一种基于PWM的电压输出DAC电路设计

对实际应用中的脉宽调制（PWM）波形的频谱进行了理论分析，指出通过一个低通滤波器可以把PWM调制的数模转换信号解调出来，实现从PWM到DAC的转换。论文还对转换误差产生的因素进行了分析，指出了减少误差的方法，论文给出了两种从PW M到0～5 V电压输出的电路实现方法，第2种电路具有很高的转换精度。 【基于PWM的电压输出DAC电路设计】 在现代电子和自动化技术中，单片机和数模转换器（DAC）是常见的组件，但许多单片机内部并未集成高精度DAC，或者集成的DAC精度不足，因此需要外部连接独立的DAC以满足高精度需求，这会增加成本和体积。为了解决这一问题，一种经济且有效的解决方案是利用单片机的脉宽调制（PWM）输出功能，通过适当的电路设计实现DAC的功能。 PWM是一种周期固定、占空比可调的方波信号。理想情况下，PWM的高电平为VH，低电平为VL，VL为0，但实际上VL通常不等于0，这可能导致转换误差。PWM的波形可用分段函数表示，通过傅里叶级数展开，我们可以观察到直流分量与PWM的高电平时间比例n成线性关系，这正是DAC所需的电压输出特性。因此，通过一个低通滤波器可以去除高频谐波，保留直流分量，实现PWM到电压输出的转换。 设计低通滤波器的关键在于选择合适的截止频率，以确保1次谐波被有效滤除，同时高次谐波的影响减至最小。DAC的分辨率与PWM的周期T和高电平的计数脉冲个数n有关，可以通过调整这两个参数来提高分辨率，但需注意T过小可能会增加输出滞后并需要性能更好的低通滤波器。 电路实现方面，最简单的形式是直接使用单片机的PWM输出，通过阻容滤波器得到DAC输出电压。这种方法虽然简单，但输出精度受制于单片机的高低电平，且负载能力有限，适用于精度要求不高的应用。为了提高精度和负载能力，可以在电路中增加基准电压源、开关管以及输出放大器等组件，如图4所示，这样的改进可以显著提升输出电压的稳定性和负载能力，适用于对精度有较高要求的场景。 在实际应用中，需要考虑单片机的计数脉冲宽度、PWM后续电路的开关特性，以及环境温度和负载电流对输出电压的影响。例如，单片机AT89C52的PWM输出电压范围可能会随这些因素变化，导致DAC输出精度不稳定。因此，设计时需要选用合适的工作电压范围，并考虑温度补偿和负载电流的适应性。 基于PWM的电压输出DAC电路设计通过理论分析和电路实现，巧妙地利用了单片机的PWM功能，降低了成本，减少了体积，并提供了调整精度的可能性，是电子设备中一种实用且灵活的解决方案。