一種基于PWM快速產(chǎn)生模擬電壓的方法

1，概述

在電子和自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用中，數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換模擬控制信號(hào)輸出是電子設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的問(wèn)題，然而許多單片機(jī)內(nèi)部并沒(méi)有集成數(shù)摸轉(zhuǎn)換器（DAC）。當(dāng)然市場(chǎng)上也有一些專(zhuān)用的D/A轉(zhuǎn)換芯片，但這類(lèi)芯片價(jià)格昂貴，并且需要多個(gè)處理器功能管腳來(lái)控制，這對(duì)一般的簡(jiǎn)單應(yīng)用是不適合的。

所以在有些應(yīng)用中，由單片機(jī)的PWM輸出（或者通過(guò)定時(shí)器和軟件一起來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM輸出），經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單RC濾波電路實(shí)現(xiàn)DAC來(lái)得到模擬電壓是一種比較好的選擇。然后，這種方法的一個(gè)缺點(diǎn)就是電平轉(zhuǎn)換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，本文提出了一種新的方法來(lái)克服該問(wèn)題。

2， RC濾波電路

圖1是傳統(tǒng)的RC濾波電路，PSoC通過(guò)GPIO口和RC濾波產(chǎn)生模擬電壓

圖1，RC濾波電路產(chǎn)生模擬電壓

在這種方法中，PWM通過(guò)Px[y]輸出，Vout即是需要的模擬電壓。PWM的輸出在電壓VDD和0之間變換，PWM的占空比（DC）決定Vout的輸出值。增加DC輸出電壓也會(huì)跟著增加（當(dāng)DC=0%時(shí)，Vout=GND; 當(dāng)DC=100%時(shí)，Vout=VDD）。

這種方法比較簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是電平轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)。例如，當(dāng)DC從一個(gè)值變到另一個(gè)值時(shí)，可能要幾個(gè)ms才能使Vout從一個(gè)電壓變換到最終的穩(wěn)定電壓，如圖2所示。

圖2，RC濾波電路的電平轉(zhuǎn)換時(shí)間

較長(zhǎng)的電平轉(zhuǎn)換時(shí)間在有些應(yīng)用中是不適用的，下面我將提供一個(gè)新的方法來(lái)減小該時(shí)間。當(dāng)然，也可通過(guò)減小電容電阻（RC）值并提高PWM頻率來(lái)縮短電平轉(zhuǎn)換時(shí)間，但有些單片機(jī)的固有缺陷而沒(méi)辦法提高PWM頻率時(shí)就沒(méi)辦法了。

3， 電壓跟隨器電路

本文介紹一種新的方法能把轉(zhuǎn)換時(shí)間減小到幾十us，該方法除了RC濾波外，還使用了電阻、三極管以及另外一個(gè)GPIO口，三極管設(shè)計(jì)為電壓跟隨器模式，如下圖3所示：

圖3，電壓跟隨器電路產(chǎn)生模擬電壓

三極管T是模擬電壓Vc到Vout的開(kāi)關(guān)。在空閑狀態(tài)下設(shè)置Pa[b]為“strong drive”模式，并置為高電平（邏輯1），這樣，Vout = VDD, 下列步驟將使Vout從空閑狀態(tài)變換到指定的電壓狀態(tài)。

1）使能PWM并設(shè)定為指定的占空比DC。在計(jì)算PWN占空比時(shí)要考慮到三極管be間的壓降(Vbe)。Vc = Vout + Vbe，得出DC = (Vout + Vbe)/VDD.

2) 做足夠長(zhǎng)時(shí)間的延遲以使Vc穩(wěn)定在指定的電壓，注意在這延遲的時(shí)間內(nèi)Vout保持高電平VDD。

3) 設(shè)置GPIO口Pa[b]的驅(qū)動(dòng)模式為“High-Z analog”,這將導(dǎo)致三極管T工作狀態(tài)并且Vout將立即變?yōu)橹付ǖ淖罱K電壓（只需要幾十個(gè)微秒）。

下列步驟將使Vout從指定的電壓變換到空閑狀態(tài)（Vout = VDD）

1) 設(shè)置Pa[b]的驅(qū)動(dòng)模式為“strong drive”并置該P(yáng)IN為高電平，Vout 將立即變?yōu)閂DD.

2) 如果需要，此時(shí)可停止Px[y]口的PWM以減小功耗。

電平轉(zhuǎn)換如圖4所示，當(dāng)Vc在電壓下降的非穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，Vout還保持高電平。

圖4，電壓跟隨器電路的電平轉(zhuǎn)換時(shí)間

4， 實(shí)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果

在Cypress的CY8C20x24系列芯片中，無(wú)PWM模塊，所以若需要輸出模擬電壓就只能使用內(nèi)部的TImer13模塊產(chǎn)生PWM，然后使用外圍電路產(chǎn)生模擬電壓。下面以 CY8C20224 芯片為例來(lái)說(shuō)明兩種模擬電壓產(chǎn)生方法的測(cè)試情況。

1）使用RC電路做測(cè)試

由于CY8C20224提供的Timer13其輸入時(shí)鐘為32KHz，所以由此產(chǎn)生的PWM頻率比較低。為了減小模擬電壓值的紋波，必須提高RC電路的電阻電容值。在實(shí)驗(yàn)電路中R=47K，C=0.1uF。下圖5是用示波器抓到的波形。

圖5，RC濾波電路的電平轉(zhuǎn)換波形

從上圖可以看出，當(dāng)電壓從空閑狀態(tài)（VDD=3.3V）變換到穩(wěn)定電壓1.0V時(shí)，大約需要13~15ms.

這在有些應(yīng)用中是不夠的。

2）采用電壓跟隨器電路測(cè)試

若采用電壓跟隨器電路，電壓從空閑狀態(tài)（VDD=3.3V）變換到穩(wěn)定電壓1.0V時(shí)，需要的時(shí)間不超過(guò)50us, 如下圖6所示：

圖6，電壓跟隨器電路的電平轉(zhuǎn)換波形

5， 結(jié)束語(yǔ)

本文基于對(duì)RC濾波電路的分析，提出了一種快速產(chǎn)生模擬電壓的方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明其可行性。目前該方案已在Cypress CY8C20224芯片上液晶電視按鍵控制板項(xiàng)目使用。