1、- 1 -基于 LM358 芯片的 PWM 滤波数模转换电路设计摘要：基于脉宽调制(PWM)波形的频谱理论分析，针对交流伺服电机实现速度闭环控制需要(10)V 模拟信号输入的要求，设计了一种基于 PWM 滤波的(10)V 模拟信号输出的电路。通过对 PWM 信号整形隔离，再经过一个三阶滤波器滤波，偏置电路以及放大电路实现了最终的目的。实践证明，该设计方案可以得到稳定、精确的模拟信号输出。设计方案简单易行，性价比高，具有一定的通用性。关键词：电路设计；PWM 滤波；数模转换本研究在对 PWM 实现 D/A 转换理论进行分析的基础上，设计了一种输出为-10+10V模拟信号的 D/A 转换电路，旨在
2、为交流伺服电机提供更为稳定与精确的模拟信号。1 PWM 滤波的理论分析PWM 是一种周期一定而占空比可以调制的方波信号，图 1 中是一种在实际电路中经常遇到的典型 PWM 波形。该 PWM 的高低电平分别为 VH 和 VL，理想的情况 VL 等于 0，但实际一般不等于 0。图 1 实际电路中典型的 PWM 波形本文假设 PWM 为理想情况，PWM 的幅值为 A，脉冲宽度为 x(t)，则脉冲宽度调制波可以表示为：式中：假设脉冲中心在 kTs 处，T 0 为未调制宽度， m 为调制指数；T k 为第 k 个矩形脉冲的宽度。可以看出，脉冲宽度调制信号由 x(t)加上一个直流成分以及相位调制波构成。当
3、T0Ts 时，相位调制部分引起的信号交叠可以忽略，所以脉冲宽度调制信号可以直接通过滤波器进行解调，从而实现 PWM 滤波 D/A 的 输出。- 2 -2 电路设计根据前面分析可以设计出 PWM 滤波的信号处理方框图如图 2，由单片机输出 PWM 波，通过整形隔离，然后通过有源滤波器及驱动放大得到模拟信号的输出。图 2 PWM 滤波 D /A 转换器框图针对控制芯片输出的是 05V 的 PWM 信号，而一般交流伺服电机速度闭环控制需要外部提供(10)V 的模拟信号，所以在控制芯片和交流伺服控制卡之间要加一级 D/A 转换电路，其功能就是把 05 V 的 PWM 信号变为(-10)(+10) V
4、的模拟信号。电路中主要器件采用的是 LM358，其内部包括 2 个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。设计中采用的是 LM358 双电源供电模式，使整个电路得以实现正负电压的输出。电路总体上可以分为 4 个部分，分别为隔离电路、三阶滤波电路、偏置电路和放大电路。为了确定关键电阻和电容的值以及更好的分析电路，文中计算出各电路的传递函数，在计算传递函数的时候，先不考虑各调零电阻和调增益的电阻，并且认为线性集成元件为理想状态，分别如下。2.1 隔
5、离电路隔离电路如图 3 所示。由高速光藕隔离芯片 6N137 实现，将实际控制芯片输出的 PWM信号转换为理想的 05V 的 PWM 信号，隔离的目的为了防止外围电路对单片机信号的干扰。图 3 隔离电路2.2 滤波电路三阶滤波电路由一个二阶有源低通滤波器和一个阻容滤波器组成。如图 4 所示。- 3 -图 4 滤波电路主要器件是运放芯片 LM358(图中 U2A)和电阻 R3、R6、R7、R8、R9 以及电容C2、C3、C5。电路中的二阶有源低通滤波器采用的是二阶压控电压源电路，其原理是一个由线性集成元件(LM358) 构成的同相比例放大器，其他无源元件都接在线性集成元件(LM358)的同相输入
6、端，同相放大器输出电压反馈到无源网络。整个滤波电路的功能是将 PWM 信号的谐波过滤出去，并将理想的 05 V PWM 信号放大一倍，转换成 010 V 的模拟信号。其传递函数如下：式中：A f=1+R8/R7，a 0=1a1=R6C2+R3C2+R3C3(1-Af)+R9C5，a2=R3R6C2C3+R6R9C2C5+R3R9C2C5+R3R9C3C5(1-Af)+R9C5，a3=R3R6R9C2C3C5本系统采用常用的二阶工程最佳参数作为设计系统的依据，选择阻尼系数 =1/2，此时系统的幅频特性没有峰值出现，并且其截止频率就是它的固有频率 fc=f0。实践证明，本系统在信号频率为 21kH
7、z 左右时，滤波效果最佳。在本系统中取增益 Af=2。求解得到： R3=22 k，R 7=24 k，R 8=24 k，R 6=7.5 k， R9=100，C 2=15 nF，C 3=10 nF，C 5=10 nF。2.3 偏置电路- 4 -图 5 偏置电路偏置电路如图 5 所示，由运放芯片 LM358(图中 U2B)和电阻 R11、R 12、R 14、R 15 组成，其原理是一个反相加法器，将 010V 模拟信号和基准电压源提供的 -5V 电压相加后，实现-5+5V 模拟信号的输出其传递函数如下：所以取 R15=R12=R11=10 k。2.4 放大电路图 6 放大电路放大电路由 U34 和
8、R16、R 17、R 18 组成，其原理是一个反相比例放大器，把输入的 -5+5 V 的模拟信号放大为-10+10 V 的模拟信号。放大电路中，要把在一级运放产生的系统相位滞后 180校正过来，并且放大 2 倍。所以仍采用反相比例放大器。在电路中 U2、U 3 的关系为- 5 -所以取 R16=10 k，R 17 本来应该选择 20 k的电阻，但是由于在实际中反馈端还得加一个可变电阻，所以选择 R17=15 k。在实际调试电路的过程中，应该循序渐进一步步的调试，首先把 PWM 的占空比调整到0，在理想状态下，第 2 部分电路和第 3 部分电路应该分别输出为 0 和-5V，但是由于运算放大器的零
9、偏、温漂和非线性以及外界的一些因素，这两部分电路输出不可能恰好是 0 和-5V，所以在 U2A 的放大器的基础上增加一个调零电阻 R19 和一个调增益电阻 R20，在 U2B 的反相加法器的基础上增加一个调零电阻 R21。调节调零电阻 R19，使第 2 部分电路输出为0V，然后调整 R21 使第 3 部分输出为-5V。增加 PWM 的占空比到 100%分别调整增益电阻R20、R 22 使得第 2 部分电路和第 4 部分电路的输出均为 10V。3 结束语设计了一种基于 LM358 芯片的 PWM 滤波实现数模转换的电路，该电路具有良好稳定性，实现了正负模拟信号的输出，为交流伺服电机速度闭环控制提供了可靠的外部模拟信号。节省了大量 D/A 转换器芯片，降低了电子设备的成本，减少了体积。该电路已应用于实际工程，并取得了良好的预期结果，且设计方案简单易行，性价比高，只要适当改变电路部分电阻、电容的值，就可实现对不同基频信号滤波的功能，且达到最佳效果，此外，该电路也为模拟式速度闭环控制器提供了一个很好的外部电路参考依据。参考文献1袁梅，田宏达，董韶鹏，等.基于 PWM 的电流输出数模转换电路J. 仪表技术与传感器，2011，7：91-93.2边晓娜，刘静，赵立志.电容传感器的电路设计J.仪表技术与传感器，2008（6）：109-110.
