基于LM358的PWM濾波實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路介紹|壹芯微

基于脈寬調(diào)制(PWM)波形的頻譜理論分析，針對交流伺服電機(jī)實現(xiàn)速度閉環(huán)控制需要(±10)V模擬信號輸入的要求，本文設(shè)計基于LM358芯片的PWM濾波的(±10)V模擬信號輸出的電路。LM358內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式。

1.PWM濾波的理論分析

圖1 實際電路中典型的PWM波形

PWM是一種周期一定而占空比可以調(diào)制的方波信號，圖1中是一種在實際電路中經(jīng)常遇到的典型PWM波形。該P(yáng)WM的高低電平分別為VH和VL，理想的情況VL等于0，但實際一般不等于0。

本文假設(shè)PWM為理想情況，PWM的幅值為A，脈沖寬度為x(t)，則脈沖寬度調(diào)制波可以表示為：

式中：假設(shè)脈沖中心在kTs處，T0為未調(diào)制寬度，m為調(diào)制指數(shù);Tk為第k個矩形脈沖的寬度。可以看出，脈沖寬度調(diào)制信號由x(t)加上一個直流成分以及相位調(diào)制波構(gòu)成。當(dāng)T0《Ts時，相位調(diào)制部分引起的信號交疊可以忽略，所以脈沖寬度調(diào)制信號可以直接通過濾波器進(jìn)行解調(diào)，從而實現(xiàn)PWM濾波D/A的輸出。

2.LM358特性

.內(nèi)部頻率補(bǔ)償

.直流電壓增益高(約100dB)

.單位增益頻帶寬(約1MHz)

.電源電壓范圍寬：單電源(3—30V)

.雙電源(±1.5一±15V)

.壓擺率(0.3V/us)

.低功耗電流，適合于電池供電·低輸入偏流

.低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流

.共模輸入電壓范圍寬，包括接地

.差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍

.輸出電壓擺幅大(0至Vcc-1.5V)

3.電路設(shè)計

圖2 PWM濾波D/A轉(zhuǎn)換器框圖

根據(jù)前面分析可以設(shè)計出PWM濾波的信號處理方框圖，如圖2所示。由單片機(jī)輸出PWM波，通過整形隔離，然后通過有源濾波器及驅(qū)動放大得到模擬信號的輸出。

針對控制芯片輸出的是0~5V的PWM信號，而一般交流伺服電機(jī)速度閉環(huán)控制需要外部提供(±10)V的模擬信號，所以在控制芯片和交流伺服控制卡之間要加一級D/A轉(zhuǎn)換電路，其功能就是把0~5V的PWM信號變?yōu)?-10)~(+10)V的模擬信號。

電路中主要器件采用的是LM358，其內(nèi)部包括2個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。設(shè)計中采用的是LM358雙電源供電模式，使整個電路得以實現(xiàn)正負(fù)電壓的輸出。電路總體上可以分為4個部分，分別為隔離電路、三階濾波電路、偏置電路和放大電路。為了確定關(guān)鍵電阻和電容的值以及更好的分析電路，文中計算出各電路的傳遞函數(shù)，在計算傳遞函數(shù)的時候，先不考慮各調(diào)零電阻和調(diào)增益的電阻，并且認(rèn)為線性集成元件為理想狀態(tài)，分別如下。

3.1隔離電路

圖3 隔離電路

隔離電路如圖3所示。由高速光藕隔離芯片6N137實現(xiàn)，將實際控制芯片輸出的PWM信號轉(zhuǎn)換為理想的0~5V的PWM信號，隔離的目的為了防止外圍電路對單片機(jī)信號的干擾。

3.2濾波電路

圖4 濾波電路

三階濾波電路由一個二階有源低通濾波器和一個阻容濾波器組成。如圖4所示。

主要器件是運放芯片LM358(圖中U2A)和電阻R3、R6、R7、R8、R9以及電容C2、C3、C5。電路中的二階有源低通濾波器采用的是二階壓控電壓源電路，其原理是一個由線性集成元件(LM358)構(gòu)成的同相比例放大器，其他無源元件都接在線性集成元件(LM358)的同相輸入端，同相放大器輸出電壓反饋到無源網(wǎng)絡(luò)。整個濾波電路的功能是將PWM信號的諧波過濾出去，并將理想的0~5VPWM信號放大一倍，轉(zhuǎn)換成0~10V的模擬信號。

其傳遞函數(shù)如下：

式中：Af=1+R8/R7，a0=1

a1=R6C2+R3C2+R3C3(1-Af)+R9C5，

a2=R3R6C2C3+R6R9C2C5+R3R9C2C5+R3R9C3C5(1-Af)+R9C5，

a3=R3R6R9C2C3C5

本系統(tǒng)采用常用的二階工程最佳參數(shù)作為設(shè)計系統(tǒng)的依據(jù)，選擇阻尼系數(shù)ξ=1/√2，此時系統(tǒng)的幅頻特性沒有峰值出現(xiàn)，并且其截止頻率就是它的固有頻率fc=f0。實踐證明，本系統(tǒng)在信號頻率為21kHz左右時，濾波效果最佳。

在本系統(tǒng)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，C5=10nF。

3.3偏置電路

圖5 偏置電路

偏置電路如圖5所示，由運放芯片LM358(圖中U2B)和電阻R11、R12、R14、R15組成，其原理是一個反相加法器，將0~10V模擬信號和基準(zhǔn)電壓源提供的-5V電壓相加后，實現(xiàn)-5~+5V模擬信號的輸出

其傳遞函數(shù)如下：

所以取R15=R12=R11=10kΩ。

3.4放大電路

圖6 放大電路

放大電路由U34和R16、R17、R18組成，圖圖6所示。其原理是一個反相比例放大器，把輸入的-5~+5V的模擬信號放大為-10~+10V的模擬信號。

放大電路中，要把在一級運放產(chǎn)生的系統(tǒng)相位滯后180°校正過來，并且放大2倍。所以仍采用反相比例放大器。在電路中U2、U3的關(guān)系為：

所以取R16=10kΩ，R17本來應(yīng)該選擇20kΩ的電阻，但是由于在實際中反饋端還得加一個可變電阻，所以選擇R17=15kΩ。

在實際調(diào)試電路的過程中，應(yīng)該循序漸進(jìn)一步步的調(diào)試，首先把PWM的占空比調(diào)整到0，在理想狀態(tài)下，第2部分電路和第3部分電路應(yīng)該分別輸出為0和-5V，但是由于運算放大器的零偏、溫漂和非線性以及外界的一些因素，這兩部分電路輸出不可能恰好是0和-5V，所以在U2A的放大器的基礎(chǔ)上增加一個調(diào)零電阻R19和一個調(diào)增益電阻R20，在U2B的反相加法器的基礎(chǔ)上增加一個調(diào)零電阻R21。調(diào)節(jié)調(diào)零電阻R19，使第2部分電路輸出為0V，然后調(diào)整R21使第3部分輸出為-5V。增加PWM的占空比到100%分別調(diào)整增益電阻R20、R22使得第2部分電路和第4部分電路的輸出均為10V。

總結(jié)

本文詳細(xì)介紹了基于LM358芯片的PWM濾波實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路，該電路具有良好穩(wěn)定性，實現(xiàn)了正負(fù)模擬信號的輸出，為交流伺服電機(jī)速度閉環(huán)控制提供了可靠的外部模擬信號。節(jié)省了大量D/A轉(zhuǎn)換器芯片，降低了電子設(shè)備的成本，減少了體積。該電路已應(yīng)用于實際工程，并取得了良好的預(yù)期結(jié)果，且設(shè)計方案簡單易行，性價比高，只要適當(dāng)改變電路部分電阻、電容的值，就可實現(xiàn)對不同基頻信號濾波的功能，且達(dá)到最佳效果，此外，該電路也為模擬式速度閉環(huán)控制器提供了一個很好的外部電路參考依據(jù)。

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