使用PWM得到精密的輸出電壓

近年來，許多單片機生產廠家，如Atmel、Analog Divices、Intel、Philips、Dallas、Maxim等等，紛紛推出了新型的高速單片機。它們的指令執行周期僅是原來的1/3~1/十幾，并在單片機中集成了EEPROM、WDT、A/D轉換器和D/A轉換器，大大地提高了單片機的性能，方便了用戶。然而，許多單片機中的D/A轉換器的輸出都采用了脈寬調制（PWM）的形式。PWM十分適用于開關電源、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合。由于PWM沒有基準電壓，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合，如精密可調電壓源、電機變頻器等等，就無法使用PWM。

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

1 電路原理

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

當PWM脈沖為高電平（邏輯1）時，U1的COM端擲向常閉端（NC），TL431的調整腳與正電壓腳相連，輸出電壓值為2.5 V。當PWM脈沖為低電平（邏輯0）時，U1的COM端擲向常開端（NO），TL431的輸出電壓經過R2、R3 分壓后送到調整腳，此時輸出電壓值等于[（R2+R3）/R3]×2.5 V。本例中輸出電壓等于8 V。這樣，當U1的IN 腳輸入PWM信號時，電路相應地輸出高電平為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，則再加上1個差分放大器就可解決。

在對于精密度的要求不是很高的場合，可以采用更簡單的方法。圖2為使用精密穩壓二極管對PWM脈沖進行穩壓限幅的電路圖。在圖2中，PWM信號經過高速運算放大器U1放大成為±12 V的輸出電壓，在經過R1的限流和D1的穩壓后，得到 ±6.5 V 的PWM脈沖輸出。

2 誤差分析

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

（1）模擬開關的導通電阻引起的誤差

模擬開關導通時有一定的導通電阻。TL431調整腳輸入電流通過模擬開關時就會形成電壓降，產生誤差。MAX4544的導通電阻為35 Ω，而TL431的調整腳輸入電流則在4 μA以下。由此而導致基準電壓的誤差小于140 μV，為2.5 V的 0.000 056，相當于二進制14位的精度。

（2）開關延遲時間引入的誤差

開關延遲時間將會引起脈沖占空比的變化，從而導致PWM輸出脈沖產生誤差。MAX4544的導通時間為30 ns，關斷時間為25 ns。計算可知，當PWM頻率為10 kHz時，由此產生的誤差最大為0.0003，相當于12位的精度。如果PWM的頻率選得較低，則開關延遲時間的影響相應減小。例如選取1 kHz時，引入誤差為0.000 03，相當于15位的精度。

上述兩項中真正影響輸出電源精度的是這些參數隨溫度和時間的漂移。由于這兩項參數本身的絕對值非常小，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個方面：

（1）穩壓二極管的動態電阻引入的誤差

穩壓二極管的動態電阻比較大，一般在幾十Ω左右（工作電流5~10 mA時）；而運算放大器的驅動能力比較小，只能使穩壓二極管工作在較小的工作電流下。另外，穩壓二極管小電流工作時的動態電阻更大，更容易引起電壓變化。

（2）穩壓二極管溫度漂移引入的誤差

2DW7（2DW230~236）內部結構可以認為是2個穩壓二極管對接串聯而成的。其中一個二極管的正向電壓降（具有負溫度系數）對另一個穩壓二極管的溫度漂移（具有正溫度系數）進行補償，得到很低的溫度系數。然而，當2DW7反向應用時，其溫度漂移就不能得到恰當的補償，從而導致負脈沖部分的溫度系數較高。

（3）運算放大器引入的誤差

運算放大器的輸入失調電壓的漂移可直接導致脈沖振幅的誤差；而轉換速率（SR）過低，將導致脈沖方波波形的失真，繼而引起電壓的誤差。失調電壓溫度漂移低并且轉換速率高的運算放大器的價格將會很高。

但是，對于8~10位的PWM而言，該電路已經能夠滿足要求。對于要求更低的場合，可以用2個廉價的穩壓二極管對接來代替2DW7。

3 應用實例

利用單片機的PWM輸出，在圖1的基礎上增加RC濾波電路和1級運算放大器，得到0~10 V直流輸出電壓，作為變頻器的控制信號，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例。