PWM滤波数模转换电路设计

1 基于 LM358 芯片的 PWM 滤波数模转换电路设计 摘要摘要 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 T0 Ts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 2 电路设计电路设计 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 3 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 R3R6R9C2C3C5 本系统采用常用的二阶工程最佳参数作为设计系统的依据 选择阻尼系数 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 k R7 24 k R8 24 k R6 7 5 k R9 100 C2 15 nF C3 10 nF C5 10 nF 2 3 偏置电路 4 图 5 偏置电路 偏置电路如图 5 所示 由运放芯片 LM358 图中 U2B 和电阻 R11 R12 R14 R15组成 其原理是一个反相加法器 将 0 10V 模拟信号和基准电压源提供的 5V 电压相加后 实现 5 5V 模拟信号的输出 其传递函数如下 所以取 R15 R12 R11 10 k 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 5 所以取 R16 10 k R17本来应该选择 20 k 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 15 k 在实际调试电路的过程中 应该循序渐进一步步的调试 首先把 PWM 的占空比调整到 0 在理想状态下 第 2 部分电路和第 3 部分电路应该分别输出为 0 和 5V 但是由于运算放 大器的零偏 温漂和非线性以及外界的一些因素 这两部分电路输出不可能恰好是 0 和 5V 所以在 U2A的放大器的基础上增加一个调零电阻 R19和一个调增益电阻 R20 在 U2B的 反相加法器的基础上增加一个调零电阻 R21 调节调零电阻 R19 使第 2 部分电路输出为 0V 然后调整 R21使第 3 部分输出为 5V 增加 PWM 的占空比到 100 分别调整增益电阻 R20 R22使得第 2 部分电路和第 4 部分电路的输出均为 10V 3 结束语 设计了一种基于 LM358 芯片的 PWM 滤波实现数模转换的电路 该电路具有良好稳定 性 实现了正负模拟信号的输出 为交流伺服电机速度闭环控制提供了可靠的外部模拟信号 节省了大量 D A 转换器芯片 降低了电子设备的成本 减少了体积 该电路已应用于实际 工程 并取得了良好的预期结果 且设计方案简单易行 性价比高 只要适当改变电路部分 电阻 电容的值 就可实现对不同基频信号滤波的功能 且达到最佳效果 此外 该