一种基于PWM快速产生模拟电压的方法

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   1，概述
　　在电子和自动化技术的应用中，数字信号转换模拟控制信号输出是电子设计中常见的问题，然而许多单片机内部并没有集成数摸转换器（DAC）。当然市场上也有一些专用的D/A转换芯片，但这类芯片价格昂贵，并且需要多个处理器功能管脚来控制，这对一般的简单应用是不适合的。
　　所以在有些应用中，由单片机的PWM输出（或者通过定时器和软件一起来实现PWM输出），经过简单RC滤波电路实现DAC来得到模拟电压是一种比较好的选择。然后，这种方法的一个缺点就是电平转换时间过长，本文提出了一种新的方法来克服该问题。
　　2， RC滤波电路
　　图1是传统的RC滤波电路，PSoC通过GPIO口和RC滤波产生模拟电压
　　
　　图1，RC滤波电路产生模拟电压
　　在这种方法中，PWM通过Px[y]输出，Vout即是需要的模拟电压。PWM的输出在电压VDD和0之间变换，PWM的占空比（DC）决定Vout的输出值。增加DC输出电压也会跟着增加（当DC=0%时，Vout=GND; 当DC=100%时，Vout=VDD）。
　　这种方法比较简单，但缺点是电平转换时间长。例如，当DC从一个值变到另一个值时，可能要几个ms才能使Vout从一个电压变换到最终的稳定电压，如图2所示。
　　
　　图2，RC滤波电路的电平转换时间
　　较长的电平转换时间在有些应用中是不适用的，下面我将提供一个新的方法来减小该时间。当然，也可通过减小电容电阻（RC）值并提高PWM频率来缩短电平转换时间，但有些单片机的固有缺陷而没办法提高PWM频率时就没办法了。
　　3， 电压跟随器电路
　　本文介绍一种新的方法能把转换时间减小到几十us，该方法除了RC滤波外，还使用了电阻、三极管以及另外一个GPIO口，三极管设计为电压跟随器模式，如下图3所示：
　　
　　图3，电压跟随器电路产生模拟电压
　　三极管T是模拟电压Vc到Vout的开关。在空闲状态下设置Pa为“strong drive”模式，并置为高电平（逻辑1），这样，Vout = VDD, 下列步骤将使Vout从空闲状态变换到指定的电压状态。
　　1）使能PWM并设定为指定的占空比DC。在计算PWN占空比时要考虑到三极管be间的压降(Vbe)。Vc = Vout + Vbe，得出DC = (Vout + Vbe)/VDD.
　　2) 做足够长时间的延迟以使Vc稳定在指定的电压，注意在这延迟的时间内Vout保持高电平VDD。
　　3) 设置GPIO口Pa的驱动模式为“High-Z analog”,这将导致三极管T工作状态并且Vout将立即变为指定的最终电压（只需要几十个微秒）。
　　下列步骤将使Vout从指定的电压变换到空闲状态（Vout = VDD）
　　1) 设置Pa的驱动模式为“strong drive”并置该PIN为高电平，Vout 将立即变为VDD.
　　2) 如果需要，此时可停止Px[y]口的PWM以减小功耗。
　　电平转换如图4所示，当Vc在电压下降的非稳态过程中，Vout还保持高电平。
　　

　　图4，电压跟随器电路的电平转换时间
　　4， 实验和测试结果
　　在Cypress的CY8C20x24系列芯片中，无PWM模块，所以若需要输出模拟电压就只能使用内部的TImer13模块产生PWM，然后使用外围电路产生模拟电压。下面以 CY8C20224 芯片为例来说明两种模拟电压产生方法的测试情况。
　　1）使用RC电路做测试
　　由于CY8C20224提供的Timer13其输入时钟为32KHz，所以由此产生的PWM频率比较低。为了减小模拟电压值的纹波，必须提高RC电路的电阻电容值。在实验电路中R=47K，C=0.1uF。下图5是用示波器抓到的波形。
　　
　　图5，RC滤波电路的电平转换波形
　　从上图可以看出，当电压从空闲状态（VDD=3.3V）变换到稳定电压1.0V时，大约需要13~15ms.
　　这在有些应用中是不够的。
　　2）采用电压跟随器电路测试
　　若采用电压跟随器电路，电压从空闲状态（VDD=3.3V）变换到稳定电压1.0V时，需要的时间不超过50us, 如下图6所示：
　　
　　图6，电压跟随器电路的电平转换波形
　　5， 结束语
　　本文基于对RC滤波电路的分析，提出了一种快速产生模拟电压的方法，并通过实验证明其可行性。目前该方案已在Cypress CY8C20224芯片上液晶电视按键控制板项目使用。