利用单片机构成高精度PWM式12位D/A 变送器, 元器件, 接口, 单片机

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[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的构成原理。
[二].电路原理
一般12位D/A转换器在手册中给出的精度为±1/2LSB，温度漂移的综合指标在20—50ppm/℃，上述两项指标在0.2级仪表中是可以满足要求的，下面给出的电路可以达到上述两项指标。
图1中的T是固定宽度，τ的宽度是可变的。τ分为5000份，每份2us。所以τ的最大值τmax=2×5000=10000us，这就是T的宽度。当τ=T时，占空比为1，Vo=5.000V，τ=0时，Vo=0V。这种脉冲电压经过两级RC滤波后得到的电压可由下式表示:


VM必须是精密电压源。Vo与占空比成正比，且线性较好，这种方式在理论上是很成熟的，但实际应用上还存在一些问题。图2是实际线路，其中单片机可用8098或8031两种常用芯片，VM的数值为5.000V±2mV，D/A与单片机必须是电气隔离的。否则数字脉冲电流产生的干扰会影响D/A精度，从示波器可以看到高达50mV的干扰毛刺电压，因此有必要加光电隔离。经隔离后的脉冲驱动模拟开关CD4053。CD4053是三组两触点模拟开关，由PWM脉冲控制开关的公共接点使之与+5.000V和地接通，在VI得到与单片机输出相一致的PWM波形。该波形经两级RC滤波后由运放构成的电压跟随器输出Vo。其中RC的时间常数一般取RC≥2T，这样两级RC加起来就会得到纹波小于3mV的直流电压，本电路中RC=220ms，如果想进一步减小纹波，可适当提高RC的乘积，但电路的响应速度也会放慢。

用运放做RC滤波器输出的缓冲大有益处。它不仅提高了滤波电路带载能力，而且使线性度得到了提高。通过实验可知，这一级运放的的缓冲作用是保证整个D/A精度和线性度的重要环节。尽管RC滤波器无负载，处在非常理想的条件下工作，但Vo并不完全与占空比成正比。经测试，Vo与理想值有一些误差，如图3所示。