沈?qū)W鋒

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）勝利學(xué)院，山東 東營(yíng)257061；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院，山東 東營(yíng)257061）

基于PWM濾波的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的開發(fā)與設(shè)計(jì)

沈?qū)W鋒1，2

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）勝利學(xué)院，山東 東營(yíng)257061；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院，山東 東營(yíng)257061）

文中針對(duì)現(xiàn)階段單片機(jī)微處理器未有D/A轉(zhuǎn)換器或自帶D/A轉(zhuǎn)換器精度過低，使得交流伺服電機(jī)需要額外外接高速高精度D/A轉(zhuǎn)化器而使電路成本上升，面積增大的問題，開發(fā)與設(shè)計(jì)了基于PWM濾波的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。其利用單片機(jī)微處理器內(nèi)部自帶的定時(shí)器產(chǎn)生PWM波，然后經(jīng)過隔離，濾波，放大后形成-10～10 V的模擬信號(hào)，滿足了交流伺服電機(jī)的工作要求。同時(shí)降低了成本，避免了額外的電路面積。仿真結(jié)果表明，該電路轉(zhuǎn)換速度快，誤差小，具有較高的D/A轉(zhuǎn)換特性。

交流伺服電機(jī)；PWM濾波；數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

交流伺服電機(jī)由于其自身內(nèi)部具有編碼器反饋閉環(huán)來實(shí)現(xiàn)控制，從而比普通電機(jī)更能滿足快速響應(yīng)和準(zhǔn)確定位需求，因此在電力電子與電力傳動(dòng)，自動(dòng)控制等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。交流伺服電機(jī)的基本工作原理是將所接收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為其電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出，從而快速精確地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角，達(dá)到快速精確自動(dòng)化控制的目的。因此，如何構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定性強(qiáng)，精確度高的外部D/A轉(zhuǎn)換電路，成為了提高其工作性能的關(guān)鍵［1-6］。

目前，大多數(shù)單片機(jī)內(nèi)部并未集成D/A轉(zhuǎn)換器，即便有，數(shù)模轉(zhuǎn)換精度也較低，若想要在更高精度的情況下實(shí)現(xiàn)交流伺服電機(jī)的自動(dòng)控制，只能外接高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，這不僅使整個(gè)電路成本上升，還會(huì)使面積增大［2-3］。但單片機(jī)上基本均自帶定時(shí)器，若通過定時(shí)器產(chǎn)生PWM輸出信號(hào)，再通過一定的濾波電路，就能實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，從而降低成本，減少電路的面積。為此，文中開發(fā)與設(shè)計(jì)了基于PWM濾波的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，其為交流伺服電機(jī)提供了穩(wěn)定精確的模擬信號(hào)，使得交流伺服電機(jī)工作更加穩(wěn)定，且精度更高。

1 PWM濾波原理

PWM，即脈沖寬度調(diào)制，所謂PWM波即是占空比可以隨著不同需求而不斷調(diào)制變化的脈沖信號(hào)。如圖1為經(jīng)典的PWM波信號(hào)波形，其高電平為VH，低電平為VL，假設(shè)其幅值為A，脈沖寬度為，則PWM波可表示為

圖1 實(shí)際電路中典型的PWM波形

式中τ0為未調(diào)制信號(hào)脈沖寬度，τk為第k個(gè)信號(hào)脈沖的寬度。由式可看出，PWM波由脈沖寬度以及直流分量信號(hào)和相位調(diào)制信號(hào)組成。此外，從公式中也可以得到，當(dāng)遠(yuǎn)大于的情況下，由相位調(diào)制信號(hào)引起的信號(hào)交疊而導(dǎo)致的信號(hào)干擾可忽略不計(jì)，故PWM波信號(hào)可直接由濾波器進(jìn)行濾波解調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)了脈沖調(diào)制信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換。

2 電路設(shè)計(jì)

如圖2所示為PWM濾波D/A轉(zhuǎn)換電路的框架圖。

圖2 PWM濾波D/A轉(zhuǎn)換電路框圖

其工作流程為，首先嵌入式微處理器根據(jù)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生PWM波，然后經(jīng)過隔離電路的整形隔離，除去外部電路干擾信號(hào)，接著信號(hào)進(jìn)入有源濾波器，進(jìn)行濾波解調(diào)，再經(jīng)放大電路的信號(hào)放大，得到所需的模擬信號(hào)。一般情況下，單片機(jī)微處理器輸出電壓為0～5 V，而交流伺服電機(jī)的工作電壓在-10～10 V，故需要外接數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，將0～5 V的脈沖調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?10～10 V的模擬信號(hào)。

整個(gè)電路主要采用雙運(yùn)算放大器LM358，其芯片內(nèi)部包含了兩個(gè)相互獨(dú)立的運(yùn)算放大器，這兩個(gè)運(yùn)算放大器增益極高，輸出電壓擺幅大，功耗低，工作電流低，適合電池供電，并具有內(nèi)部頻率補(bǔ)償功能。其工作電源電壓較寬，單電源供電模式下，電源電壓為3～30 V，也可工作在雙電源供電模式下，雙電源供電模式下其電源電壓為1.5V。文中采用的是其雙電源供電工作模式，從而可實(shí)現(xiàn)正負(fù)電壓的輸出，整個(gè)電路可分為4部分，分別為隔離電路、濾波電路、偏置電路以及放大電路［7-9］。

2.1 隔離電路

如圖3所示為隔離電路，其主要由單通道的高速光耦合器6N137構(gòu)成。6N137高速光耦合器內(nèi)部有一個(gè)850 nm波長(zhǎng)AlGaAs LED和一個(gè)集成的檢測(cè)器組成，而檢測(cè)器主要是由一個(gè)光敏二極管、具有高增益特性的線性運(yùn)算放大器及一個(gè)肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成，轉(zhuǎn)化速率極高，最高可達(dá)10MBit/s，擺率高達(dá)10 kV/μs。同時(shí)具備溫度，電壓，電流補(bǔ)償特性，并可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的隔離，且兼容LSTTL/TTL。另外，其輸入電流極低，約為5mA。隔離電路主要是將嵌入式微處理器產(chǎn)生的PWM波加以整形得到0～5 V的理想PWM波信號(hào)，并除去外圍電路產(chǎn)生的干擾信號(hào)。

圖3 隔離電路

2.2 濾波電路

濾波電路由二階有源低通濾波器以及阻容濾波器構(gòu)成，如圖4所示。

電路中的二階有源低通濾波器采用的是二階壓控電壓源電路，其原理是由雙運(yùn)算放大器LM358芯片的運(yùn)算放大器組成同相放大器，其他無源元件均接在由雙運(yùn)算放大器LM358芯片的運(yùn)算放大器組成同比例放大器的輸入端，然后同相放大器的輸出放大電壓反饋到無源網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)濾波電路的作用是過濾掉由嵌入式微處理器產(chǎn)生的PWM波的諧波，同時(shí)將理想的PWM信號(hào)從0～5 V轉(zhuǎn)換為0～10 V［10］。

2.3 偏置電路

圖4 濾波電路

圖5 偏置電路

偏置電路如圖5所示，其由雙運(yùn)算放大器芯片LM 358中的運(yùn)算放大器以及電阻R11、R12、R14、R15等組成的反相加法器，其原理為將濾波電路產(chǎn)生的0～10 V的模擬信號(hào)和基準(zhǔn)電壓源提供的-5 V電壓相加后，得到所需的-5～5 V的模擬信號(hào)。

2.4 放大電路

放大電路［11］主要是由雙運(yùn)算放大器LM358芯片中的運(yùn)算放大器構(gòu)成的反比例放大器，其作用是將偏置電路得到的-5～5 V的模擬信號(hào)放大為-10～+10 V的模擬信號(hào)。在放大電路中，由于前一級(jí)運(yùn)放會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)相位滯后π，故必須先進(jìn)行相位校正，然后再放大兩倍，故采用反相比例放大器。

在實(shí)際電路調(diào)試過程中，應(yīng)按照順序步驟逐步進(jìn)行調(diào)試。首先是先將脈沖調(diào)制PWM波的占空比置為零，在這種情況下，若運(yùn)算放大器處于理想狀態(tài)，則濾波電路和偏置電路的輸出分別應(yīng)為0 V和-5V。但由于運(yùn)算放大器存在零偏，溫度漂移以及非線性誤差等外界干擾因素的影響，使得濾波電路及偏置電路的電壓不是理想的0 V和-5V，故在濾波電路的運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)上增加一個(gè)調(diào)零電阻R19和一個(gè)增益調(diào)節(jié)電阻R20，在偏置電路的反相加法器的基礎(chǔ)上增加一個(gè)調(diào)零電阻R21。然后調(diào)節(jié)調(diào)零電阻R19，使濾波電路輸出為0 V，然后調(diào)整R21使得偏置電路輸出為-5 V。緊接著增加脈沖調(diào)制信號(hào)波的占空比為100%，分別調(diào)整增益電阻R20、R22使濾波電路和放大電路的輸出均為10 V。

圖6 放大電路

3 實(shí)驗(yàn)仿真

文中在Candance上畫出該P(yáng)WM濾波的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路圖，并生成門級(jí)網(wǎng)表，再用HSpice仿真，其的仿真結(jié)果如下。

其中橫坐標(biāo)時(shí)間單位為μs，縱坐標(biāo)分別為電壓與電流（圖7上為電壓，圖7下為電流），單位分別為V跟mA。由圖可看出，當(dāng)輸入一個(gè)高電平信號(hào)時(shí)，其輸入相應(yīng)電流經(jīng)過15 ns后達(dá)到穩(wěn)定，故其建立時(shí)間為15 ns，所以轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)到60MHz。

運(yùn)用HSpice軟件仿真完成后，將輸出的數(shù)據(jù)列表導(dǎo)入MATLAB軟件中可得到，該DA轉(zhuǎn)換器的DNL和INL，DNL是指從垂直方向上測(cè)量出輸出相鄰的電平之間的差值和1LSB之差，通常用LSB為單位表示；INL定義為實(shí)際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，通常使用單位LSB表示。INL可通過函數(shù)來表示，一般所說的INL是取所有的差值中最大的一個(gè)作為INL的值。

文中設(shè)計(jì)的D/A轉(zhuǎn)換電路的DNL和INL，如圖8、9所示。從圖中可以看出，本設(shè)計(jì)中的DNL約為0.58LSB，INL約為0.54LSB，均小于0.6LSB，由此說明該D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換誤差小，且轉(zhuǎn)化精度高。

圖7 建立時(shí)間仿真波形

圖8 D/A轉(zhuǎn)換電路的微分非線性誤差

圖9 D/A轉(zhuǎn)換電路的積分非線性誤差

4 結(jié)束語

文中針對(duì)現(xiàn)階段單片機(jī)微處理器未有D/A轉(zhuǎn)換器或自帶D/A轉(zhuǎn)換器精度過低，使交流伺服電機(jī)需要額外外接高速高精度D/A轉(zhuǎn)化器而使電路成本上升，面積增大的問題，開發(fā)與設(shè)計(jì)了基于PWM濾波的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。其利用單片機(jī)微處理器內(nèi)部自帶的定時(shí)器產(chǎn)生PWM波，然后經(jīng)過隔離，濾波，放大后形成-10～10 V的模擬信號(hào)，滿足了交流伺服電機(jī)的工作要求。同時(shí)，降低了成本，避免了額外的電路面積。仿真結(jié)果顯示，該電路轉(zhuǎn)換速度快，誤差小，且具有較高的D/A轉(zhuǎn)換特性。

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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 稿件編號(hào)：201601254

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（15CX02103A）

沈?qū)W鋒（1973—），女，山東淄博人，碩士，講師。研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。