一種利用PWM輸出實現D/A轉換的方法

吳必瑞，謝善娟

(寧德師范學院物理與電氣工程系，福建 寧德 352100)

一種利用PWM輸出實現D/A轉換的方法

吳必瑞，謝善娟

(寧德師范學院物理與電氣工程系，福建 寧德 352100)

針對部分處理器無內置D/A轉換的問題，設計了一種利用單片機輸出的PWM(脈沖寬度調制)實現D/A轉換(模數轉換)。并以MSP430F44X為例，給出了電路原理圖、軟件框圖及其實現方法。該D/A轉換通過比較器和三極管構成的推挽電路，再經過濾波器得到直流輸出。試驗結果表明，該D/A轉換精度高、抗干擾能力強、降低了硬件電路的成本，有一定的實際應用價值。

脈沖寬度調制(PWM)；模數轉換(D/A轉換)；Multisim

PWM(脈沖寬度調制，簡稱為脈寬調制)是利用單片機(處理器)的輸出數字信號對模擬電路控制的一種技術，應用于通信、電子器件控制與變換等領域[1-2]。在電子電路應用系統中經常需要單片機(信號處理器)輸出的模擬信號，而采用較多的電路是內置D/A或外接D/A換器來實現。由于較多芯片具有PWM輸出功能，而不含自帶的D/A轉換功能，如MSP430F44X，TMS320F2812等，實現D/A的方法一般要采用SPI等串行接口的D/A芯片，性價比相對較低。為此，筆者介紹由一種利用單片機(信號處理器)內置PWM實現D/A轉換的方法。

1 硬件電路設計

MSP430F44X可輸出幅值不變而脈寬可調的PWM波，經過比較器LM293的比較輸出的信號和經三極管Q1和Q2組成的推挽電路放大后，得到幅值放大的PWM波，再經過R5和C1組成的RC濾波器和二階巴特沃斯低通濾波器后，就可得到不含交流分量僅含直流分量的模擬輸出。MSP430F44X的定時器1PWM輸出頻率定為10kHz，濾波器的頻率以此設計。PWM的頻率可定得更高，使該電路的帶寬更寬，當然這樣會引起分辨率的降低，因此頻率要進行取舍。PWM實現D/A轉換的電路原理如圖1所示。圖1中偏置電壓Vc和D/A轉換后的輸出電壓VA構成加法電路。調節電阻R8和R7的大小可以改變輸出的Uout電壓大小。

圖1 PWM波實現D/A轉換原理圖

2 軟件程序設計

軟件是在IAR Embedded Workbench 開發環境中采用C語言開發的，主要包括系統定時器初始化和中斷子程序。軟件程序先禁止看門狗，設置系統時鐘；設置定時器、利用CCR0控制周期和CCRX控制占空比輸出PWM信號。為降低系統功耗，將MSP430F44X設置為低功耗0模式；程序開始運行后通過中斷喚醒CPU工作，中斷完成后返回低功耗0模式[3-4]。主程序流程圖如圖2所示：

圖2 主程序流程圖

3 仿真試驗

1)仿真軟件Multisim11 Multisim11是EDA的最新電子電路仿真軟件版本，具有界面簡單、仿真模型豐富、界面友好、操作簡單等特點。可采用直觀的圖形界面創建電路，提供豐富而全面的儀器設備，且同一臺儀器可以多臺同時調用，和真實試驗相比大大節約了費用。有豐富的電路元件庫，特別是有大量與現實對應的元件模型，使電路有很強的實用性，并提供多種電路分析方法。利用所提供的虛擬儀器可以用比實驗室更靈活的方式進行電路試驗、仿真電路實際運行情況、熟悉常用電子儀器測量方法。用戶還可以對模擬電路、數字電路和模數混合電路經行分析，也可對高頻電路、RF電子電路和部分微機接口電路經行分析，從而清楚而準確地了解電路的工作狀態[5]。

2)仿真結果分析 將該電路初始化，包括T1PWM引腳的定義、通用定時器T1的設置等。通過按鍵操作改變定時器1的CMPR的值就可改變定時器輸出的PWM的脈沖，從而改變D/A的輸出。在圖1中Vc點電位為零時，分別利用萬用表和示波器對探測點A、B進行測量，其數據如表1所示,輸出波形如圖3所示。從試驗結果看出,當輸入的占空比為50%時輸出電壓為0，且輸入信號的占空比和輸出電壓值成線性關系。

圖3 輸出波形圖

占空比/%A點電壓/VB點電壓/V1-13.4-1.22310-11.4-1.0320-8.56-0.77630-5.69-0.51640-2.83-0.255500.030.004602.90.265705.760.525808.640.7879011.51.059913.41.26

4 結 語

大多數的應用電路中實現D/A 轉換的方法是采用外接芯片實現的，筆者給出了一種簡單的外圍電路實現方法。在單片機、信號處理器等應用領域，利用這種方式實現 D/A轉換，不但降低芯片成本，同時可以利用多路PWM波輸出，實現多路D/A轉換，該實現方法有較高的應用價值和推廣價值。

[1]尚盟玻.實用D/A轉換[J].數字技術與應用,2010(7):95-96.

[2]萬山明.TMS320F281xDSP原理及應用實例[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

[3]胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機[M].北京:北京航空航天大學出版社, 2005:242-255.

[4]沈建華,楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機實踐與系統設計[M].北京:清華大學出版社,2005:169-173.

[5]崔建明,陳惠英,溫衛中.電路與電子技術的.Multisim10.0仿真[M].北京:中國水利水電出版社,2009.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.10.038

TP368.1

A

1673-1409(2012)10-N123-02