单片机控制4-20mA输出

1、利用单片机构成高精度 PWM式12位D/A 一 . 前言在用单片机制作的变送器类和控制器类的仪表中，需要输出 1 5V或4 20mA的直流信号的时候，通常采用专用的 D/A芯片，一般是每路一片。当输出信号的精度较高时，D/A芯片的位数也将随之增加。在工业仪表中，通常增加到 12 位。12 位 D/A 的价格目前比单片 机的价格要高得多， 占用的接口线数量也多。 尤其是在需隔离的场合 时，所需的光电耦合器数量与接口线相当， 造成元器件数量大批增加， 使体积和造价随之升高。如果在单片机控制的仪表里用 PWM方式完成D/A 输出，将会使成本降低到 12 位 D/A 芯片的十分之一左右。我们 在S系列

2、流量仪表中采用了这种方式， 使用效果非常理想。下面介绍 一下PWM方式D/A的构成原理。 二 . 电路原理般12位D/A转换器在手册中给出的精度为士 1/2LSB，温度漂移的综合指标在20 50ppm/C,上述两项指标在级仪表中是可以满足要求的，下面给出的电路可以达到上述两项指标。图1中的T是固定宽度，T的宽度是可变的。T分为 5000份,每份2us。所以T的最大值T max=2x 5000=10000us,这就是T的宽度。当T =T时，占空比为1, Vo= T =0时，Vo=0V这种脉冲电压经过两级RC滤波后得到的电压可由下式表示：T T2T+5. 000/VM必须是精密电压源。Vo与占空比

3、成正比，且线性较好，这种方式在理论上是很成熟的,但实际应用上还存在一些问题。图2是实际线路，其中单片机可用 8098或8031两种常用芯片，VM的数值为士 2mV D/A与单片机必须是电气隔离的。否则数字脉冲电流产生的干扰会影响D/A精度，从示波器可以看到高达50mV勺干扰毛刺电压,因此有必要加光电隔离。经隔离后的脉冲驱动模拟开关CD4053CD4053是三组两触点模拟开关，由 PWM永冲控制开关的公共接点使之与+和地接通，在VI得到与单片机输出相一致的 PWM波形。该波形经两级RC滤波后由运放构成的电压跟随器输出 Vo。其中RC的时间常数一般取RO 2T,这样两级RC加起来就会得到纹波小于3

4、mV的直流电压，本电路中 RC=220m,如果想进一步减小纹波，可适当提高RC的乘积，但电路的响应速度也会放慢。用运放做RC滤波器输出的缓冲大有益处。它不仅提高了滤波电路带载能力，而且使线性度得到了提高。通过实验可知，这一级运放 的的缓冲作用是保证整个D/A精度和线性度的重要环节。尽管 RC滤波器无负载，处在非常理想的条件下工作，但Vo并不完全与占空比成正比。经测试，Vo与理想值有一些误差，如图3所示。Vo0图3图中的曲线1表示理想值，曲线2表示实测值。由图中可见，曲线2的根部不太理想。这是因为所使用的电容不是纯电容， 其中含有定的电感。在占空比极小时，由于脉冲非常窄，它产生的高次谐波 的频率

5、很高，电感对高次谐波的感抗较大，因此在脉冲沿的位置上, 尽管电压变化很大，但实际实际给电容充电却很小。 这样就在窄脉冲 时产生非线性。当采用无感电容时，这种非线性有较大改善，但仍不 能完全吻合。由于无感电容容量太小，价格也较高，所以在大时间常 数滤波电路中没有实际意义。在实际使用中解决这一问题的方法是舍 弃根部非线性部分，只用线性部分，在工业仪表中，标准的信号一般 为1 5V或420mA而曲线2的非线性部分在以下，所以当采用 15V输出信号时，精度为 儘全满足12位D/A要求。除精度满足要求外，温度特性也必须满足要求。影响温度特性的 原因主要是5V精密电源和运算放大器的温度特性。为不使价格太高

6、, 选用2DW232精密稳压二极管，运放的电阻与滤波电阻要匹配且温度 系数W 25ppm运算放大器选择温漂W 10uV/C的均可，一般廉价低温漂运放都可满足这个指标。采用上述措施后D/A的总温度漂为33pp m/C。三.实测数据由于这个线路是在级精密仪表中使用的,因此要求线性度和温度特性必须满足要求，另外，这个数据是测量V/I转换后4-20mA电源值与给定电流值之间的误差。这个误差还包含了 V/I转换的误差。因此实际的D/A自身的误差比总误差要小。Igd(mA) lo(mA) =Io -Igd线性= max/20二20 C 60. C=温度漂移= max/20x 40=33ppm/C由以上数据可知，满量程的线性度为%满量程的温度漂移为/10C，系统响应时间约为，输出信号与标准值相差寸所用的时间为 11s。 四 . 结束语上面所介绍的D/A电路结构简单，原理易懂，在8098及8031单 片机上都可以应用，笔