一种利用PWM输出实现D/A转换的方法

2012-11-20吴必瑞谢善娟

长江大学学报(自科版) 2012年28期

关键词：信号处理器宁德低功耗

吴必瑞，谢善娟

(宁德师范学院物理与电气工程系，福建宁德 352100)

一种利用PWM输出实现D/A转换的方法

吴必瑞，谢善娟

(宁德师范学院物理与电气工程系，福建宁德 352100)

针对部分处理器无内置D/A转换的问题，设计了一种利用单片机输出的PWM(脉冲宽度调制)实现D/A转换(模数转换)。并以MSP430F44X为例，给出了电路原理图、软件框图及其实现方法。该D/A转换通过比较器和三极管构成的推挽电路，再经过滤波器得到直流输出。试验结果表明，该D/A转换精度高、抗干扰能力强、降低了硬件电路的成本，有一定的实际应用价值。

脉冲宽度调制(PWM)；模数转换(D/A转换)；Multisim

PWM(脉冲宽度调制，简称为脉宽调制)是利用单片机(处理器)的输出数字信号对模拟电路控制的一种技术，应用于通信、电子器件控制与变换等领域[1-2]。在电子电路应用系统中经常需要单片机(信号处理器)输出的模拟信号，而采用较多的电路是内置D/A或外接D/A换器来实现。由于较多芯片具有PWM输出功能，而不含自带的D/A转换功能，如MSP430F44X，TMS320F2812等，实现D/A的方法一般要采用SPI等串行接口的D/A芯片，性价比相对较低。为此，笔者介绍由一种利用单片机(信号处理器)内置PWM实现D/A转换的方法。

1 硬件电路设计

MSP430F44X可输出幅值不变而脉宽可调的PWM波，经过比较器LM293的比较输出的信号和经三极管Q1和Q2组成的推挽电路放大后，得到幅值放大的PWM波，再经过R5和C1组成的RC滤波器和二阶巴特沃斯低通滤波器后，就可得到不含交流分量仅含直流分量的模拟输出。MSP430F44X的定时器1PWM输出频率定为10kHz，滤波器的频率以此设计。PWM的频率可定得更高，使该电路的带宽更宽，当然这样会引起分辨率的降低，因此频率要进行取舍。PWM实现D/A转换的电路原理如图1所示。图1中偏置电压Vc和D/A转换后的输出电压VA构成加法电路。调节电阻R8和R7的大小可以改变输出的Uout电压大小。

图1 PWM波实现D/A转换原理图

2 软件程序设计

软件是在IAR Embedded Workbench 开发环境中采用C语言开发的，主要包括系统定时器初始化和中断子程序。软件程序先禁止看门狗，设置系统时钟；设置定时器、利用CCR0控制周期和CCRX控制占空比输出PWM信号。为降低系统功耗，将MSP430F44X设置为低功耗0模式；程序开始运行后通过中断唤醒CPU工作，中断完成后返回低功耗0模式[3-4]。主程序流程图如图2所示：

图2 主程序流程图

3 仿真试验

1)仿真软件Multisim11 Multisim11是EDA的最新电子电路仿真软件版本，具有界面简单、仿真模型丰富、界面友好、操作简单等特点。可采用直观的图形界面创建电路，提供丰富而全面的仪器设备，且同一台仪器可以多台同时调用，和真实试验相比大大节约了费用。有丰富的电路元件库，特别是有大量与现实对应的元件模型，使电路有很强的实用性，并提供多种电路分析方法。利用所提供的虚拟仪器可以用比实验室更灵活的方式进行电路试验、仿真电路实际运行情况、熟悉常用电子仪器测量方法。用户还可以对模拟电路、数字电路和模数混合电路经行分析，也可对高频电路、RF电子电路和部分微机接口电路经行分析，从而清楚而准确地了解电路的工作状态[5]。

2)仿真结果分析将该电路初始化，包括T1PWM引脚的定义、通用定时器T1的设置等。通过按键操作改变定时器1的CMPR的值就可改变定时器输出的PWM的脉冲，从而改变D/A的输出。在图1中Vc点电位为零时，分别利用万用表和示波器对探测点A、B进行测量，其数据如表1所示,输出波形如图3所示。从试验结果看出,当输入的占空比为50%时输出电压为0，且输入信号的占空比和输出电压值成线性关系。