基于PWM濾波的數模轉換電路的開發與設計

沈學鋒

（1.中國石油大學（華東）勝利學院，山東 東營257061；2.中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，山東 東營257061）

基于PWM濾波的數模轉換電路的開發與設計

沈學鋒1，2

（1.中國石油大學（華東）勝利學院，山東 東營257061；2.中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，山東 東營257061）

文中針對現階段單片機微處理器未有D/A轉換器或自帶D/A轉換器精度過低，使得交流伺服電機需要額外外接高速高精度D/A轉化器而使電路成本上升，面積增大的問題，開發與設計了基于PWM濾波的數模轉換電路。其利用單片機微處理器內部自帶的定時器產生PWM波，然后經過隔離，濾波，放大后形成-10～10 V的模擬信號，滿足了交流伺服電機的工作要求。同時降低了成本，避免了額外的電路面積。仿真結果表明，該電路轉換速度快，誤差小，具有較高的D/A轉換特性。

交流伺服電機；PWM濾波；數模轉換電路

交流伺服電機由于其自身內部具有編碼器反饋閉環來實現控制，從而比普通電機更能滿足快速響應和準確定位需求，因此在電力電子與電力傳動，自動控制等領域發揮著重要作用。交流伺服電機的基本工作原理是將所接收到的電信號轉化為其電動機軸上的角位移或角速度輸出，從而快速精確地控制電機的轉速與轉角，達到快速精確自動化控制的目的。因此，如何構建一個穩定性強，精確度高的外部D/A轉換電路，成為了提高其工作性能的關鍵［1-6］。

目前，大多數單片機內部并未集成D/A轉換器，即便有，數模轉換精度也較低，若想要在更高精度的情況下實現交流伺服電機的自動控制，只能外接高精度的數模轉換器，這不僅使整個電路成本上升，還會使面積增大［2-3］。但單片機上基本均自帶定時器，若通過定時器產生PWM輸出信號，再通過一定的濾波電路，就能實現D/A轉換，從而降低成本，減少電路的面積。為此，文中開發與設計了基于PWM濾波的數模轉換電路，其為交流伺服電機提供了穩定精確的模擬信號，使得交流伺服電機工作更加穩定，且精度更高。

1 PWM濾波原理

PWM，即脈沖寬度調制，所謂PWM波即是占空比可以隨著不同需求而不斷調制變化的脈沖信號。如圖1為經典的PWM波信號波形，其高電平為VH，低電平為VL，假設其幅值為A，脈沖寬度為，則PWM波可表示為

圖1 實際電路中典型的PWM波形

式中τ0為未調制信號脈沖寬度，τk為第k個信號脈沖的寬度。由式可看出，PWM波由脈沖寬度以及直流分量信號和相位調制信號組成。此外，從公式中也可以得到，當遠大于的情況下，由相位調制信號引起的信號交疊而導致的信號干擾可忽略不計，故PWM波信號可直接由濾波器進行濾波解調，從而實現了脈沖調制信號的數模轉換。

2 電路設計

如圖2所示為PWM濾波D/A轉換電路的框架圖。

圖2 PWM濾波D/A轉換電路框圖

其工作流程為，首先嵌入式微處理器根據數字信號產生PWM波，然后經過隔離電路的整形隔離，除去外部電路干擾信號，接著信號進入有源濾波器，進行濾波解調，再經放大電路的信號放大，得到所需的模擬信號。一般情況下，單片機微處理器輸出電壓為0～5 V，而交流伺服電機的工作電壓在-10～10 V，故需要外接數模轉換電路，將0～5 V的脈沖調制信號轉變為-10～10 V的模擬信號。

整個電路主要采用雙運算放大器LM358，其芯片內部包含了兩個相互獨立的運算放大器，這兩個運算放大器增益極高，輸出電壓擺幅大，功耗低，工作電流低，適合電池供電，并具有內部頻率補償功能。其工作電源電壓較寬，單電源供電模式下，電源電壓為3～30 V，也可工作在雙電源供電模式下，雙電源供電模式下其電源電壓為1.5V。文中采用的是其雙電源供電工作模式，從而可實現正負電壓的輸出，整個電路可分為4部分，分別為隔離電路、濾波電路、偏置電路以及放大電路［7-9］。

2.1 隔離電路

如圖3所示為隔離電路，其主要由單通道的高速光耦合器6N137構成。6N137高速光耦合器內部有一個850 nm波長AlGaAs LED和一個集成的檢測器組成，而檢測器主要是由一個光敏二極管、具有高增益特性的線性運算放大器及一個肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成，轉化速率極高，最高可達10MBit/s，擺率高達10 kV/μs。同時具備溫度，電壓，電流補償特性，并可實現高質量的輸入信號與輸出信號的隔離，且兼容LSTTL/TTL。另外，其輸入電流極低，約為5mA。隔離電路主要是將嵌入式微處理器產生的PWM波加以整形得到0～5 V的理想PWM波信號，并除去外圍電路產生的干擾信號。

圖3 隔離電路

2.2 濾波電路

濾波電路由二階有源低通濾波器以及阻容濾波器構成，如圖4所示。

電路中的二階有源低通濾波器采用的是二階壓控電壓源電路，其原理是由雙運算放大器LM358芯片的運算放大器組成同相放大器，其他無源元件均接在由雙運算放大器LM358芯片的運算放大器組成同比例放大器的輸入端，然后同相放大器的輸出放大電壓反饋到無源網絡。整個濾波電路的作用是過濾掉由嵌入式微處理器產生的PWM波的諧波，同時將理想的PWM信號從0～5 V轉換為0～10 V［10］。

2.3 偏置電路

圖4 濾波電路

圖5 偏置電路

偏置電路如圖5所示，其由雙運算放大器芯片LM 358中的運算放大器以及電阻R11、R12、R14、R15等組成的反相加法器，其原理為將濾波電路產生的0～10 V的模擬信號和基準電壓源提供的-5 V電壓相加后，得到所需的-5～5 V的模擬信號。

2.4 放大電路

放大電路［11］主要是由雙運算放大器LM358芯片中的運算放大器構成的反比例放大器，其作用是將偏置電路得到的-5～5 V的模擬信號放大為-10～+10 V的模擬信號。在放大電路中，由于前一級運放會產生系統相位滯后π，故必須先進行相位校正，然后再放大兩倍，故采用反相比例放大器。

在實際電路調試過程中，應按照順序步驟逐步進行調試。首先是先將脈沖調制PWM波的占空比置為零，在這種情況下，若運算放大器處于理想狀態，則濾波電路和偏置電路的輸出分別應為0 V和-5V。但由于運算放大器存在零偏，溫度漂移以及非線性誤差等外界干擾因素的影響，使得濾波電路及偏置電路的電壓不是理想的0 V和-5V，故在濾波電路的運算放大器的基礎上增加一個調零電阻R19和一個增益調節電阻R20，在偏置電路的反相加法器的基礎上增加一個調零電阻R21。然后調節調零電阻R19，使濾波電路輸出為0 V，然后調整R21使得偏置電路輸出為-5 V。緊接著增加脈沖調制信號波的占空比為100%，分別調整增益電阻R20、R22使濾波電路和放大電路的輸出均為10 V。

圖6 放大電路

3 實驗仿真

文中在Candance上畫出該PWM濾波的數模轉換電路圖，并生成門級網表，再用HSpice仿真，其的仿真結果如下。

其中橫坐標時間單位為μs，縱坐標分別為電壓與電流（圖7上為電壓，圖7下為電流），單位分別為V跟mA。由圖可看出，當輸入一個高電平信號時，其輸入相應電流經過15 ns后達到穩定，故其建立時間為15 ns，所以轉換頻率可達到60MHz。

運用HSpice軟件仿真完成后，將輸出的數據列表導入MATLAB軟件中可得到，該DA轉換器的DNL和INL，DNL是指從垂直方向上測量出輸出相鄰的電平之間的差值和1LSB之差，通常用LSB為單位表示；INL定義為實際的有限精度特性和理想的有限精度特性在垂直方向上的最大差值，通常使用單位LSB表示。INL可通過函數來表示，一般所說的INL是取所有的差值中最大的一個作為INL的值。

文中設計的D/A轉換電路的DNL和INL，如圖8、9所示。從圖中可以看出，本設計中的DNL約為0.58LSB，INL約為0.54LSB，均小于0.6LSB，由此說明該D/A轉換電路轉換誤差小，且轉化精度高。

圖7 建立時間仿真波形

圖8 D/A轉換電路的微分非線性誤差

圖9 D/A轉換電路的積分非線性誤差

4 結束語

文中針對現階段單片機微處理器未有D/A轉換器或自帶D/A轉換器精度過低，使交流伺服電機需要額外外接高速高精度D/A轉化器而使電路成本上升，面積增大的問題，開發與設計了基于PWM濾波的數模轉換電路。其利用單片機微處理器內部自帶的定時器產生PWM波，然后經過隔離，濾波，放大后形成-10～10 V的模擬信號，滿足了交流伺服電機的工作要求。同時，降低了成本，避免了額外的電路面積。仿真結果顯示，該電路轉換速度快，誤差小，且具有較高的D/A轉換特性。

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Development and design of digital analog conversion circuit based on PWM filter

SHEN Xue-feng1，2
（1.ShengliCollege，China University of Petroleum，Dongying 257061，China；2.Information and Control Engineering，China University of Petroleum，Dongying 257061，China）

This paper in view of the present stagemicroprocessor no D/A converter or comeswith low accuracy of the D/A converter additionalexternalhigh speed and high precision D/A converter andmakes the circuit costs rise and area increase in the AC servomotor，develop and design the digital to analog conversion circuitbased on filtered PWM，themicroprocessor built-in timer to generate PWM wave and after isolation，filtering，amplification formation simulation signal-10v to 10V，to meet the requirements of AC servomotor，while reducing the cost，avoid the additional circuit area.The simulation results show that the proposed circuithashigh conversion speed，smallerrorand high D/A conversion characteristics.

AC servomotor；PWM filter；digital to analog conversion circuit

TN99

A

1674－6236（2016）20-0182-04

2016-01-27 稿件編號：201601254

中央高校基本科研業務費專項資金資助（15CX02103A）

沈學鋒（1973—），女，山東淄博人，碩士，講師。研究方向：電力系統及其自動化。