pwm滤波数模转换电路设计

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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，旨在为交流伺服电机提供更为稳定

2、与精确的模拟信号。1PWM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，T0为未调制宽度，m为调制指数；Tk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T0

3、器进行解调，从而实现PWM滤波D/A的输出。-5-2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2PWM滤波D/A转换器框图针对控制芯片输出的是0~5V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0~5V的PWM信号变为(-10)~(+10)V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

4、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0~5V的PWM信号，隔离的目的为

5、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。-5-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0~5VPWM信号放大一倍，转换成0~10V的模拟信号。其传递函数如下：

6、式中：Af=1+R8/R7，a0=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ξ=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21kHz左右时，滤波效果最佳。在本系统中取增益Af=2。求解得到：R3=22kΩ，R7=24kΩ，R8=24kΩ，R6=7.5kΩ，R9=100Ω，C2=15nF，C3=10nF，C

7、5=10nF。2.3偏置电路-5-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、R12、R14、R15组成，其原理是一个反相加法器，将0~10V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=10kΩ。2.4放大电路图6放大电路放大电路由U34和R16、R17、R18组成，其原理是一个反相比例放大器，把输入的-5~+5V的模拟信号放大为-10~+10V的模拟信号。