标签: lm3s811,pwm,dac

TI 公司的 LM3S811 有 3 个 PWM 信号发生模块，每个模块可以产生 2 个独立的 PWM 信号，这样算来，单个 LM3S811 就可以产生 6 路 PWM 信号了。   对于有些应用，对成本有要求，用 R,C 替代专用 DAC 毕竟能节约不少，尤其在精度要求不高，电平变化速率不快的应用中，就可以通过 PWM 滤波后产生直流信号，但这样生成的信号达到什么指标呢。自己先定一个指标吧，看能不能达到。上一篇《 LM3S811 之测量交流有效值》在 10v 的量程下可以测量到 10mv 的精度，约 10 位分辨率，现在还是用这个芯片，生成的信号比测量的信号精度高一位吧，这样比较合适。比如是 3.3v 量程，分辨率是 3.3/2^11=1.6mv 。   下面几张图供参考，尊重作者，不重新画了。 图 1 来自   李小京，石金桥《利用单片机构成高精度 PWM 式 12 位 D/A 》 图 2 来自 秦健《一种基于 PWM 的电压输出 DAC 电路设计》 图 3 来自   Atmel 评估板原理图 图 4 来自   韦波《用 PWM 实现廉价隔离型标准电流输出 D/A 转换器》   从 PWM 数字信号变为产生 DAC 模拟信号，一般都是分几步走：   一：利用 LM3S811 产生 PWM 信号，这块属于数字电路，不讨论了。   二： PWM 信号整形 / 隔离，顾名思义，由于数字电路芯片输出的高电平和低电平不稳定，随着温度的变化而变化，而整形可以采用高速光耦、晶体管、运放 / 比较器 . 图 1-3 都比较简单，但可能存在问题，以图 2 为例，我用软件仿真后，占空比经过 T1 后反了可以在软件中修改，但 B 点的方波，低电平是 26mv ，对于 C 点，最低电压是 31.8mv ，相对于 1.6mv 比较大了，图 4 则可以降低到 0v 。当然用运放 / 比较器肯定也会达到 0v 的。   三：滤波，将方波整形成直流信号。这个是重点，也是难点，滤波器，精度与时间是一对矛盾。   一般电路都有两种分析方法：从频域上分析和从时域上分析。大部分文档都是从频域上分析的，参考秦健《一种基于 PWM 的电压输出 DAC 电路设计》 图 5 PWM 波形 可用公式 描述，频域上用傅里叶级数表示 ，通过低通滤波器后，主要考虑的是一次谐波的影响，再后面的谐波影响加起来都小于一次谐波的影响。 一次谐波的频率是 2*pi/NT ，以 LM3S811 为例，最小计时应该可以达到 50MHz ， 16 位 PWM 计数器完全满足 11 位的精度， N=2^11=2048 。留点余地以后扩展也好，波形更加方也好，计时 4 个 50M 的脉冲算最小分辨率吧，这样一个 NT 为 2048*4/50M=163.84us 。则一次谐波的频率为 2*3.14/163.84u=38.35kHz 。 如果要将一次谐波的影响消除到 1/2^12 ，即低通滤波器必须在 38.35kHz 时，以其极限 VH=3.3v,VL=0V ， n=N 为例，其频率响应的电压增益要为 20lg(2/pi/2^12)=-76.17db 以下。 以一级 RC 低通滤波器为例，其截止频率为 1/2*pi*RC ，则 20lg(1/2*pi*RC)=-76.17 ，则 1/(2*pi *RC)=10^(-76.17/20) ，很显然即便是 1M 的电阻， 1u 的电容组成的单级滤波器都达不到这个效果。 多级 RC 滤波器计算比较复杂，但可以以上面几张图中的 100k ， 0.1u 的为例，其单级的 -3db 频率为 1/2*pi*100k*0.1u=15.9Hz ，则在 38.35KHz 单级幅度则为衰减到 1/(38.35k/15.9)=1/2412 了，若要达到 1/2^12 ，则需要 2^12/2412=1.7 ，则采用 2 级 RC 滤波器可行。但在没有采用运放隔离的情况下，两级 RC 滤波器会前后干扰，前级的输出为后级的输入，后级的输入为前级的负载，则第一级采用 10k,1u ，第二级采用 100k,0.1u ， -3db 频率一样，但干扰就相对降低了。   频域上可以分析保证纹波不超过规定，但无法分析时间关系了。 由于多级 RC 电路函数关系比较复杂，仅以单级 RC 电路为例。从时域上分析，借用下图，其电压的函数关系也类似， a) 是充电， b) 是放电，以充电为例， Vc =V(1-e^(-t/RC)) 。要达到 2^-12 的精度，极限就是从 0V 到 V*8191/8192 ，算得 t=9.02RC ，简单点就是 10RC 肯定就满足稳定的要求了。如果 R=100k ， C=1u ，则最大只需要 1s 即可稳定。至于 100k,0.1u 、 10k ， 1u, 那 0.1s 就可以稳定了。 图 6   RC 电路的时域函数图 时域上也可以分析纹波吧，常见图 5 ，一个周期是 164us ，在极限的情况下，即图 6a) 从 0 点开始，其纹波是 V(1-e^(-164u/100k/1u))=0.0016V ，呵呵，那就超出了 V*2^-12=0.0002V 了。如果要纹波系数小，必须减小 T 或增大 RC ，当然，减小 T 是比较容易的，最小可以 2^11/50M=41us ，这样纹波就是 V(1-e^(-41u/100k/1u))= 0.0004V ，呵呵，单级的还是不行啊，除非降低标准，分辨率降低到 10 位，同时 T 又能减小，哦，那肯定满足了。   综上所述，采用 2 级 RC 滤波器， 10k ， 1u 和 100k ， 0.1u ，稳定时间约 0.1s ，可构成 11 位精度的 DAC ，对于一般应用，足矣。   四：输出功率放大 最常用的是用运放构成电压跟随器，我想如采用三极管射级跟随，既能降低成本，也能向下平移电压约 0.7V ，这样图 1 ， 2 ， 3 就可以达到 0V 的目的，但温度稳定度可能还不够，我只是想想了。   费这么多力气，算了半天，讨论了 PWM 模拟 DAC ，其实主要还是想利用 LM3S811 做个 SOC ，理论上先论证下可行性，看样子还是可以的。