Desain 12-bit PWM DAC berbasis mikrokomputer chip tunggal

Dalam instrumen pemancar dan pengontrol yang dibuat oleh mikrokomputer chip tunggal, bila perlu untuk mengeluarkan sinyal DC 1-5V atau 4-20mA, biasanya digunakan chip D / A, biasanya satu potong per saluran. Ketika keakuratan sinyal output tinggi, jumlah bit dari chip D / A akan meningkat. Dalam instrumen industri, biasanya meningkat menjadi 12 digit. Harga 12-bit D / A saat ini jauh lebih tinggi daripada komputer mikro chip tunggal, dan membutuhkan banyak garis antarmuka. Terutama ketika isolasi diperlukan, jumlah photocoupler yang diperlukan setara dengan jumlah garis antarmuka, yang menyebabkan peningkatan besar dalam jumlah komponen dan meningkatkan volume dan biaya. Jika output D / A selesai dalam mode PWM dalam instrumen yang dikendalikan oleh komputer mikro chip tunggal, biaya akan berkurang menjadi sekitar sepersepuluh dari chip D / A 12-bit. Kami telah mengadopsi metode ini dalam flow meter seri S, dan efek penggunaannya sangat ideal. Berikut ini menjelaskan prinsip komposisi mode PWM D / A.

[二]. Prinsip sirkuit

    Secara umum, keakuratan konverter D / A 12-bit dalam manual adalah ± 1 / 2LSB, dan indeks komprehensif suhu drift adalah 20-50ppm / ℃. Dua indeks di atas dapat memenuhi persyaratan dalam instrumen level 0,2. Sirkuit dapat mencapai dua indikator di atas.

    Adalah bermanfaat untuk menggunakan op amp untuk buffer output dari filter RC. Itu tidak hanya meningkatkan kapasitas beban dari rangkaian filter, tetapi juga meningkatkan linearitas. Melalui eksperimen, dapat diketahui bahwa efek buffering dari level penguat operasional ini merupakan tautan penting untuk memastikan keakuratan dan linearitas seluruh D / A. Meskipun filter RC tidak memiliki beban dan berfungsi dalam kondisi yang sangat ideal, Vo tidak sepenuhnya proporsional dengan siklus kerja.

    Ini karena kapasitor yang digunakan bukan kapasitor murni, yang mengandung sejumlah induktansi. Ketika siklus tugas sangat kecil, karena pulsa sangat sempit, frekuensi harmonik orde tinggi yang dihasilkan sangat tinggi, dan induktansi induktor ke harmonik orde tinggi relatif besar. Oleh karena itu, pada posisi tepi pulsa, meskipun tegangan berubah sangat besar, Tetapi sebenarnya pengisian kapasitor sangat kecil. Ini menghasilkan nonlinier pada pulsa sempit. Ketika kapasitor non-induktif digunakan, nonlinier ini sangat ditingkatkan, tetapi masih belum bisa sepenuhnya konsisten. Karena kapasitas kapasitor non-induktif terlalu kecil dan harganya tinggi, ia tidak memiliki arti praktis dalam rangkaian filter dengan konstanta waktu yang besar. Dalam penggunaan aktual, metode untuk menyelesaikan masalah ini adalah dengan mengabaikan bagian non-linear dari root dan hanya menggunakan bagian linier.Dalam instrumen industri, sinyal standar umumnya 1-5V atau 4-20mA. Bagian non-linear dari kurva 2 berada di bawah 0.4V, jadi ketika sinyal output 1-5V digunakan, akurasinya adalah 0,03% dan sepenuhnya memenuhi persyaratan D / A 12-bit.

    Selain memenuhi persyaratan akurasi, karakteristik suhu juga harus memenuhi persyaratan. Alasan utama yang mempengaruhi karakteristik suhu adalah karakteristik suhu catu daya presisi 5V dan penguat operasional. Agar tidak membuat harga terlalu tinggi, pilih 2DW232 diode regulator tegangan presisi, resistansi penguat operasional dan resistansi filter harus cocok dan koefisien suhu ≤25ppm. Penguat operasional dapat dipilih dengan penyimpangan suhu ≤ 10uV / ℃. Secara umum, penguat operasional penyimpangan suhu rendah murah dapat memenuhi indeks ini. Setelah mengadopsi langkah-langkah di atas, total penyimpangan suhu D / A adalah 33ppm / ℃.

[3]. Data yang diukur

    Karena sirkuit ini digunakan dalam instrumen presisi 0,2-level, karakteristik linearitas dan suhu harus memenuhi persyaratan.Selain itu, data ini adalah kesalahan antara nilai pasokan daya 4-20mA dan nilai arus yang diberikan setelah pengukuran konversi V / I. Kesalahan ini juga termasuk kesalahan konversi V / I. Oleh karena itu, kesalahan D / A yang sebenarnya lebih kecil dari total kesalahan.

    Dapat dilihat dari data di atas bahwa linearitas skala penuh adalah 0,04%, pergeseran suhu skala penuh adalah 0,033% / 10 ° C, waktu respons sistem sekitar 2,2s, dan waktu yang digunakan ketika sinyal output berbeda 0,1% dari nilai standar adalah 11s.

[四] Kesimpulan

    Sirkuit D / A yang dijelaskan di atas memiliki struktur sederhana dan prinsip yang mudah dipahami, dapat diterapkan pada mikrokomputer chip tunggal 8098 dan 8031. Penulis menggunakan input kecepatan tinggi empat saluran dan output mikrokomputer chip tunggal 8098 untuk secara bersamaan mengontrol empat output D / A presisi. Sirkuit konversi V / I ditambahkan di bagian belakang untuk membentuk keluaran arus standar 4-20mA. Setelah lebih dari satu tahun aplikasi lapangan, sirkuit memiliki efek yang sangat baik dan cocok untuk semua persyaratan instrumen level 0,2 saat ini.