一.前言
在用单片机制作的变送器类和控制器类的仪表中，需要输出1—5V或4—20mA的直流信号的时候，通常采用专用的D/A芯片，一般是每路一片。当输出信号的精度较高时，D/A芯片的位数也将随之增加。在工业仪表中，通常增加到12位。12位D/A的价格目前比单片机的价格要高得多，占用的接口线数量也多。尤其是在需隔离的场合时，所需的光电耦合器数量与接口线相当，造成元器件数量大批增加，使体积和造价随之升高。如果在单片机控制的仪表里用PWM方式完成D/A输出，将会使成本降低到12位D/A芯片的十分之一左右。我们在S系列流量仪表中采用了这种方式，使用效果非常理想。下面介绍一下PWM方式D/A的构成原
在工业自动化领域，单片机常常用于构建各类变送器和控制器仪表，这些设备需要输出精确的直流信号，如1-5V或4-20mA。传统的解决方案是使用专用的D/A转换器，尤其是当高精度（如12位）的需求出现时。然而，12位D/A芯片不仅价格昂贵，而且接口线繁多，如果需要隔离，还需要额外的光电耦合器，这会显著增加成本和体积。
基于单片机的PWM式D/A转换器设计提供了一种经济高效的替代方案。PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）技术允许单片机通过控制脉冲的宽度来模拟连续的电压输出，与D/A转换器的效果类似，但成本仅为12位D/A芯片的约十分之一。这种设计在S系列流量仪表中得到了成功应用，证明了其有效性。
电路设计的核心是利用PWM脉冲的占空比来决定输出电压。例如，当脉冲宽度τ最大时，占空比为1，输出电压Vo等于参考电压5.000V；而当τ为0时，Vo为0V。为了获得高精度，τ被分成5000份，每份2us，最大值为10000us，这与PWM周期T相同。脉冲经过两级RC滤波器后，可以得到与占空比成正比的平滑直流电压。
在实际电路中，单片机（如8098或8031）生成的PWM信号需要经过电气隔离，以防数字信号干扰D/A转换的精度。隔离通常通过光电耦合器实现，之后的模拟开关（如CD4053）由PWM脉冲控制，连接到+5.000V和地，以形成所需的PWM波形。此波形再经过两级RC滤波和运放组成的电压跟随器，以减少纹波并提高线性度。
尽管理论上PWM-D/A转换是线性的，但在实际操作中，电容的电感成分会导致非线性，尤其是在占空比极小的情况下。为了改善这一点，可以选择无感电容，但考虑到成本和容量限制，通常只使用线性范围内的部分。对于1-5V的输出，0.4V以下的非线性部分可以忽略，满足12位D/A的精度要求。
温度特性是另一个关键指标。通过选用具有低温度漂移的精密稳压二极管（如2DW232）和运算放大器，以及匹配的电阻，可以将总温度漂移控制在33ppm/℃，满足0.2级仪表的要求。
实际应用中，需要对输出的V/I转换后的4-20mA电源值与设定电流值进行精确测量，以确保系统性能。这种基于单片机的PWM-D/A转换器设计，通过巧妙地结合了PWM技术和低成本的电子元件，成功实现了高精度的D/A转换功能，降低了仪表的制造成本，同时也保持了良好的性能表现。
