基于PWM滤波的数模转换电路的开发与设计

沈学锋

（1.中国石油大学（华东）胜利学院，山东 东营257061；2.中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，山东 东营257061）

基于PWM滤波的数模转换电路的开发与设计

沈学锋1，2

（1.中国石油大学（华东）胜利学院，山东 东营257061；2.中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，山东 东营257061）

文中针对现阶段单片机微处理器未有D/A转换器或自带D/A转换器精度过低，使得交流伺服电机需要额外外接高速高精度D/A转化器而使电路成本上升，面积增大的问题，开发与设计了基于PWM滤波的数模转换电路。其利用单片机微处理器内部自带的定时器产生PWM波，然后经过隔离，滤波，放大后形成-10～10 V的模拟信号，满足了交流伺服电机的工作要求。同时降低了成本，避免了额外的电路面积。仿真结果表明，该电路转换速度快，误差小，具有较高的D/A转换特性。

交流伺服电机；PWM滤波；数模转换电路

交流伺服电机由于其自身内部具有编码器反馈闭环来实现控制，从而比普通电机更能满足快速响应和准确定位需求，因此在电力电子与电力传动，自动控制等领域发挥着重要作用。交流伺服电机的基本工作原理是将所接收到的电信号转化为其电动机轴上的角位移或角速度输出，从而快速精确地控制电机的转速与转角，达到快速精确自动化控制的目的。因此，如何构建一个稳定性强，精确度高的外部D/A转换电路，成为了提高其工作性能的关键［1-6］。

目前，大多数单片机内部并未集成D/A转换器，即便有，数模转换精度也较低，若想要在更高精度的情况下实现交流伺服电机的自动控制，只能外接高精度的数模转换器，这不仅使整个电路成本上升，还会使面积增大［2-3］。但单片机上基本均自带定时器，若通过定时器产生PWM输出信号，再通过一定的滤波电路，就能实现D/A转换，从而降低成本，减少电路的面积。为此，文中开发与设计了基于PWM滤波的数模转换电路，其为交流伺服电机提供了稳定精确的模拟信号，使得交流伺服电机工作更加稳定，且精度更高。

1 PWM滤波原理

PWM，即脉冲宽度调制，所谓PWM波即是占空比可以随着不同需求而不断调制变化的脉冲信号。如图1为经典的PWM波信号波形，其高电平为VH，低电平为VL，假设其幅值为A，脉冲宽度为，则PWM波可表示为

图1 实际电路中典型的PWM波形

式中τ0为未调制信号脉冲宽度，τk为第k个信号脉冲的宽度。由式可看出，PWM波由脉冲宽度以及直流分量信号和相位调制信号组成。此外，从公式中也可以得到，当远大于的情况下，由相位调制信号引起的信号交叠而导致的信号干扰可忽略不计，故PWM波信号可直接由滤波器进行滤波解调，从而实现了脉冲调制信号的数模转换。

2 电路设计

如图2所示为PWM滤波D/A转换电路的框架图。

图2 PWM滤波D/A转换电路框图

其工作流程为，首先嵌入式微处理器根据数字信号产生PWM波，然后经过隔离电路的整形隔离，除去外部电路干扰信号，接着信号进入有源滤波器，进行滤波解调，再经放大电路的信号放大，得到所需的模拟信号。一般情况下，单片机微处理器输出电压为0～5 V，而交流伺服电机的工作电压在-10～10 V，故需要外接数模转换电路，将0～5 V的脉冲调制信号转变为-10～10 V的模拟信号。

整个电路主要采用双运算放大器LM358，其芯片内部包含了两个相互独立的运算放大器，这两个运算放大器增益极高，输出电压摆幅大，功耗低，工作电流低，适合电池供电，并具有内部频率补偿功能。其工作电源电压较宽，单电源供电模式下，电源电压为3～30 V，也可工作在双电源供电模式下，双电源供电模式下其电源电压为1.5V。文中采用的是其双电源供电工作模式，从而可实现正负电压的输出，整个电路可分为4部分，分别为隔离电路、滤波电路、偏置电路以及放大电路［7-9］。

2.1 隔离电路

如图3所示为隔离电路，其主要由单通道的高速光耦合器6N137构成。6N137高速光耦合器内部有一个850 nm波长AlGaAs LED和一个集成的检测器组成，而检测器主要是由一个光敏二极管、具有高增益特性的线性运算放大器及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成，转化速率极高，最高可达10MBit/s，摆率高达10 kV/μs。同时具备温度，电压，电流补偿特性，并可实现高质量的输入信号与输出信号的隔离，且兼容LSTTL/TTL。另外，其输入电流极低，约为5mA。隔离电路主要是将嵌入式微处理器产生的PWM波加以整形得到0～5 V的理想PWM波信号，并除去外围电路产生的干扰信号。

图3 隔离电路

2.2 滤波电路

滤波电路由二阶有源低通滤波器以及阻容滤波器构成，如图4所示。

电路中的二阶有源低通滤波器采用的是二阶压控电压源电路，其原理是由双运算放大器LM358芯片的运算放大器组成同相放大器，其他无源元件均接在由双运算放大器LM358芯片的运算放大器组成同比例放大器的输入端，然后同相放大器的输出放大电压反馈到无源网络。整个滤波电路的作用是过滤掉由嵌入式微处理器产生的PWM波的谐波，同时将理想的PWM信号从0～5 V转换为0～10 V［10］。

2.3 偏置电路

图4 滤波电路

图5 偏置电路

偏置电路如图5所示，其由双运算放大器芯片LM 358中的运算放大器以及电阻R11、R12、R14、R15等组成的反相加法器，其原理为将滤波电路产生的0～10 V的模拟信号和基准电压源提供的-5 V电压相加后，得到所需的-5～5 V的模拟信号。

2.4 放大电路

放大电路［11］主要是由双运算放大器LM358芯片中的运算放大器构成的反比例放大器，其作用是将偏置电路得到的-5～5 V的模拟信号放大为-10～+10 V的模拟信号。在放大电路中，由于前一级运放会产生系统相位滞后π，故必须先进行相位校正，然后再放大两倍，故采用反相比例放大器。

在实际电路调试过程中，应按照顺序步骤逐步进行调试。首先是先将脉冲调制PWM波的占空比置为零，在这种情况下，若运算放大器处于理想状态，则滤波电路和偏置电路的输出分别应为0 V和-5V。但由于运算放大器存在零偏，温度漂移以及非线性误差等外界干扰因素的影响，使得滤波电路及偏置电路的电压不是理想的0 V和-5V，故在滤波电路的运算放大器的基础上增加一个调零电阻R19和一个增益调节电阻R20，在偏置电路的反相加法器的基础上增加一个调零电阻R21。然后调节调零电阻R19，使滤波电路输出为0 V，然后调整R21使得偏置电路输出为-5 V。紧接着增加脉冲调制信号波的占空比为100%，分别调整增益电阻R20、R22使滤波电路和放大电路的输出均为10 V。

图6 放大电路

3 实验仿真

文中在Candance上画出该PWM滤波的数模转换电路图，并生成门级网表，再用HSpice仿真，其的仿真结果如下。

其中横坐标时间单位为μs，纵坐标分别为电压与电流（图7上为电压，图7下为电流），单位分别为V跟mA。由图可看出，当输入一个高电平信号时，其输入相应电流经过15 ns后达到稳定，故其建立时间为15 ns，所以转换频率可达到60MHz。

运用HSpice软件仿真完成后，将输出的数据列表导入MATLAB软件中可得到，该DA转换器的DNL和INL，DNL是指从垂直方向上测量出输出相邻的电平之间的差值和1LSB之差，通常用LSB为单位表示；INL定义为实际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，通常使用单位LSB表示。INL可通过函数来表示，一般所说的INL是取所有的差值中最大的一个作为INL的值。

文中设计的D/A转换电路的DNL和INL，如图8、9所示。从图中可以看出，本设计中的DNL约为0.58LSB，INL约为0.54LSB，均小于0.6LSB，由此说明该D/A转换电路转换误差小，且转化精度高。

图7 建立时间仿真波形

图8 D/A转换电路的微分非线性误差

图9 D/A转换电路的积分非线性误差

4 结束语

文中针对现阶段单片机微处理器未有D/A转换器或自带D/A转换器精度过低，使交流伺服电机需要额外外接高速高精度D/A转化器而使电路成本上升，面积增大的问题，开发与设计了基于PWM滤波的数模转换电路。其利用单片机微处理器内部自带的定时器产生PWM波，然后经过隔离，滤波，放大后形成-10～10 V的模拟信号，满足了交流伺服电机的工作要求。同时，降低了成本，避免了额外的电路面积。仿真结果显示，该电路转换速度快，误差小，且具有较高的D/A转换特性。

［1］高正平，徐骏宇，黄汉辉.PWM在合成语音输出电路中的应用［J］.电子科技大学学报，2006，35（1）:115-117.

［2］高家宝，靳鹏飞，阮海清.PWM型DC-DC LED驱动电路的研究与设计［J］.电子科技，2015，28（8）:36-38.

［3］秦健.一种基于PWM的电压输出 DAC电路设计［J］.现代电子技术，2004，27（14）:81-83.

［4］张钦阳，杨潺，罗庆峰，等.数字控制PWM/PFM混合型ACDC开关电源设计［J］.电子科技，2014，27（8）:135-137.

［5］向先波，徐国华，张琴.TM S320F240片内实现D/A扩展功能［J］.单片机与嵌入式系统应用，2003（3）:17-20.

［6］武传华，程水英.PWM在几种模拟通信信号数字调制解调中的应用［J］.电路与系统学报，2005，10（3）:149-152.

［7］高光天，徐振英.数模转换器应用技术［M］.北京:科学出版社，2000.

［8］邹恒，齐增亮，罗友哲，等.MCML结构高速数模转换器的设计［J］.电子设计工程，2015，22（11）:141-143.

［9］王桥.应用于宽带通信系统的高速低功耗数模转换器设计［D］.北京:清华大学，2007.

［10］Behzad Razavi.模拟CMOS集成电路设计［M］.北京:机械工业出版社，2013.

［11］David A.Johns，Ken Martin.模拟集成电路设计［M］.曾朝阳，赵阳，方顺，等译.北京，机械工业出版社，2005.

［12］Wang C.Y，Roy K.COSMOS:A continuous optimization approach formaximum powerestimationofCMOScircuits［C］//Proceedingsof InternationalConference on Computer-Aided Design，1997.

［13］Ren Z.Y，Krogh B.H，Marculescu R.Hierarchical adaptive dynamic powermanagement［C］//ProceedingsofDesign，Automation and Test in Europe Conference and Exhibition，2004.

［14］Hang G.Q.Adiabatic CMOS gate and adiabatic circuit design for low-power application［C］//Proceedings of the 2005 Asia and South Pacific Design Automation Conference，2005.

［15］JohnPUyemura.超大规模集成电路与系统导论［M］.周润德，译.北京:电子工业出版社，2004.

［16］BehzadRazavi.模拟CMOS集成电路设计［M］.陈贵灿，译.西安:西安交通大学出版社，2003.

［17］李俊.高速低压低功耗CMOS/BiCMOS运算放大器设计［D］.镇江:江苏大学，2008

［18］张蓝文.嵌入式系统的低功耗研究［D］.长春:东北师范大学，2008.

［19］周文.嵌入式系统低功耗设计方法研究［D］.湘潭:湖南师范大学，2008.

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 稿件编号：201601254

中央高校基本科研业务费专项资金资助（15CX02103A）

沈学锋（1973—），女，山东淄博人，硕士，讲师。研究方向：电力系统及其自动化。