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[導(dǎo)讀][一].前言  在用單片機(jī)制作的變送器類和控制器類的儀表中,需要輸出1—5V或4—20mA的直流信號(hào)的時(shí)候,通常采用專用的D/A芯片,一般是每路一片。當(dāng)輸出信號(hào)的精度較高時(shí),D/A芯片的位數(shù)也將隨之增加。在工

[一].前言

  在用單片機(jī)制作的變送器類和控制器類的儀表中,需要輸出1—5V或4—20mA的直流信號(hào)的時(shí)候,通常采用專用的D/A芯片,一般是每路一片。當(dāng)輸出信號(hào)的精度較高時(shí),D/A芯片的位數(shù)也將隨之增加。在工業(yè)儀表中,通常增加到12位。12位D/A的價(jià)格目前比單片機(jī)的價(jià)格要高得多,占用的接口線數(shù)量也多。尤其是在需隔離的場(chǎng)合時(shí),所需的光電耦合器數(shù)量與接口線相當(dāng),造成元器件數(shù)量大批增加,使體積和造價(jià)隨之升高。如果在單片機(jī)控制的儀表里用PWM方式完成D/A輸出,將會(huì)使成本降低到12位D/A芯片的十分之一左右。我們?cè)赟系列流量?jī)x表中采用了這種方式,使用效果非常理想。下面介紹一下PWM方式D/A的構(gòu)成原理。

  [二].電路原理

  一般12位D/A轉(zhuǎn)換器在手冊(cè)中給出的精度為±1/2LSB,溫度漂移的綜合指標(biāo)在20—50ppm/℃,上述兩項(xiàng)指標(biāo)在0.2級(jí)儀表中是可以滿足要求的,下面給出的電路可以達(dá)到上述兩項(xiàng)指標(biāo)。 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(dāng)τ=T時(shí),占空比為1,Vo=5.000V,τ=0時(shí),Vo=0V。這種脈沖電壓經(jīng)過(guò)兩級(jí)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(shí)際應(yīng)用上還存在一些問(wèn)題。圖2是實(shí)際線路,其中單片機(jī)可用8098或8031兩種常用芯片,VM的數(shù)值為5.000V±2mV,D/A與單片機(jī)必須是電氣隔離的。否則數(shù)字脈沖電流產(chǎn)生的干擾會(huì)影響D/A精度,從示波器可以看到高達(dá)50mV的干擾毛刺電壓,因此有必要加光電隔離。經(jīng)隔離后的脈沖驅(qū)動(dòng)模擬開關(guān)CD4053。CD4053是三組兩觸點(diǎn)模擬開關(guān),由PWM脈沖控制開關(guān)的公共接點(diǎn)使之與+5.000V和地接通,在VI得到與單片機(jī)輸出相一致的PWM波形。該波形經(jīng)兩級(jí)RC濾波后由運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器輸出Vo。其中RC的時(shí)間常數(shù)一般取RC≥2T,這樣兩級(jí)RC加起來(lái)就會(huì)得到紋波小于3mV的直流電壓,本電路中RC=220ms,如果想進(jìn)一步減小紋波,可適當(dāng)提高RC的乘積,但電路的響應(yīng)速度也會(huì)放慢。

  

 

  用運(yùn)放做RC濾波器輸出的緩沖大有益處。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(guò)實(shí)驗(yàn)可知,這一級(jí)運(yùn)放的的緩沖作用是保證整個(gè)D/A精度和線性度的重要環(huán)節(jié)。盡管RC濾波器無(wú)負(fù)載,處在非常理想的條件下工作,但Vo并不完全與占空比成正比。經(jīng)測(cè)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(shí)測(cè)值。由圖中可見,曲線2的根部不太理想。這是因?yàn)樗褂玫碾娙莶皇羌冸娙?,其中含有一定的電感。在占空比極小時(shí),由于脈沖非常窄,它產(chǎn)生的高次諧波的頻率很高,電感對(duì)高次諧波的感抗較大,因此在脈沖沿的位置上,盡管電壓變化很大,但實(shí)際實(shí)際給電容充電卻很小。這樣就在窄脈沖時(shí)產(chǎn)生非線性。當(dāng)采用無(wú)感電容時(shí),這種非線性有較大改善,但仍不能完全吻合。由于無(wú)感電容容量太小,價(jià)格也較高,所以在大時(shí)間常數(shù)濾波電路中沒(méi)有實(shí)際意義。在實(shí)際使用中解決這一問(wèn)題的方法是舍棄根部非線性部分,只用線性部分,在工業(yè)儀表中,標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)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(dāng)采用1—5V輸出信號(hào)時(shí),精度為0.03%完全滿足12位D/A要求。

  除精度滿足要求外,溫度特性也必須滿足要求。影響溫度特性的原因主要是5V精密電源和運(yùn)算放大器的溫度特性。為不使價(jià)格太高,選用2DW232精密穩(wěn)壓二極管,運(yùn)放的電阻與濾波電阻要匹配且溫度系數(shù)≤25ppm。運(yùn)算放大器選擇溫漂≤10uV/℃的均可,一般廉價(jià)低溫漂運(yùn)放都可滿足這個(gè)指標(biāo)。采用上述措施后D/A的總溫度漂為33ppm/℃。

  [三].實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

  由于這個(gè)線路是在0.2級(jí)精密儀表中使用的,因此要求線性度和溫度特性必須滿足要求,另外,這個(gè)數(shù)據(jù)是測(cè)量V/I轉(zhuǎn)換后4-20mA電源值與給定電流值之間的誤差。這個(gè)誤差還包含了V/I轉(zhuǎn)換的誤差。因此實(shí)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(shù)據(jù)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(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約為2.2s,輸出信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)值相差0.1%時(shí)所用的時(shí)間為11s。

  [四].結(jié)束語(yǔ)

  上面所介紹的D/A電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,原理易懂,在8098及8031單片機(jī)上都可以應(yīng)用,筆者采用8098單片機(jī)的四路高速輸入輸出同時(shí)控制四路精密D/A輸出。后面加一級(jí)V/I轉(zhuǎn)換電路,構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的4—20mA電流輸出,電路經(jīng)一年多的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用,效果很好,適于目前0.2級(jí)儀表的全部要求。

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