【2017年整理】PWM滤波数模转换电路设计.doc

基于LM358芯片的PWM滤波数模转换电路设计 摘要：基于脉宽调制(PWM)波形的频谱理论分析，针对交流伺服电机实现速度闭环控制需要(±10)V模拟信号输入的要求，设计了一种基于PWM滤波的(±10)V模拟信号输出的电路。通过对PWM信号整形隔离，再经过一个三阶滤波器滤波，偏置电路以及放大电路实现了最终的目的。实践证明，该设计方案可以得到稳定、精确的模拟信号输出。设计方案简单易行，性价比高，具有一定的通用性。 关键词：电路设计；PWM滤波；数模转换 本研究在对PWM实现D/A转换理论进行分析的基础上，设计了一种输出为-10~+10V模拟信号的D/A转换电路，旨在为交流伺服电机提供更为稳定与精确的模拟信号。 1 PWM滤波的理论分析 PWM是一种周期一定而占空比可以调制的方波信号，图1中是一种在实际电路中经常遇到的典型PWM波形。该PWM的高低电平分别为VH和VL，理想的情况VL等于0，但实际一般不等于0。 图1 实际电路中典型的PWM波形 本文假设PWM为理想情况，PWM的幅值为A，脉冲宽度为x(t)，则脉冲宽度调制波可以表示为： 式中：假设脉冲中心在kTs处，T0为未调制宽度， m为调制指数；Tk为第k个矩形脉冲的宽度。可以看出，脉冲宽度调制信号由x(t)加上一个直流成分以及相位调制波构成。当T0Ts时，相位调制部分引起的信号交叠可以忽略，所以脉冲宽度调制信号可以直接通过滤波器进行解调，从而实现PWM滤波D/A的输出。 2 电路设计 根据前面分析可以设计出PWM滤波的信号处理方框图如图2，由单片机输出PWM波，通过整形隔离，然后通过有源滤波器及驱动放大得到模拟信号的输出。 图2 PWM滤波D /A转换器框图 针对控制芯片输出的是0~5V的PWM信号，而一般交流伺服电机速度闭环控制需要外部提供(±10)V的模拟信号，所以在控制芯片和交流伺服控制卡之间要加一级D/A转换电路，其功能就是把0~5 V的PWM信号变为(-10)~(+10) V的模拟信号。 电路中主要器件采用的是LM358，其内部包括2个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。设计中采用的是LM358双电源供电模式，使整个电路得以实现正负电压的输出。电路总体上可以分为4个部分，分别为隔离电路、三阶滤波电路、偏置电路和放大电路。为了确定关键电阻和电容的值以及更好的分析电路，文中计算出各电路的传递函数，在计算传递函数的时候，先不考虑各调零电阻和调增益的电阻，并且认为线性集成元件为理想状态，分别如下。 2.1 隔离电路 隔离电路如图3所示。由高速光藕隔离芯片6N137实现，将实际控制芯片输出的PWM信号转换为理想的0~5V的PWM信号，隔离的目的为了防止外围电路对单片机信号的干扰。 图3 隔离电路 2.2滤波电路 三阶滤波电路由一个二阶有源低通滤波器和一个阻容滤波器组成。如图4所示。 图4 滤波电路 主要器件是运放芯片LM358(图中U2A)和电阻R3、R6、R7、R8、R9以及电容C2、C3、C5。电路中的二阶有源低通滤波器采用的是二阶压控电压源电路，其原理是一个由线性集成元件(LM358)构成的同相比例放大器，其他无源元件都接在线性集成元件(LM358)的同相输入端，同相放大器输出电压反馈到无源网络。整个滤波电路的功能是将PWM信号的谐波过滤出去，并将理想的0~5 V PWM信号放大一倍，转换成0~10 V的模拟信号。 其传递函数如下： 式中：Af=1+R8/R7，a0=1 a1=R6C2+R3C2+R3C3(1-Af)+R9C5， a2=R3R6C2C3+R6R9C2C5+R3R9C2C5+R3R9C3C5(1-Af)+R9C5， a3=R3R6R9C2C3C5ξ=1/√2，此时系统的幅频特性没有峰值出现，并且其截止频率就是它的固有频率fc=f0。实践证明，本系统在信号频率为21kHz左右时，滤波效果最佳。 在本系统中取增益Af=2。求解得到：R3=22 kΩ，R7=24 kΩ，R8=24 kΩ，R6=7.5 kΩ，R9=100Ω，C2=15 nF，C3=10 nF，C5=10 nFΩ。 2.4 放大电路 图6 放大电路 放大电路由U34和R16、R17、R18组成，其原理是一个反相比例放大器，把输入的-5~+5 V的模拟信号放大为-10~+10 V的模拟信号。 放大电路中，要把在一级运放产生的系统相位滞后180°校正过来，并且放大2倍。所以仍采用反相比例放大器。在电路中U2、U3的关系为 所以取R16=10 kΩ，R17本来应该选择20 kΩ的电阻，但是由于在实际中反馈端还得加一个可变电阻，所以选择R17=1