利用單片機構成高精度PWM式12位D/A

[一].前言
在用單片機製作的變送器類和控制器類的儀錶中，需要輸出1—5V或4—20mA的直流信號的時候，通常採用專用的D/A晶元，一般是每路一片。當輸出信號的精度較高時，D/A晶元的位數也將隨之增加。在工業儀錶中，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，佔用的介麵線數量也多。尤其是在需隔離的場合時，所需的光電耦合器數量與介麵線相當，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錶里用PWM方式完成D/A輸出，將會使成本降低到12位D/A晶元的十分之一左右。我們在S系列流量儀錶中採用了這種方式，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級儀錶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。這種脈衝電壓經過兩級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8031兩種常用晶元，VM的數值為5.000V±2mV，D/A與單片機必須是電氣隔離的。否則數字脈衝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。經隔離后的脈衝驅動模擬開關CD4053。CD4053是三組兩觸點模擬開關，由PWM脈衝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濾波後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於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濾波器輸出的緩衝大有益處。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，這一級運放的的緩衝作用是保證整個D/A精度和線性度的重要環節。儘管RC濾波器無負載，處在非常理想的條件下工作，但Vo並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，由於脈衝非常窄，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，因此在脈衝沿的位置上，儘管電壓變化很大，但實際實際給電容充電卻很小。這樣就在窄脈衝時產生非線性。當採用無感電容時，這種非線性有較大改善，但仍不能完全吻合。由於無感電容容量太小，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捨棄根部非線性部分，只用線性部分，在工業儀錶中，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，所以當採用1—5V輸出信號時，精度為0.03%完全滿足12位D/A要求。

[三].實測數據
由於這個線路是在0.2級精密儀錶中使用的，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
溫度漂移=Δmax/20×40=33ppm/℃
由以上數據可知，滿量程的線性度為0.04%，滿量程的溫度漂移為0.033%/10℃，系統響應時間約為2.2s，輸出信號與標準值相差0.1%時所用的時間為11s。
[四].結束語
上面所介紹的D/A電路結構簡單，原理易懂，在8098及8031單片機上都可以應用，筆者採用8098單片機的四路高速輸入輸出同時控制四路精密D/A輸出。後面加一級V/I轉換電路，構成標準的4—20mA電流輸出，電路經一年多的現場實際應用，效果很好，適於目前0.2級儀錶的全部要求。