利用單片機(jī)自帶的DAC模塊實(shí)現(xiàn)0-10V設(shè)計(jì)

時(shí)間：2024-06-26 15:14:23

關(guān)鍵字：單片機(jī) 電路數(shù)字波形

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[導(dǎo)讀]單片機(jī)波形合成發(fā)生器是一種數(shù)字波形合成技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)的數(shù)字處理能力來(lái)產(chǎn)生各種復(fù)雜波形的信號(hào)

單片機(jī)波形合成發(fā)生器是一種數(shù)字波形合成技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)的數(shù)字處理能力來(lái)產(chǎn)生各種復(fù)雜波形的信號(hào)。該技術(shù)具有高精度、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于混頻儀、信號(hào)源、測(cè)試儀等設(shè)備中。

利用單片機(jī)波形合成發(fā)生器實(shí)現(xiàn)低頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)原理如下：首先選擇一個(gè)合適的單片機(jī)，對(duì)其進(jìn)行編程，通過(guò)單片機(jī)自帶的DAC模塊實(shí)現(xiàn)波形輸出，采用DDS技術(shù)生成任意波形，并進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。最終將合成的數(shù)字信號(hào)通過(guò)運(yùn)放放大來(lái)得到所需要的低頻信號(hào)。

低頻信號(hào)發(fā)生器是一種用于產(chǎn)生一定頻率、波形和振幅的信號(hào)的設(shè)備。在科研、教學(xué)和實(shí)際工程中，低頻信號(hào)來(lái)源是各種儀器、設(shè)備和系統(tǒng)中必不可少的一環(huán)。常見(jiàn)的低頻信號(hào)發(fā)生器有函數(shù)發(fā)生器、示波器、信號(hào)源等，但這些設(shè)備存在著輸出精度低、頻率范圍窄、造價(jià)高等問(wèn)題。

DAC(Digital to analog converter)即數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，它可以將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。它的功能與 ADC 相反。在常見(jiàn)的數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)中，大部分傳感器信號(hào)被轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，而 ADC 把電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)處理的數(shù)字編碼，由計(jì)算機(jī)處理完成后，再由 DAC 輸出電壓模擬信號(hào)，該電壓模擬信號(hào)常常用來(lái)驅(qū)動(dòng)某些執(zhí)行器件，使人類易于感知。如音頻信號(hào)的采集及還原就是這樣一個(gè)過(guò)程。

1. 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)：數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通常以二進(jìn)制形式表示，并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或其他數(shù)字設(shè)備中。

2. 重構(gòu)：DA轉(zhuǎn)換器通過(guò)重構(gòu)技術(shù)將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模擬信號(hào)。重構(gòu)過(guò)程中，數(shù)字樣本被插值和濾波，使其變得連續(xù)且光滑。

3. 輸出模擬信號(hào)：DA轉(zhuǎn)換器的輸出是通過(guò)模擬電路和濾波器處理后的連續(xù)模擬信號(hào)。輸出信號(hào)的連續(xù)性和精確性取決于DA轉(zhuǎn)換器的性能。

本文一共講解3種方案，分別為：

第一種方案：利用單片機(jī)自帶的DAC模塊的輸出進(jìn)行實(shí)現(xiàn)

第二種方案：使用 PWM 加濾波電路

第三種方案：使用專用轉(zhuǎn)換芯片

第一種方案

利用單片機(jī)自帶的DAC模塊，現(xiàn)在很多的單片機(jī)都自帶了 DAC 模塊，我們可以直接使用 DAC 模塊的輸出進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

比如我們最常見(jiàn)的單片機(jī)供電系統(tǒng)為： 0 ~ 3.3V。那么我們就可以將 0 ~ 3.3 V 放大 3倍，實(shí)現(xiàn) 0~ 10V 的輸出。

這里我們用到的是同相比例運(yùn)放電路：

DAC1 為單片機(jī)的 DAC 輸出，0 ~ 3.3V ,放大 3 倍。

R2 選擇 3.3K 還是因?yàn)檫\(yùn)放的對(duì)稱性，選擇與 R4 和 R3 并聯(lián)電阻相等的阻值。

使用 DAC 直接放大3倍，感覺(jué)直接看起來(lái)還是挺滿的，直接上測(cè)試：

上面我通過(guò)自己手動(dòng)設(shè)置 DAC 的值，輸出的不同狀態(tài)效果。

第二種方案，使用 PWM 加濾波電路。

2.1 PWM 輸出 DAC

如何讓 PWM 波形變成模擬量輸出，那就是加上濾波電路，經(jīng)過(guò)一個(gè)濾波電路，可以使得PWM變成DAC輸出。

只使用一個(gè) RC 的濾波電路稱為一階濾波電路。

為了使得輸出更加平滑，我們會(huì)使用二階甚至多階濾波電路。

為了使得帶載能力更強(qiáng)，我們會(huì)使用后面接電壓跟隨器等運(yùn)放電路。

2.2 PWM 接濾波器的RC值選擇說(shuō)明

對(duì)于 RC 濾波器的 RC值選擇，是新手難以理解處理的一個(gè)點(diǎn)，這也是濾波器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。

我們都知道，RC低通濾波電路的截止頻率：

fc=1/2πRC

這個(gè)公式非常重要，了解 RC 濾波器必須牢記的公式，截止頻率公式。

截止頻率實(shí)際上是輸入信號(hào)幅度降低 3dB 的頻率。截止頻率也稱為 -3 dB頻率

簡(jiǎn)單幾點(diǎn)說(shuō)明

R 越小，輸出損耗越大

R 越大，噪聲紋波越大

C 越小(比如到達(dá) pf 級(jí)別后)，越容易被寄生電容影響

C 越大(比如比較大的 uf 級(jí)別后)，因?yàn)殡娙菰酱螅胀ㄇ闆r下就只能使用電解電容，但是電解電容的高頻特性很差，在 RC 濾波器中盡量不要使用電解電容

這種低成本的電路沒(méi)有完美的，我們總做的就是一個(gè)權(quán)衡，在有限的成本規(guī)定范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)出一個(gè)滿足需要的電路。

對(duì)于本文我們的 PWM 而言，其本質(zhì)上是一種高頻脈沖信號(hào)，其中的高頻分量會(huì)被低通濾波器濾掉，只有低頻分量才能通過(guò)濾波器，形成模擬信號(hào)輸出。我們要保證 PWM 的頻率遠(yuǎn)大于 RC 低通濾波器的截止頻率，至少在 10 倍以上甚至數(shù)十倍，因?yàn)樵酵系念l率信號(hào)，濾波的效果越來(lái)越好。

重要的是在你按照經(jīng)驗(yàn)值設(shè)計(jì)完電路發(fā)現(xiàn)問(wèn)題了以后知道如何去查找問(wèn)題，如何去調(diào)整參數(shù)，這是硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

2.3 0~ 3.3V PWM 輸出 0 ~10V

方案一：RC 濾波器

上面簡(jiǎn)單的說(shuō)明了一下，那么上一下我們本次測(cè)試的電路：

圖中的阻容大家可以根據(jù)自己的需求修改。

測(cè)試：

在上文我們說(shuō)過(guò)，我們可以算出 RC低通濾波器的截止頻率，我們要保證 PWM 的頻率遠(yuǎn)大于 RC 低通濾波器的截止頻率。

如果 PWM 的頻率比較低會(huì)怎樣，比如，我 PWM 周期為 1HZ，然后占空比設(shè)置為50%：進(jìn)一步的修改一下，把 PWM 的頻率稍微修改一下，對(duì)于我測(cè)試的其實(shí)也就是定時(shí)器的頻率，如下：

根據(jù)公式

Tout = ((arr+1)*(psc+1))/Tclk ; // 32MHz 主頻

定時(shí)器周期為 1 ms，其實(shí)也就表示頻率為 1KHz，為了方便表示占空比 0~ 100 對(duì)應(yīng)，上面的 arr 改成了100，實(shí)際上也是 1KHz 左右，再來(lái)看看效果：

實(shí)際上我測(cè)試的時(shí)候沒(méi)有特意的去調(diào)整阻容的值，就直觀上看起來(lái)效果還是可以的(上圖的毛刺多是因?yàn)槭静ㄆ?GND 的線夾得太遠(yuǎn)了)。