电源技术中的一种基于PWM的电压输出DAC电路设计
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2020-12-13
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电源技术中的一种基于电源技术中的一种基于PWM的电压输出的电压输出DAC电路设计电路设计
在电子和自动化技术的应用中，单片机和DAC(数模转换器)是经常需要同时使用的，然而许 多单片机内部并没
有集成DAC,即使有些单片机内部集成了DAC,DAC的精度也往往不高，在高 精度的应用中还是需要外接DAC，
这样增加了成本。但是，几乎所有的单片机都提供定时器 或者PWM输出功能。如果能应用单片机的PWM输出
（或者通过定时器和软件一起来实现PWM输 出），经过简单的变换电路就可以实现DAC，这将大量降低成本电
子设备的成本、减少体积 ，并容易提高精度。本文在对PWM到DAC转换关系的理论分析的基础上，设计出输出
为0～5 V电压的DAC。 1 应用PWM实现DAC的理论分析 PWM是
在电子和自动化技术的应用中，单片机和DAC(数模转换器)是经常需要同时使用的，然而许 多单片机内部并没有集成DAC,
即使有些单片机内部集成了DAC,DAC的精度也往往不高，在高 精度的应用中还是需要外接DAC，这样增加了成本。但是，几
乎所有的单片机都提供定时器 或者PWM输出功能。如果能应用单片机的PWM输出（或者通过定时器和软件一起来实现PWM
输 出），经过简单的变换电路就可以实现DAC，这将大量降低成本电子设备的成本、减少体积 ，并容易提高精度。本文在对
PWM到DAC转换关系的理论分析的基础上，设计出输出为0～5 V电压的DAC。
1 应用 应用PWM实现实现DAC的理论分析的理论分析
PWM是一种周期一定而高低电平的占空比可以调制的方波信号，图1是一种在电路中经常遇到 的PWM波。该PWM的高
低电平分别为VH和VL，理想的情况VL等于0， 但是实际中一般不等于0，这往往是应用中产生误差的一个主要原因。
图1的PWM波形可以用分段函数表示为式（1）：
其中：T是单片机中计数脉冲的基本周期，即单片机每隔T时间记一次数（计数器的值增加 或者减少1），N是PWM波一个
周期的计数脉冲个数，n是PWM波一个周期中高电平的 计数脉冲个数，VH和VL分别是PWM波中高低电平的电压值，k为谐波
次数，t为时间。把式(1)所表示的函数展开成傅里叶级数［1］，得到式(2)：
从式（2）可以看出，式中第1个方括弧为直流分量，第2项为1次谐波分量，第3项为大于1次的高次谐波分量。式（2）
中的直流分量与n成线性关系，并随着n从0到N ，直流分量从VL到VL+VH之间变化，这正是电压输出的DAC所需要的。因
此，如果能 把式（2）中除直流分量的谐波过滤掉，则可以得到从PWM波到电压输出DAC的转换，即：P WM波可以通过一
个低通滤波器进行解调。式（2）中的第2项的幅度和相角与n有关，频率 为1/(NT)，该频率是设计低通滤波器的依据。如果能
把1次谐波很好过滤掉，则高次谐波 就应该基本不存在了。
根据上述分析可以得到如图2所示的从PWM到DAC输出的信号处理方块图，根据该方块图可以 有许多电路实现方法，在
单片机的应用中还可以通过软件的方法进行精度调整和误差的进一 步校正。
在DAC的应用中，分辨率是一个很重要的参数，图1的分辨率计算直接与N和n的可能变化 有关，计算公式如式(3)：
表1给出了不同N和n的情况下的分辨率。
从表1和式(3)可以看出，N越大DAC的分辨率越高，但是NT也越大,即 PWM的周 期或者式(2)中的1次谐波周期也越大，
相当于1次谐波的频率也越低，需要截止频率 很低的低通滤 波器，DAC输出的滞后也将增加。一种解决方法就是使T减少，即
减少单片机的计数脉冲 宽度（这往往需要提高单片机的工作频率），达到不降低1次谐波频率的前提下提高精度。 在实际
中，T的减少受到单片机时钟和PWM后续电路开关特性的限制。如果在实际中需要 微秒级的T，则后续电路需要选择开关特性
较好的器件，以减少PWM波形的失真，如图4 中的电子开关T1(IRF530)。
2 PWM到到DAC电压输出的电路实现电压输出的电路实现
根据图2的结构，图3是最简单的实现方式。图3中，PWM波直接从MCU的PWM引脚输出 ，该电路没有基准电压，只通
过简单的阻容滤波得到DAC的输出电压。R1和C1的具 体参数可根据式(2)的第2部分的一次谐波频率来选择，实际应用中一般
选择图2中阻容滤波 器的截止频率为式(2)的基波频率的1/4左右。
图3的PWM波的VH和VL受到MCU输出高低电平的限制，一般情况下VL不 等于0 V，VH也不等于VCC。例如，对于单片机
AT89C52［2,3］，当VCC为＋5 V时，VH和VL分别为4.5 V和0.45 V左右，而且 该数值随着负载电流和温度而变化。根据式
(2)的直流分量可知，DAC电压输 出只能在0.45~ 4.5 V之间变化，而且随负载电流和环境温度变化，精度很难保证。由于该电
路的变化部分 精度不高，没有必要采用高分辨率的PWM输出，8位即可。另外图2的DAC输出的负载能力也比 较差，只适合
与具有高输入阻抗的后续电路连接。因此，图3的电路只能用在对DAC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3的电路进行改 进，增加基准电压、负载驱动等电路。
图4的电路在图3电路的基础上增加了开关管T1、基准电压源LM3365和输出 放大器TL V2472。MCU从A点输出的PWM波
驱动T1的栅极，T1按照PWM的周期和占空比进行开关。T1为低 导通电阻和开关特性好的开关管，如IRF530［4］，其典型
导通电阻小于0.16 Ω， 而截止电阻却非常大，与T1并联的为基准电压LM3365。图4的B点将得到理想的 PWM波形，即：
VH=5 V，VL=0 V，波形为方波。A点的PWM波，经过整 形得到B点理想PWM波，B点的PWM波再经过两级阻容滤波在C点
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