CN101320977A

CN101320977A - Pwm通道合成高数位da的方法及其电路

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Publication number: CN101320977A
Application number: CNA2008100667414A
Authority: CN
Inventors: 段志刚
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2028-04-18
Also published as: CN101320977B

Abstract

本发明提供一种PWM通道合成高数位DA的方法及其电路，所述的方法包括以下步骤：对高数位数字量由单片机进行拆解运算，得到两个或多个低数位数字量并存储；由单片机将各低位数字量对应产生PWM方波输出；按合成算法要求权系数设置特定的电阻合成网络，对所有低数位PWM信号合成；对合成后脉冲信号实施低通滤波；按合成算法合成后系数比例放大，产生模拟量输出。

Description

PWM通道合成高数位DA的方法及其电路

技术领域

本发明涉及一种PWM方式数字量/模拟量D/A转换方法及其电路，特别是一种应用于数字信号和控制技术的高精度数/模转换方法及其电路。

背景技术

常见的基于PWM方式的数/模转换器的单片机控制芯片中，由于芯片体积，成本，工作频率的限制，转换位数通常为8位或10位，转换精度低，难以满足对模拟信号有较高精度的场合；较高精度的数/模转换一般采用另外配置专用的高数位高精度数/模芯片，其电路复杂，电路元件多，接口烦琐，成本高。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种由两个或多个低数位分辨率数字的PWM通道合成高数位DA的方法及其电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种PWM通道合成高数位DA的方法，其包括以下步骤：对高数位数字量由单片机进行拆解运算，得到两个或多个低数位数字量并存储；由单片机将各低位数字量对应产生PWM方波输出；按合成算法要求权系数设置特定的电阻合成网络，对所有低数位PWM信号合成；对合成后脉冲信号实施低通滤波；按合成算法合成后系数比例放大，产生模拟量输出。

本发明解决进一步技术问题的方案是：所述的其特征在于高数位二进制数字量D拆解运算包括如下步骤：将高数位n除以低数位m，得到需要拆解的低数位数字量个数i；将高数位数字量D由高位开始依次顺序取出m位数字作为第一个低数位数字量D1，之后按剩余的位数记录新数字量，并按此步骤依序完成其后的拆解；当最后一个剩余的数字量位数记为ms，如该数字量够m位即ms＝m，如不够m位时，其在其前面高位补0，使其达到m位，组成最后一个低数位数字量Di；完整记录所有低数位数字量D1，D2，...，Di，按顺序保存。

本发明解决进一步技术问题的方案是：合成网络权系数计算算法包括如下步骤：对应于低数位数字量D1，D2，...，Di，设置合成串联电阻R1，R2，...，Ri；按m及ms计算：R2/R1＝2^m，R3/R2＝2^m，...，Ri-1/Ri-2＝2^m，Ri/Ri-1＝2^ms，根据运算放大器的输入阻抗选择合适的电阻R1，并按上述算式计算R2，...，Ri；计算R2直到Ri并联值Rp，合成后比例放大系数为1+R1/Rp；按此设计放大电路。

本发明解决进一步技术问题的方案是：提供一种PWM通道合成高数位DA电路，其中该PWM通道合成高数位DA电路包括依次连接的单片机电路，多通道PWM输出电路，合成网络电路，低通滤波电路以及比例放大电路，该单片机电路将输入的n位二进制数字量D按拆解算法得到各低位数字量D1，D2，...，Di，并由单片机电路产生i个通道对应m位PWM输出，各PWM输出脉冲通过合成网络电路得到合成后脉冲信号，再经过低通滤波电路和比例放大电路得到模拟量输出，即n位数字量D的高精度DA输出。

本发明解决进一步技术问题的方案是：单片机电路供电采用高精度供电单元。

本发明解决进一步技术问题的方案是：单片机电路的PWM信号端口后置低阻抗开关脉冲电路，其开关逻辑输入为单片机PWM信号，其上端电平为高精度供电基准电源，其输出端作为新的PWM信号输出口。

本发明解决进一步技术问题的方案是：对应于低数位数字量D1，D2，...，Di，设置合成串联电阻R1，R2，...，Ri；按m及ms计算：R2/R1＝2^m，R3/R2＝2^m，...，Ri-1/Ri-2＝2^m，Ri/Ri-1＝2^ms，根据运算放大器的输入阻抗选择合适的电阻R1，并按上述算式计算R2，...，Ri；计算R2直到Ri并联值Rp，合成后比例放大系数为1+R1/Rp；按此设计放大电路。

本发明解决进一步技术问题的方案是：当i＝2时，即电路中包括两路电阻，且R2/R1＝2⁴＝16。

本发明解决进一步技术问题的方案是：当i＝3时，即电路中包括三路电阻，且R2/R1＝2⁸＝256，R3/R2＝2⁴＝16。

相较于现有技术，本发明的PWM通道合成高数位DA的方法及其电路数/模转换精度高；采用低精度多通道的单片机或DSP等数字芯片，元件少，体积小，成本低廉；电路结构简单，接口直接；电路实用，可靠。

附图说明

图1是本发明的PWM通道合成高数位DA电路的结构原理框图。

图2是本发明的PWM通道合成高数位DA方法的利用2路8位PWM产生12位高精度DA输出的电路原理图。

图3是本发明的PWM通道合成高数位DA方法的利用3路8位PWM产生20位高精度DA输出的电路原理图。

图4是本发明的PWM通道合成高数位DA方法的单片机供电采用高精度供电单元的结构框图；

图5是本发明的PWM通道合成高数位DA方法的单片机PWM信号端口后置低阻抗开关脉冲电路的结构框图。

具体实施方式

本发明提供了一种由两个或多个低数位分辨率数字的PWM通道合成高数位DA的方法及其电路，能够用低精度的单片机实现并满足高精度数/模转换的要求。本发明提出一种将高位数的数字量拆解为多个低数位的数字量，之后由多个低数位数字分辨率PWM通道进行合成的方法，完成高数位分辨率也即高精度PWM输出的方法及电路。

实现上述目的的方案，包括如下步骤：

1)对高数位数字量由单片机进行拆解运算，得到两个或多个低数位数字量并存储；

2)由单片机将各低位数字量对应产生PWM方波输出；

3)按合成算法要求权系数设置特定的电阻合成网络，对所有低数位PWM信号合成；

4)对合成后脉冲信号实施低通滤波；

5)按合成算法合成后系数比例放大，产生模拟量输出。

本发明所述对高数位数字量由单片机进行拆解运算，包括如下步骤：

1)将高数位n除以低数位m，得到需要拆解的低数位数字量个数i；

2)将高数位数字量D由高位开始依次顺序取出m位数字作为第一个低数位数字量D1，之后按剩余的位数记录新数字量，并按此步骤依序完成其后的拆解；

3)当最后一个剩余的数字量位数记为ms，如此数字量够m位即ms＝m，如不够m位时，则在其前面高位补0，使其达到m位，组成最后一个低数位数字量Di；

4)完整记录所有低数位数字量D1，D2，。。。，Di，按顺序保存。

上述步骤基于如下事实：

设一个二进制数字D的位数是m，可将D分成两个新的二进制数D_H，D_L的组合，

其中D_H，D_L数字位数分别为m，ms，且n＝m+ms；m，ms≤mb；

满足：D＝D_H*2^ms+D_L (1)；

由(1)式我们可得：D/2^ms＝D_H+12^ms*D_L (2)；

例如：n＝12，m＝8，ms＝4；m，ms≤8；D＝1111 0001 1101b＝F1Dh

有：D＝F1Dh＝F1h*10h+0Dh

一般的，即：D[12]＝D_H[8]*2⁴+D_L[4] (3)；

或：D[12]/2⁴＝D_H[8]+1/2⁴*D_L[4] (4)；

即我们可通过两个新的8位2进制数D_H[8]，D_L[8]表达12位2进制数D[12]；其中D_L[8]对应于D_L[4]，并且数值相等，

有：D[12]/2⁴＝D_H[8]+1/2⁴*D_L[8] (4A)；

当需要拆解为更多段时，方法一样，可将D分成i个新的二进制数D₁，D₂，，，D_i的组合，其中D₁，D₂，...，D_i数字位数分别为m1，m2，...，m_i，且n＝m1+m2...+m_i；m1，m2，...，m_i≤mb；

满足：D＝D₁*2^m2+m3+...mi+...+D_i-1*2^mi+D_i i≥2 (5)；

当m1＝m2＝...＝mi-1＝m，mi≤m时，有：

D＝D₁*2^m*(i-1)+mi+...+D_i-1*2^mi+D_i i≥2 (6)；

本发明专利所述，对低数位数字量PWM方波合成滤波包括如下步骤：

1)由单片机将各低位数字量对应产生i个通道m位PWM方波输出；

2)按合成算法要求权系数设置特定的电阻合成网络，对所有低数位PWM信号合成；

3)对合成后脉冲信号实施低通滤波；

4)按合成算法合成系数比例放大，产生模拟量输出。

各PWM输出脉冲按合成算法要求权系数设置特定的电阻合成网络，对所有低数位PWM输出脉冲通过合成网络得到合成后脉冲信号，再经过低通滤波和比例放大得到模拟量输出，即n位数字量D的高精度DA输出。

本发明专利所述，上述步骤基于如下事实：

PWM是一种周期一定而高低电平的占空比可以调制的方波信号，可用下面的函数表示：

g(t)＝V kNT≤t≤cT+kNT (7-1)；

g(t)＝0 cT+kNT≤t≤NT+kNT (7-2)；

其中：t为时间变量，T是计数脉冲的基本周期，k为谐波次数，N是PWM周期内的计数总数，c是PWM周期内高电平脉冲数，V，0是PWM输出高低电平的电压值；其中T，V，N为定值，c为调制量，且0≤c≤N。对上式展开富里叶级数，得到：

g(t)＝c/N*V

+2V/π*sin(c/N*π)*cos((2π/NT)*t-cπ/N)

+∑2V/kπ*|sin(c/N*π*k)|*cos((2π/NT)*k*t-cπ/N*k)(k＝2，，，∞)(8)

式中：第一部分c/N*V为直流分量并记为g(B)，在0-V之间变化，与c成线性关系；第二部分为一次谐波，幅度与相角与c有关，频率为1/NT；第三部分为高次谐波，幅度远远低于一次谐波；

如果根据信号频率1/NT设计低通滤波器，将一次谐波很好的滤掉，则高次谐波也基本不存在了；则只剩下直流分量g(B)＝c/N*V；即产生标准的线形DA模拟量输出。

设两个PWM信号，可用下面的函数表示：

DH(t)＝V kNT≤t≤c1*T+kNT (9-1)；

DH(t)＝0 c1*T+kNT≤t≤NT+kNT (9-2)；

DL(t)＝V kNT≤t≤c2*T+kNT (10-1)；

DL(t)＝0 c2*T+kNT≤t≤NT+kNT (10-2)；

设：D(t)＝DH(t)+2^M*DL(t)一般选定：M＝8或10

对D(t)，DH(t)，DL(t)展开富里叶级数，可以证明：

有：D(B)＝DH(B)+2^M*DL(B) (11)；

或：D(B)/2^M＝DH(B)+1/2^M*DL(B) (12)；

此表达式表明可以根据低数位的数字量DH和DL产生两个PWM调制通道，并将它们通过线性运算合成新的PWM信号，同时完成低通滤波得到直流量，再经过比例系数放大调整即可得到高数位数字量D的DA模拟量输出D(B)＝(c1+1/2^M*c2)/N*2^M*V。

一般的，对前述(5)式展开富里叶级数，可以得到：

D(B)＝D₁(B)*2^m2+m3+...+mi+...+D_i-1(B)*2^mi+D_i(B) i≥2 (13)；

当m1＝m2＝...＝mi-1＝m时，mi≤m，有：

D(B)＝D1(B)*2^m*(i-1)+mi+...+D_i-1(B)*2^mi+D_i(B) i≥2 (14)；

下面采用实施例对本发明的PWM通道合成高数位DA电路进行说明：

实例1：如图2所示，可以通过两个8位PWM通道得到12位数字量的PWM即DA模拟量输出；其中第一个通道负责高8位，第二个通道负责低4位，合成网络电阻为R2/R1＝2⁴＝16，合成后放大比例系数为1+1/16。

实例2：如图3所示，可以通过三个8位PWM通道得到20位数字量的PWM即DA模拟量输出；其中第一及第二通道负责前两段8位，第三个通道负责低4位，合成网络电阻为R2/R1＝2⁸＝256，R3/R2＝2⁴＝16，合成后放大比例系数为1+(2⁴+1)/2¹²。

如图2所示实例1中，单片机的供电和参考基准公用管脚，配合采用高精度稳压电源供电，单片机内部至少有两个通道8位PWM端口，时钟工作频率上限为24MHz，实际采用10MHz工作，电阻合成网络中R2/R1＝16，合成后放大电阻R5/R4＝16，低频滤波采用二级RC低通滤波网络，其时间常数远大于PWM信号周期时间常数；按此电路，12位数字量由单片机拆解为2个8位数字量，再由单片机对应输出2通道8位PWM脉冲信号，经过由R1，R2电阻网络合成，再由(R1//R2)C1，R3C2组成的低通网络滤波，最后由运放U1比例放大，运放输出即为12位数字量的DA模拟量输出。

如图3所示实例2中，单片机的供电和参考基准公用管脚，配合采用高精度稳压电源供电，单片机内部至少有三个通道8位PWM端口，时钟工作频率上限为24MHz，实际采用10MHz工作，电阻合成网络中R2/R1＝2⁸＝256，R3/R2＝2⁴＝16，合成后放大比例系数为1+(2⁴+1)/2¹²。低频滤波采用二级RC低通滤波网络，其时间常数远大于PWM信号周期时间常数；按此电路，20位数字量由单片机拆解为3个8位数字量，再由单片机对应输出3通道8位PWM脉冲信号，经过由R1，R2，R3电阻网络合成，再由R4C1，R5C2组成的低通网络滤波，再由运放U2比例放大，运放输出即为20位数字量的DA模拟量输出。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：数/模转换精度高；采用低精度多通道的单片机或DSP等数字芯片，元件少，体积小，成本低廉；电路结构简单，接口直接；电路实用，可靠。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种PWM通道合成高数位DA的方法，其包括以下步骤：对高数位数字量由单片机进行拆解运算，得到两个或多个低数位数字量并存储；由单片机将各低位数字量对应产生PWM方波输出；按合成算法要求权系数设置特定的电阻合成网络，对所有低数位PWM信号合成；对合成后脉冲信号实施低通滤波；按合成算法合成后系数比例放大，产生模拟量输出。

2.根据权利要求1所述的PWM通道合成高数位DA的方法，其特征在于：所述的其特征在于高数位二进制数字量D拆解运算包括如下步骤：将高数位n除以低数位m，得到需要拆解的低数位数字量个数i；将高数位数字量D由高位开始依次顺序取出m位数字作为第一个低数位数字量D1，之后按剩余的位数记录新数字量，并按此步骤依序完成其后的拆解；当最后一个剩余的数字量位数记为ms，如该数字量够m位即ms＝m，如不够m位时，则在其前面高位补0，使其达到m位，组成最后一个低数位数字量Di；完整记录所有低数位数字量D1，D2，...，Di，按顺序保存。

3.根据权利要求2所述的PWM通道合成高数位DA的方法，其特征在于：合成网络权系数计算算法包括如下步骤：对应于低数位数字量D1，D2，...，Di，设置合成串联电阻R1，R2，...，Ri；按m及ms计算：R2/R1＝2^m，R3/R2＝2^m，...，Ri-1/Ri-2＝2^m，Ri/Ri-1＝2^ms，根据运算放大器的输入阻抗选择合适的电阻R1，并按上述算式计算R2，...，Ri；计算R2直到Ri并联值Rp，合成后比例放大系数为1+R1/Rp；按此设计放大电路。

4.一种PWM通道合成高数位DA电路，其特征在于：该PWM通道合成高数位DA电路包括依次连接的单片机电路，多通道PWM输出电路，合成网络电路，低通滤波电路以及比例放大电路，该单片机电路将输入的n位二进制数字量D按拆解算法得到各低位数字量D1，D2，...，Di，并由单片机电路产生i个通道对应m位PWM输出，各PWM输出脉冲通过合成网络电路得到合成后脉冲信号，再经过低通滤波电路和比例放大电路得到模拟量输出，即n位数字量D的高精度DA输出。

5.根据权利要求4所述的PWM通道合成高数位DA电路，其特征在于：单片机电路供电采用高精度供电单元。

6.根据权利要求4所述的PWM通道合成高数位DA电路，其特征在于：单片机电路的PWM信号端口后置低阻抗开关脉冲电路，其开关逻辑输入为单片机PWM信号，其上端电平为高精度供电基准电源，其输出端作为新的PWM信号输出口。

7.根据权利要求4所述的PWM通道合成高数位DA电路，其特征在于：对应于低数位数字量D1，D2，...，Di，设置合成串联电阻R1，R2，...，Ri；按m及ms计算：R2/R1＝2^m，R3/R2＝2^m，...，Ri-1/Ri-2＝2^m，Ri/Ri-1＝2^ms，根据运算放大器的输入阻抗选择合适的电阻R1，并按上述算式计算R2，...，Ri；计算R2直到Ri并联值Rp，合成后比例放大系数为1+R1/Rp；按此设计放大电路。

8.根据权利要求7所述的PWM通道合成高数位DA电路，其特征在于：当i＝2时，即电路中包括两路电阻，且R2/R1＝2⁴＝16。

9.根据权利要求7所述的PWM通道合成高数位DA电路，其特征在于：当i＝3时，即电路中包括三路电阻，且R2/R1＝2⁸＝256，R3/R2＝2⁴＝16。