利用單片機自帶的DAC模塊實現(xiàn)0-10V設(shè)計

單片機波形合成發(fā)生器是一種數(shù)字波形合成技術(shù)，通過計算機的數(shù)字處理能力來產(chǎn)生各種復(fù)雜波形的信號。該技術(shù)具有高精度、靈活性強等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于混頻儀、信號源、測試儀等設(shè)備中。

利用單片機波形合成發(fā)生器實現(xiàn)低頻信號發(fā)生器的設(shè)計原理如下：首先選擇一個合適的單片機，對其進行編程，通過單片機自帶的DAC模塊實現(xiàn)波形輸出，采用DDS技術(shù)生成任意波形，并進行數(shù)字信號處理。最終將合成的數(shù)字信號通過運放放大來得到所需要的低頻信號。

低頻信號發(fā)生器是一種用于產(chǎn)生一定頻率、波形和振幅的信號的設(shè)備。在科研、教學(xué)和實際工程中，低頻信號來源是各種儀器、設(shè)備和系統(tǒng)中必不可少的一環(huán)。常見的低頻信號發(fā)生器有函數(shù)發(fā)生器、示波器、信號源等，但這些設(shè)備存在著輸出精度低、頻率范圍窄、造價高等問題。

DAC(Digital to analog converter)即數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，它可以將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。它的功能與 ADC 相反。在常見的數(shù)字信號系統(tǒng)中，大部分傳感器信號被轉(zhuǎn)化成電壓信號，而 ADC 把電壓模擬信號轉(zhuǎn)換成易于計算機存儲處理的數(shù)字編碼，由計算機處理完成后，再由 DAC 輸出電壓模擬信號，該電壓模擬信號常常用來驅(qū)動某些執(zhí)行器件，使人類易于感知。如音頻信號的采集及還原就是這樣一個過程。

1. 數(shù)字數(shù)據(jù)：數(shù)字數(shù)據(jù)通常以二進制形式表示，并存儲在計算機系統(tǒng)或其他數(shù)字設(shè)備中。

2. 重構(gòu)：DA轉(zhuǎn)換器通過重構(gòu)技術(shù)將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模擬信號。重構(gòu)過程中，數(shù)字樣本被插值和濾波，使其變得連續(xù)且光滑。

3. 輸出模擬信號：DA轉(zhuǎn)換器的輸出是通過模擬電路和濾波器處理后的連續(xù)模擬信號。輸出信號的連續(xù)性和精確性取決于DA轉(zhuǎn)換器的性能。

本文一共講解3種方案，分別為：

第一種方案：利用單片機自帶的DAC模塊的輸出進行實現(xiàn)

第二種方案：使用 PWM 加濾波電路

第三種方案：使用專用轉(zhuǎn)換芯片

第一種方案

利用單片機自帶的DAC模塊，現(xiàn)在很多的單片機都自帶了 DAC 模塊，我們可以直接使用 DAC 模塊的輸出進行實現(xiàn)。

比如我們最常見的單片機供電系統(tǒng)為： 0 ~ 3.3V。 那么我們就可以將 0 ~ 3.3 V 放大 3倍，實現(xiàn) 0~ 10V 的輸出。

這里我們用到的是同相比例運放電路：

DAC1 為單片機的 DAC 輸出，0 ~ 3.3V ,放大 3 倍。

R2 選擇 3.3K 還是因為運放的對稱性，選擇與 R4 和 R3 并聯(lián)電阻相等的阻值。

使用 DAC 直接放大3倍，感覺直接看起來還是挺滿的，直接上測試：

上面我通過自己手動設(shè)置 DAC 的值，輸出的不同狀態(tài)效果。

第二種方案，使用 PWM 加濾波電路。

2.1 PWM 輸出 DAC

如何讓 PWM 波形變成模擬量輸出，那就是加上濾波電路，經(jīng)過一個濾波電路，可以使得PWM變成DAC輸出。

只使用一個 RC 的濾波電路稱為一階濾波電路。

為了使得輸出更加平滑，我們會使用二階甚至多階濾波電路。

為了使得帶載能力更強，我們會使用后面接電壓跟隨器等運放電路。

2.2 PWM 接濾波器的RC值選擇說明

對于 RC 濾波器的 RC值選擇，是新手難以理解處理的一個點，這也是濾波器設(shè)計的重點之一。

我們都知道，RC低通濾波電路的截止頻率：

fc=1/2πRC

這個公式非常重要，了解 RC 濾波器必須牢記的公式，截止頻率公式。

截止頻率實際上是輸入信號幅度降低 3dB 的頻率。截止頻率也稱為 -3 dB頻率

簡單幾點說明

R 越小，輸出損耗越大

R 越大，噪聲紋波越大

C 越小(比如到達 pf 級別后)，越容易被寄生電容影響

C 越大(比如比較大的 uf 級別后)，因為電容越大，普通情況下就只能使用電解電容，但是電解電容的高頻特性很差，在 RC 濾波器中盡量不要使用電解電容

這種低成本的電路沒有完美的，我們總做的就是一個權(quán)衡，在有限的成本規(guī)定范圍內(nèi)，設(shè)計出一個滿足需要的電路。

對于本文我們的 PWM 而言，其本質(zhì)上是一種高頻脈沖信號，其中的高頻分量會被低通濾波器濾掉，只有低頻分量才能通過濾波器，形成模擬信號輸出。我們要保證 PWM 的頻率 遠大于 RC 低通濾波器的截止頻率，至少在 10 倍以上甚至數(shù)十倍，因為越往上的頻率信號，濾波的效果越來越好。

重要的是在你按照經(jīng)驗值設(shè)計完電路發(fā)現(xiàn)問題了以后知道如何去查找問題，如何去調(diào)整參數(shù)，這是硬件設(shè)計的關(guān)鍵所在。

2.3 0~ 3.3V PWM 輸出 0 ~10V

方案一：RC 濾波器

上面簡單的說明了一下，那么上一下我們本次測試的電路：

圖中的阻容大家可以根據(jù)自己的需求修改。

測試：

在上文我們說過，我們可以算出 RC低通濾波器的截止頻率，我們要保證 PWM 的頻率 遠大于 RC 低通濾波器的截止頻率。

如果 PWM 的頻率比較低會怎樣，比如，我 PWM 周期為 1HZ，然后占空比設(shè)置為50%：進一步的修改一下，把 PWM 的頻率稍微修改一下，對于我測試的其實也就是 定時器的頻率，如下：

根據(jù)公式

Tout = ((arr+1)*(psc+1))/Tclk ; // 32MHz 主頻

定時器周期為 1 ms， 其實也就表示頻率為 1KHz，為了方便表示占空比 0~ 100 對應(yīng)，上面的 arr 改成了100， 實際上也是 1KHz 左右，再來看看效果：

實際上我測試的時候沒有特意的去調(diào)整阻容的值，就直觀上看起來效果還是可以的(上圖的毛刺多是因為示波器 GND 的線夾得太遠了)。

第三種方案，使用專用轉(zhuǎn)換芯片

前面的兩種方式成本相對都比較低，和電平轉(zhuǎn)換電路一樣，0 ~10V 輸出也有專門的轉(zhuǎn)換芯片： GP8101

看了一下介紹，這個芯片有一個系列，不僅有 PWM 輸入的，還有 I2C 結(jié)口的：

測試其實和上面一樣，設(shè)置不同的占空比，看示波器，結(jié)果還是很好的。