使用PWM得到精密的輸出電壓

近年來(lái)，許多單片機(jī)生產(chǎn)廠家，如Atmel、Analog Divices、Intel、Philips、Dallas、Maxim等等，紛紛推出了新型的高速單片機(jī)。它們的指令執(zhí)行周期僅是原來(lái)的1/3~1/十幾，并在單片機(jī)中集成了EEPROM、WDT、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器，大大地提高了單片機(jī)的性能，方便了用戶。然而，許多單片機(jī)中的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出都采用了脈寬調(diào)制（PWM）的形式。PWM十分適用于開關(guān)電源、可控硅等器件的控制，也可使用于LCD亮度控制、音頻輸出等不需要輸出精確電壓的場(chǎng)合。由于PWM沒有基準(zhǔn)電壓，它的輸出脈沖的幅度不是很恒定，這就限制了PWM的使用范圍。在要求輸出精密控制電壓的場(chǎng)合，如精密可調(diào)電壓源、電機(jī)變頻器等等，就無(wú)法使用PWM。

然而，只需使用2片廉價(jià)的集成電路就可以把幅度不恒定的PWM輸出轉(zhuǎn)換成精密的PWM輸出電壓。

1 電路原理

使用三端精密基準(zhǔn)電源和模擬開關(guān)得到電壓精密的PWM脈沖的電路原理如圖1所示。D1為TL431三端基準(zhǔn)電壓集成電路，U1采用單刀雙擲的模擬開關(guān)MAX4544；電阻R1、R2、R3根據(jù)具體的需要而定。當(dāng)然，也可以采用其它型號(hào)的集成電路。

當(dāng)PWM脈沖為高電平（邏輯1）時(shí)，U1的COM端擲向常閉端（NC），TL431的調(diào)整腳與正電壓腳相連，輸出電壓值為2.5 V。當(dāng)PWM脈沖為低電平（邏輯0）時(shí)，U1的COM端擲向常開端（NO），TL431的輸出電壓經(jīng)過(guò)R2、R3 分壓后送到調(diào)整腳，此時(shí)輸出電壓值等于[（R2+R3）/R3]×2.5 V。本例中輸出電壓等于8 V。這樣，當(dāng)U1的IN 腳輸入PWM信號(hào)時(shí)，電路相應(yīng)地輸出高電平為8 V，低電平為 2.5 V的PWM脈沖，其振幅為 8 V - 2.5 V = 5.5 V 。如果需要輸出低電平為零的PWM信號(hào)，則再加上1個(gè)差分放大器就可解決。

在對(duì)于精密度的要求不是很高的場(chǎng)合，可以采用更簡(jiǎn)單的方法。圖2為使用精密穩(wěn)壓二極管對(duì)PWM脈沖進(jìn)行穩(wěn)壓限幅的電路圖。在圖2中，PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)高速運(yùn)算放大器U1放大成為±12 V的輸出電壓，在經(jīng)過(guò)R1的限流和D1的穩(wěn)壓后，得到 ±6.5 V 的PWM脈沖輸出。

2 誤差分析

圖1中，只要基準(zhǔn)電源選取恰當(dāng)，基準(zhǔn)電源本身的誤差完全可以忽略。除此之外，誤差的來(lái)源主要有以下幾個(gè)方面：

（1）模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻引起的誤差

模擬開關(guān)導(dǎo)通時(shí)有一定的導(dǎo)通電阻。TL431調(diào)整腳輸入電流通過(guò)模擬開關(guān)時(shí)就會(huì)形成電壓降，產(chǎn)生誤差。MAX4544的導(dǎo)通電阻為35 Ω，而TL431的調(diào)整腳輸入電流則在4 μA以下。由此而導(dǎo)致基準(zhǔn)電壓的誤差小于140 μV，為2.5 V的 0.000 056，相當(dāng)于二進(jìn)制14位的精度。

（2）開關(guān)延遲時(shí)間引入的誤差

開關(guān)延遲時(shí)間將會(huì)引起脈沖占空比的變化，從而導(dǎo)致PWM輸出脈沖產(chǎn)生誤差。MAX4544的導(dǎo)通時(shí)間為30 ns，關(guān)斷時(shí)間為25 ns。計(jì)算可知，當(dāng)PWM頻率為10 kHz時(shí)，由此產(chǎn)生的誤差最大為0.0003，相當(dāng)于12位的精度。如果PWM的頻率選得較低，則開關(guān)延遲時(shí)間的影響相應(yīng)減小。例如選取1 kHz時(shí)，引入誤差為0.000 03，相當(dāng)于15位的精度。

上述兩項(xiàng)中真正影響輸出電源精度的是這些參數(shù)隨溫度和時(shí)間的漂移。由于這兩項(xiàng)參數(shù)本身的絕對(duì)值非常小，可以推知它們的漂移更小。

從以上的分析可知，由于附加電路引入的誤差完全能夠滿足PWM的精度需求。

圖2電路中，引起誤差的原因主要有3個(gè)方面：

（1）穩(wěn)壓二極管的動(dòng)態(tài)電阻引入的誤差

穩(wěn)壓二極管的動(dòng)態(tài)電阻比較大，一般在幾十Ω左右（工作電流5~10 mA時(shí)）；而運(yùn)算放大器的驅(qū)動(dòng)能力比較小，只能使穩(wěn)壓二極管工作在較小的工作電流下。另外，穩(wěn)壓二極管小電流工作時(shí)的動(dòng)態(tài)電阻更大，更容易引起電壓變化。

（2）穩(wěn)壓二極管溫度漂移引入的誤差

2DW7（2DW230~236）內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為是2個(gè)穩(wěn)壓二極管對(duì)接串聯(lián)而成的。其中一個(gè)二極管的正向電壓降（具有負(fù)溫度系數(shù)）對(duì)另一個(gè)穩(wěn)壓二極管的溫度漂移（具有正溫度系數(shù)）進(jìn)行補(bǔ)償，得到很低的溫度系數(shù)。然而，當(dāng)2DW7反向應(yīng)用時(shí)，其溫度漂移就不能得到恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，從而導(dǎo)致負(fù)脈沖部分的溫度系數(shù)較高。

（3）運(yùn)算放大器引入的誤差

運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓的漂移可直接導(dǎo)致脈沖振幅的誤差；而轉(zhuǎn)換速率（SR）過(guò)低，將導(dǎo)致脈沖方波波形的失真，繼而引起電壓的誤差。失調(diào)電壓溫度漂移低并且轉(zhuǎn)換速率高的運(yùn)算放大器的價(jià)格將會(huì)很高。

但是，對(duì)于8~10位的PWM而言，該電路已經(jīng)能夠滿足要求。對(duì)于要求更低的場(chǎng)合，可以用2個(gè)廉價(jià)的穩(wěn)壓二極管對(duì)接來(lái)代替2DW7。

3 應(yīng)用實(shí)例

利用單片機(jī)的PWM輸出，在圖1的基礎(chǔ)上增加RC濾波電路和1級(jí)運(yùn)算放大器，得到0~10 V直流輸出電壓，作為變頻器的控制信號(hào)，取得了良好的效果。圖 3 所示為使用PWM輸出控制變頻器的實(shí)例。