基于單片機的高精度PWM式12位D/A轉換器設計

　　[一].前言

　　在用單片機制作的變送器類和控制器類的儀表中，需要輸出1—5V或4—20mA的直流信號的時候，通常采用專用的D/A芯片，一般是每路一片。當輸出信號的精度較高時，D/A芯片的位數也將隨之增加。在工業儀表中，通常增加到12位。12位D/A的價格目前比單片機的價格要高得多，占用的接口線數量也多。尤其是在需隔離的場合時，所需的光電耦合器數量與接口線相當，造成元器件數量大批增加，使體積和造價隨之升高。如果在單片機控制的儀表里用PWM方式完成D/A輸出，將會使成本降低到12位D/A芯片的十分之一左右。我們在S系列流量儀表中采用了這種方式，使用效果非常理想。下面介紹一下PWM方式D/A的構成原理。

　　[二].電路原理

　　一般12位D/A轉換器在手冊中給出的精度為±1/2LSB，溫度漂移的綜合指標在20—50ppm/℃，上述兩項指標在0.2級儀表中是可以滿足要求的，下面給出的電路可以達到上述兩項指標。圖1中的T是固定寬度，τ的寬度是可變的。τ分為5000份，每份2us。所以τ的最大值τmax=2×5000=10000us，這就是T的寬度。當τ=T時，占空比為1，Vo=5.000V，τ=0時，Vo=0V。這種脈沖電壓經過兩級RC濾波后得到的電壓可由下式表示:

　　VM必須是精密電壓源。Vo與占空比成正比，且線性較好，這種方式在理論上是很成熟的，但實際應用上還存在一些問題。圖2是實際線路，其中單片機可用8098或8031兩種常用芯片，VM的數值為5.000V±2mV，D/A與單片機必須是電氣隔離的。否則數字脈沖電流產生的干擾會影響D/A精度，從示波器可以看到高達50mV的干擾毛刺電壓，因此有必要加光電隔離。經隔離后的脈沖驅動模擬開關CD4053。CD4053是三組兩觸點模擬開關，由PWM脈沖控制開關的公共接點使之與+5.000V和地接通，在VI得到與單片機輸出相一致的PWM波形。該波形經兩級RC濾波后由運放構成的電壓跟隨器輸出Vo。其中RC的時間常數一般取RC≥2T，這樣兩級RC加起來就會得到紋波小于3mV的直流電壓，本電路中RC=220ms，如果想進一步減小紋波，可適當提高RC的乘積，但電路的響應速度也會放慢。

　　用運放做RC濾波器輸出的緩沖大有益處。它不僅提高了濾波電路帶載能力，而且使線性度得到了提高。通過實驗可知，這一級運放的的緩沖作用是保證整個D/A精度和線性度的重要環節。盡管RC濾波器無負載，處在非常理想的條件下工作，但Vo并不完全與占空比成正比。經測試，Vo與理想值有一些誤差，如圖3所示。

　　圖中的曲線1表示理想值，曲線2表示實測值。由圖中可見，曲線2的根部不太理想。這是因為所使用的電容不是純電容，其中含有一定的電感。在占空比極小時，由于脈沖非常窄，它產生的高次諧波的頻率很高，電感對高次諧波的感抗較大，因此在脈沖沿的位置上，盡管電壓變化很大，但實際實際給電容充電卻很小。這樣就在窄脈沖時產生非線性。當采用無感電容時，這種非線性有較大改善，但仍不能完全吻合。由于無感電容容量太小，價格也較高，所以在大時間常數濾波電路中沒有實際意義。在實際使用中解決這一問題的方法是舍棄根部非線性部分，只用線性部分，在工業儀表中，標準的信號一般為1—5V或4—20mA。而曲線2的非線性部分在0.4V以下，所以當采用1—5V輸出信號時，精度為0.03%完全滿足12位D/A要求。

　　除精度滿足要求外，溫度特性也必須滿足要求。影響溫度特性的原因主要是5V精密電源和運算放大器的溫度特性。為不使價格太高，選用2DW232精密穩壓二極管，運放的電阻與濾波電阻要匹配且溫度系數≤25ppm。運算放大器選擇溫漂≤10uV/℃的均可，一般廉價低溫漂運放都可滿足這個指標。采用上述措施后D/A的總溫度漂為33ppm/℃。

　　[三].實測數據

　　由于這個線路是在0.2級精密儀表中使用的，因此要求線性度和溫度特性必須滿足要求，另外，這個數據是測量V/I轉換后4-20mA電源值與給定電流值之間的誤差。這個誤差還包含了V/I轉換的誤差。因此實際的D/A自身的誤差比總誤差要小。

　　Igd(mA) Io(mA) Δ=Io-Igd

　　4.000 3.999 -0.001

　　8.000 7.998 -0.002

　　11.000 11.002 +0.002

　　16.000 16.006 +0.006

　　20.000 20.008 +0.008

　　線性=Δmax/20=0.0004

　　20℃ 60.℃

　　4.000mA 3.993mA Δ=-0.007mA

　　20.000mA 19.974mA Δ=-0.026mA