PWM的DA转换原理

1PWM信号的产生对于AVR系列单片机ATmegal6，可以利用定时／计数器的PWM模式，与比较匹配寄存器相配合，直接生成占空比可变的方波信号，即脉冲宽度调制输出PWM信号。快速PWM模式的基本工作原理是：定时／计数器在计数过程中，内部硬件电路会将计数值(TCNTn)与比较寄存器(OCRn)中的值进行比较，当两个值相匹配(相等)时，能自动置位(清0)一个固定引脚的输出电平(OCnx)，而当计数器的值达到最大值时，则自动将该引脚的输出电平(OCnx)清0。…因此，在程序中改变比较寄存器中的值(通常在溢出中断服务程序中)，定时／计数器就能自动产生不同占空比的方波信号(PWM)输出。计数器的上限值决定了PWM的频率，而比较匹配寄存器OCRn的值决定了占空比的大小。在实际应用中，除了要考虑如何正确的控制和调整PWM波的占空比，获得达到要求的平均电压的输出外，还需要综合考虑PWM的周期、PWM波占空比调节的精度、积分器的设计等。根据PWM的特点，在使用定时／计数器设计输出PWM时应注意以下几点：(1)首先应根据实际情况，确定需要输出的PWM波的频率范围。这个频率与控制对PWM波的频率越高，经过积分器输出的电压也越平滑。(2)然后还要考虑占空比的调节精度。占空比的调节精度越高，经过积分器输出的电压也越平滑。但占窄比的调节精度与PWM波的频率是一对矛盾，在相同的系统时钟频率时，提高占空比的调节精度，将导致PWM波的频率降低。(3)由于PWM波的本身还是数字脉冲波，其中含有大量丰富的高频成分，因此在实际使用中，还需要一个好的积分器电路。例如采用有源低通滤波器或多阶滤波器等，能将高频成分有效的除掉，从而获得比较好的模拟变化信号。2PWM到电压输出型D／A转换的实现这种方式在理论上很成熟，根据图1，这种方法的最简单实现方式为PWM波加RC滤波器来实现。Ho图2为最简单的实现方式，利用单片机产生PWM波，通过由电阻尺和电容C构成的简单积分电路，滤掉高频进行平滑后，得到D／A转换的输出电压。该电路没有基准电压，而且随着负载电流和环境温度的变化，精度很难保证。另外，图2的D／A转换的负载能力也比较差，只适合与具有高输入阻抗的后续电路连接。因此，图2的电路只能用在对D／A转换输出精度要求不高、负载很小的场合。对精度和负载能力要求较高的场合，需要对图2的电路进行改进，增加基准电压、负载驱动等电路。3高分辨率D／A转换的硬件电路电路图中LM336—5为基准电压源，LM358输出放大器。图3中A点的PWM波经过两级阻容滤波在B点得到直流电压信号，实现了D／A转换功能。由于放大器的输入阻抗很大，二级阻容滤波的效果很好，B点的电压纹波极小，满足高精度要求。输出放大器工作在电压跟随器方式，输出范围在(0—5．2)V之间，满足目前的(1_5)V传输标准。如果需要输出电流信号，只需要加一级可变恒流输出电路即可。这个电路的输出会有滤波带来的滞后，由于滤波网络有电容存在，则网络由一个稳态到另一个稳态之间，必定存在着过渡过程。过渡过程与滤波网络时间常数t（tao）有关，它的大小会影响到D／A的转换速度，通过调整阻容参数，可以改变这两项指标。如果需要与控制器隔离的D／A转换，则需要在PWM信号与平滑滤波电路之间加上光耦进行隔离，如TI'LP521—1或者开关速度更快的光耦如6N135、6N137等。如果光耦导通速度慢的话，可能在上升沿产生一个斜度，使波形失真。同时需要增加一级NMOS开关管，如IRF530，作为基准电压源的开关控制，其典型导通电阻小于O．16n，而截止电阻却非常大，单片机输出的PWM波驱动开关管的栅极，开关管按照PWM的周期和占空比进行开关。4实验数据采用图3电路，用示波器检测，得到下表1的数据。最大线性误差0．53％5结论本设计选用AVR系列单片机，它采用大型快速存取寄存器组、快速单周期指令系统以及单级流水线等先进技术，使得AVR单片机具有高达lMIPS／MHz的高速运行处理能力。产生的高速PWM信号能满足大部分工业场合的应用。同时，由于PWM波很容易通过MCU的软件进行控制，即使电路稍微有些系统误差，也很容易通过软件进行校正。因此，图3的电路可以得到高精度的DAC输出。