基于单片机的高精度PWM式12位D/A转换器设计

　[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。
　　


　　图中的曲线1表示理想值，曲线2表示实测值。由图中可见，曲线2的根部不太理想。这是因为所使用的电容不是纯电容，其中含有一定的电感。在占空比极小时，由于脉冲非常窄，它产生的高次谐波的频率很高，电感对高次谐波的感抗较大，因此在脉冲沿的位置上，尽管电压变化很大，但实际实际给电容充电却很小。这样就在窄脉冲时产生非线性。当采用无感电容时，这种非线性有较大改善，但仍不能完全吻合。由于无感电容容量太小，价格也较高，所以在大时间常数滤波电路中没有实际意义。在实际使用中解决这一问题的方法是舍弃根部非线性部分，只用线性部分，在工业仪表中，标准的信号一般为1-5V或4-20mA。而曲线2的非线性部分在0.4V以下，所以当采用1-5V输出信号时，精度为0.03%完全满足12位D/A要求。
　　除精度满足要求外，温度特性也必须满足要求。影响温度特性的原因主要是5V精密电源和运算放大器的温度特性。为不使价格太高，选用2DW232精密稳压二极管，运放的电阻与滤波电阻要匹配且温度系数≤25ppm。运算放大器选择温漂≤10uV/℃的均可，一般廉价低温漂运放都可满足这个指标。采用上述措施后D/A的总温度漂为33ppm/℃。
　　[三].实测数据
　　由于这个线路是在0.2级精密仪表中使用的，因此要求线性度和温度特性必须满足要求，另外，这个数据是测量V/I转换后4-20mA电源值与给定电流值之间的误差。这个误差还包含了V/I转换的误差。因此实际的D/A自身的误差比总误差要小。
　　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

　　线性=Δmax/20=0.0004

　　20℃ 60.℃

　　4.000mA 3.993mA Δ=-0.007mA

　　20.000mA 19.974mA Δ=-0.026mA

　　温度漂移=Δmax/20×40=33ppm/℃

　　由以上数据可知，满量程的线性度为0.04%，满量程的温度漂移为0.033%/10℃，系统响应时间约为2.2s，输出信号与标准值相差0.1%时所用的时间为11s。

　　[四].结束语

　　上面所介绍的D/A电路结构简单，原理易懂，在8098及8031单片机上都可以应用，笔者采用8098单片机的四路高速输入输出同时控制四路精密D/A输出。后面加一级V/I转换电路，构成标准的4-20mA电流输出，电路经一年多的现场实际应用，效果很好，适于目前0.2级仪表的全部要求。