一种基于PWM控制的高精度DA转换电路及方法

技术领域

本发明属于数字量模拟量转换技术领域，特别是涉及一种基于PWM控制的高精度DA转换电路及方法。

背景技术

在计算机控制系统中，经常需要计算机数字量控制机械系统的情况，传统设计方案为将数字量通过专用DA转换器转换为相应数值的电压，然后使用该电压控制机器系统的运动，以达到通过计算机控制机械系统运动的目的。

DA转换器作为该系统中计算机数字量与控制器系统模拟量之间的桥梁，具有至关重要的作用，传统的DA转换器均为专用芯片，数字量接口均为标准并行或者串行接口，需要专用IO管脚，消耗较多硬件及软件资源，设计也较为复杂。对于数量较多的控制器需要较高的成本。

发明内容

本发明目的在于上述背景技术中提出的问题，提供一种只需要单个通用IO管脚控制的DA转换装置，设计简单，需要很少的MCU(FPGA)硬件资源，软件控制简单，尤其适用于需要单个MCU(FPGA)控制多个DA转换器的情景。通过调整滤波电路参数，输出精度和转换速度可进行调节。

为了实现本发明目的，本发明公开了一种基于PWM控制的高精度DA转换电路，包括输入电路、运算放大电路、滤波电路、电压跟随电路；MCU或FPGA输出不同占空比的PWM信号后，通过输入电路将PWM信号输入运算放大电路；通过运放电路将MCU或FPGA输出的PWM信号调理为高精度的-10V～0V的PWM信号；随后滤波电路对调理后的PWM信号进行RC滤波，保留其直流分量，直流分量大小取决于PWM信号的占空比；随后调理后的PWM信号直流分量通过运放电路进行电压跟随并随极性反转，降低输出DA信号的输出阻抗，提高DA输出的驱动能力。

进一步地，所述输入电路包括第一电阻R1、NMOS管Q1；+1V基准源通过第一电阻R1接入第一运算放大器U1的正输入端，PWM输入信号接入NMOS管Q1的G极，用来控制MOS管的开关；NMOS管Q1的S极接地，D极接入第一运算放大器U1的正输入端

进一步地，所述运算放大电路包括第一运算放大器U1、第二电阻R2、第三电阻R3；第一运算放大器U1的负极输入端通过第三电阻R3接地；第一运算放大器U1的正输入端通过第二电阻R2接到第一运算放大器U1的输出端，构成反馈回路；PWM输入信号控制NMOS管Q1的开关，从而在运算放大电路输入端产生一个最高幅值为+1V，最低幅值为0V的PWM波，所述PWM波被U1构成的反相放大电路将幅值放大。

进一步地，所述滤波电路包括电容C1、第四电阻R4；第一运算放大器U1的输出端通过第四电阻R4接到电容C1的一端，电容C1的另外一端接入地，构成低通RC滤波电路；第一运算放大器U1输出的信号经过该低通滤波电路，将信号中高次谐波的幅值衰减，只保留信号的直流分量。

进一步地，所述电压跟随电路第二运算放大器U2、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7；滤波电路输出的信号经第六电阻R6接入第二运算放大器U2的正极输入端，第二运算放大器U2的负极输入端经第五电阻R5接地，第二运算放大器U2的正极输入端经第七电阻R7接到第二运算放大器U2的输出端，构成电压跟随电路；第二运算放大器U2的输出信号即为DA输出信号；滤波后仅保留直流分量的信号经第二运算放大器U2构成的反相跟随电路，将信号的幅值变为正值，同时增加DA输出信号的驱动能力。

为了实现本发明的目的，本发明还公开了一种基于PWM控制的高精度DA转换方法，包括以下步骤：

步骤1、通过MCU或FPGA输出不同占空比的PWM信号；

步骤2、通过运放电路将MCU或FPGA输出的PWM信号调理为高精度的-10V～0V的PWM信号；

步骤3、对调理后的PWM信号进行RC滤波，保留其直流分量，直流分量大小取决于PWM信号的占空比；

步骤4、通过运放电路进行电压跟随并极性反转，降低输出DA信号的输出阻抗，提高DA输出的驱动能力。

与现有技术相比，本发明的显著进步在于：1)控制信号只需要一个IO脚；2)不需要专用通信接口，只需要设置PWM的占空比一个参数就可以控制DA输出电压；3)可实现单个MCU(FPGA)同时控制多个DA转换器；4)转换精度可通过低通滤波器参数进行调节，可达万分之一以上。

为更清楚说明本发明的功能特性以及结构参数，下面结合附图及具体实施方式进一步说明。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是一种基于PWM控制的高精度DA转换电路原理设计示意图；

图2是一种基于PWM控制的高精度DA转换方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，+1V基准源通过1K第一电阻R1接入运算放大器U1的正输入端，PWM_IN接入NMOS管Q1的G极，用来控制MOS管的开关。NMOS管Q1的S极接地，D极接入运算放大器U1的正输入端，运算放大器U1的负极输入端通过1K第三电阻R3接地。运算放大器U1的正输入端通过10K第二电阻R2接到U1的输出端，构成反馈回路。PWM_IN信号控制Q1的开关，从而在运放输入端产生一个最高幅值为+1V最低幅值为0V的PWM波，该信号被U1构成的反相放大电路将幅值放大。

运算放大器U1的输出端通过第四电阻R4接到电容C1的一端，电容C1的另外一端接入地，构成低通RC滤波电路。经过该低通滤波电路，将信号中的1次谐波，2次谐波等高次谐波的幅值衰减的足够小，只保留信号的直流分量。

信号经低通滤波电路后经第六电阻R6接入运算放大器U2的正极输入端，运算放大器U2的负极输入端经第五电阻R5接地，运算放大器U2的正极输入端经第七电阻R7接到运算放大器U2的输出端，构成电压跟随电路。运算放大器U2的输出信号即为DA输出信号。滤波后仅保留直流分量的信号经运算放大器U2构成的反相跟随电路，将信号的幅值变为正值，同时增加DA输出信号的驱动能力。

如图2所示，一种基于PWM控制的高精度DA转换方法，包括以下步骤：

步骤1、通过MCU或FPGA输出不同占空比的PWM信号；

步骤2、通过运放电路将MCU或FPGA输出的PWM信号调理为高精度的-10V～0V的PWM信号；

步骤3、对调理后的PWM信号进行RC滤波，保留其直流分量，直流分量大小取决于PWM信号的占空比；

步骤4、通过运放电路进行电压跟随并极性反转，降低输出DA信号的输出阻抗，提高DA输出的驱动能力。

实施例

假设输入PWM波占空比为S＝高电平时间/PWM周期。

PWM输入信号VIN控制PMOS开关管，当VIN为高电平(3.3V或5V)Q1打开，电压VIN2＝0V，当VIN为低电平(0V))，Q1关闭，VIN2＝1V(基准源电压)。

运放U1、Q1及外围电阻组成反相放大器，将PWM输入转换为精确+10V幅值的PWM波。

R4及C1组成低通滤波电路将VOUT1中的交流分量滤除，保留其直流分量，直流分量的值与PWM占空比有以下关系：

周期PWM波可表示为傅里叶级数形式：

A0为直流分量幅值，A1为一次谐波分量幅值，A

其直流分量

其中A为VOUT1幅值为-10V，t/T为PWM占空比S，因此经RC滤波后可得输出与占空比成正比的直流电压信号VOUT2。

U2及外围电阻组成反相放大电路，放大倍数为-1，VOUT3＝-VOUT2＝10V*S，从而实现通过控制PWM占空比S输出0-10V直流电压的DA转换。

U2及外围电阻组成反相放大电路可有效提高DA输出的驱动能力及输出内阻。

如果需要输出电流信号，可将U2输出的电压信号通过运放转换为电流信号。

误差分析：本装置主要误差为滤波电路对于PWM波中高次谐波的衰减倍数，主要为一次谐波。

一次谐波的幅值为

经RC低通滤波衰减后的幅值为V＝A1*1/(1+ω

本设计中PWM的幅值为10V，频率为100K,R4＝100K,C4＝10uF,当S＝1/2时A1取最大值，计算出RC低通滤波衰减后的一次谐波的最大值为0.000063V，远小于万分之一的精度要求(0.001V)。

本设计使用一阶RC低通滤波电路进行计算，改用高阶低通滤波电路或者有源巴特沃兹低通滤波器可进一步有效降低DA转换时间及提高DA转换精度。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。