片中，無PWM模塊，所以若需要輸出模擬電壓就只能使用內(nèi)部的TImer13模塊產(chǎn)生PWM，然后使用外圍電路產(chǎn)生模擬電壓。下面以 CY8C20224 芯片為例來說明兩種模擬電壓產(chǎn)生方法的測試情況。

　　1）使用RC電路做測試

　　由于CY8C20224提供的Timer13其輸入時鐘為32KHz，所以由此產(chǎn)生的PWM頻率比較低。為了減小模擬電壓值的紋波，必須提高RC電路的電阻電容值。在實驗電路中R=47K，C=0.1uF。下圖5是用示波器抓到的波形。

　　圖5，RC濾波電路的電平轉換波形

　　從上圖可以看出，當電壓從空閑狀態(tài)（VDD=3.3V）變換到穩(wěn)定電壓1.0V時，大約需要13~15ms.

　　這在有些應用中是不夠的。

　　2）采用電壓跟隨器電路測試

　　若采用電壓跟隨器電路，電壓從空閑狀態(tài)（VDD=3.3V）變換到穩(wěn)定電壓1.0V時，需要的時間不超過50us, 如下圖6所示：

　　圖6，電壓跟隨器電路的電平轉換波形

　　5， 結束語

　　本文基于對RC濾波電路的分析，提出了一種快速產(chǎn)生模擬電壓的方法，并通過實驗證明其可行性。目前該方案已在Cypress CY8C20224芯片上液晶電視按鍵控制板項目使用。