TMS320F240片內(nèi)PWM實(shí)現(xiàn)D/A擴(kuò)展功能

摘要：根據(jù)TMS320F240芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出一種新穎的基于TMS320F240的PWM輸出，實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換擴(kuò)展功能的設(shè)計(jì)方法；詳細(xì)討論該設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)和具體的軟、硬件實(shí)現(xiàn)；分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并給出具體的應(yīng)用實(shí)例。該設(shè)計(jì)方案簡單易行，性價(jià)比高，具有一定的通用性。
關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器 TMS320F240 PWM D/A轉(zhuǎn)換TMS320F240（簡稱F240） 作為一種高速、高集成度、低成本的微控制器，功能非常強(qiáng)大。美中不足的是，F(xiàn)240芯片本身雖然集成了眾多滿足數(shù)字控制系統(tǒng)所需的先進(jìn)外圍設(shè)備，包括A/D轉(zhuǎn)換等功能，卻唯獨(dú)沒有集成D/A轉(zhuǎn)換功能，因此，在TMS320F240芯片的實(shí)際應(yīng)用過程中，為其增加 D/A轉(zhuǎn)換接口是很有必要的。

本文提出的基于F240芯片PWM輸出的D/A轉(zhuǎn)換擴(kuò)展功能設(shè)計(jì)，是一種對(duì)F240片內(nèi)的D/A轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。通過F240片內(nèi)的PWM輸出，再加上簡單的外圍電路及對(duì)應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM的信號(hào)處理，得到穩(wěn)定、精確的模擬量輸出。


1 原理及誤差分析
1.1 基本原理
F240芯片提供的PWM輸出，是一種周期和占空比均可變、幅值為5 V的脈寬調(diào)制信號(hào)。實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)到D/A轉(zhuǎn)換輸出的理想方法是：采用模擬低通濾波器濾掉PWM輸出的高頻部分，保留低頻的直流分量，即可得到對(duì)應(yīng)的D/A輸出，如（圖1）所示。低通濾波器的帶寬決定了D/A輸出的帶寬范圍。
為了對(duì)PWM信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析，以下提供了一個(gè)設(shè)計(jì)濾波器的理論基礎(chǔ)。傅里葉變換理論告訴我們，任何一個(gè)周期為T的連續(xù)信號(hào)f（t），都可以表達(dá)為頻率是基頻的整數(shù)倍的正、余弦諧波分量之和。它是以時(shí)間軸原點(diǎn)為對(duì)稱點(diǎn)的、單極性的PWM信號(hào)，表達(dá)式為

其中，f＝1/T為基頻，式中An、 Bn為各自獨(dú)立的傅里葉系數(shù)：

;由于f（t）是一個(gè)關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱的偶函數(shù)，因此Bn項(xiàng)為0，只需計(jì)算An項(xiàng)即可。只要扣除直流分量A0，由f(t)=－f(t＋T/2)，An的偶系數(shù)也將為0，因此，對(duì)占空比為k、幅值為5 V的PWM信號(hào)有：

A0=5·k

Bn=0由式（5）可知，直流分量A0就是所需要的 D/A輸出，只要改變PWM信號(hào)的占空比k，就能得到電壓范圍為0～5 V的D/A轉(zhuǎn)換輸出；An代表PWM信號(hào)的高頻直流分量，頻率為PWM信號(hào)基頻的整數(shù)倍。因此，對(duì)于基頻為10 kHz的PWM信號(hào)，一個(gè)理想的剪切頻率≤10 kHz的濾波器即可完全濾掉PWM信號(hào)的高頻諧波分量An，得到低頻的直流分量A0，從而實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)到D/A輸出的轉(zhuǎn)換。

1.2 誤差分析
D/A轉(zhuǎn)換輸出的電壓信號(hào)有一個(gè)紋波疊加在直流分量上。這是D/A轉(zhuǎn)換誤差的來源之一。影響D/A轉(zhuǎn)換誤差的另外一個(gè)重要因素，取決于PWM信號(hào)的基頻。對(duì)于時(shí)鐘頻率為20 MHz的F240芯片，產(chǎn)生一個(gè)20 kHz的PWM信號(hào)，意味著每產(chǎn)生一個(gè)周期的PWM信號(hào)，要計(jì)數(shù)1000個(gè)時(shí)鐘。即所得的直流分量的最小輸出為1個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生的PWM信號(hào)，等于5 mV（5 V×1/1000），剛好小于10位的D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出4.8 mV（5 V/1024）。因此，理想情況下，PWM信號(hào)的頻率越低，所得的直流分量就越小，D/A轉(zhuǎn)換的分辨率也就相應(yīng)的越高。如果將PWM信號(hào)的頻率從20 kHz降到10 kHz，則直流分量輸出的最小輸出為2.5 mV（5 V/2000），接近于11位的分辨率。但是，隨著PWM信號(hào)基頻的減小，諧波分量的頻率也隨之降低，就會(huì)有更多的諧波通過相同帶寬的低通濾波器，造成輸出的直流分量的紋波更大，導(dǎo)致D/A轉(zhuǎn)換的分辨率降低。所以，單純降低PWM信號(hào)的頻率不能獲得較高的分辨率。通過以上分析可知,基于DSP芯片PWM輸出的D/A轉(zhuǎn)換輸出的誤差,取決于通過低通濾波器的高頻分量所產(chǎn)生的紋波和由PWM信號(hào)的頻率決定的最小輸出電壓這兩個(gè)方面。所以要獲得最佳的D/A分辨率，在選取PWM信號(hào)的頻率時(shí)不能太小，要適當(dāng)?shù)卣壑?，選取一個(gè)最合適的值。如表1所列，通過Matlab仿真，可以得到最佳D/A分辨率下的PWM信號(hào)頻率。

表1 不同設(shè)計(jì)參數(shù)下F240芯片PWM輸出實(shí)現(xiàn)