PWM Преобразователь аналоговых сигналов | Мини-проект электроники

В этой статье представлена простая схема для преобразования сигнала транзисторно-транзисторной логики (TTL) или широтно-импульсной модуляции (PWM) в аналоговый сигнал с использованием операционного усилителя LM358. Схема может использоваться в качестве платы расширения для Arduino или микроконтроллера (MCU) или генератора сигналов TTL/CMOS.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) на базе PWM часто используются для формирования аналоговых сигналов с цифровых выходов. Обычно решения для таких ЦАП на базе PWM включают в себя три основных блока:

1. Цифровой генератор PWM: в основном используется MCU или Arduino, но также может использоваться схема генератора прямоугольных импульсов. 2. Аналоговый интегратор: В простейшем case это может быть одна RC-сеть. Иногда сигнал предназначен для управления электродвигателем. 3. Аналоговый выходной буфер или усилитель: обеспечивает необходимое выходное напряжение, ток и мощность.

Основными преимуществами ЦАП PWM являются простота, низкая стоимость, разрешение с цифровым управлением до 10 бит (или более), а также возможность получения высоких выходных тока, напряжения и мощности.

Схема и работа преобразователя PWM в аналоговый сигнал

Блок-схема преобразователя PWM-аналог представлена на рис. 1, а его принципиальная схема на рис. 2. Схема состоит из двух частей: входных пассивных RC-фильтров нижних частот с тремя каскадами и двух выходных каскадов (OUT1 и OUT2).

Входные пассивные фильтры нижних частот построены на основе резисторов R2, R3 и R4 и конденсаторов C1, C2 и C3. Частоты среза на уровне -3дБ для каждой из трех ступеней рассчитываются по формулам, приведенным ниже.

Для первого этапа
F1=1/(6,28×R2×C1)

Для второго этапа
F2=1/(6,28×R3×C2)

Для третьего этапа
F3=1/(6,28×R4×C3)

В большинстве случаев F1=F2=F3
где R4=10×R3=100×R2 и R2 510 Ом

Частоты среза при -3 дБ составляют:
F1=F2=F3=72Гц

Вы можете выбрать любые подходящие частоты среза для RC-фильтров. Здесь мы используем источник питания 5 В компьютера или Arduino на разъеме CON2 в качестве источника опорного напряжения для сигнала PWM.

Выходные каскады построены на базе двух внутренних операционных усилителей IC1. Первый внутренний операционный усилитель (OA1) формируется выводами 2, 3 и 1 микросхемы IC1, а второй операционный усилитель (OA2) — выводами 6, 5 и 7 микросхемы IC1.

При замыкании switch S2 оба операционных усилителя работают параллельно с одной и той же нагрузкой на CON4. При его открытии оба создают одинаковое напряжение на двух отдельных нагрузках. Предпочтительно нагрузка должна быть выше 2 кОм.

Если S1 замкнут, вы можете использовать источник питания компьютера VCC1, например Arduino, на CON2. Если S1 разомкнут, вы можете использовать источник питания VCC2 до 32 В на CON3.

OA1 работает как неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления (Av1), определяемым предустановкой VR1 и резистором R7. Минимальное усиление +1, максимальное усиление +11. Gain устанавливается в соответствии с требованиями с использованием VR1, требуемого выходного напряжения и источника питания IC1. Он рассчитывается по упрощенной формуле, приведенной ниже.

Av1=1+VR1/R7
OA2 работает как ведомый, где коэффициент усиления Av2=+1

Создание и тестирование

Схема PCB реального размера преобразователя PWM в аналог показана на рис. 3, а компоновка его компонентов - на рис. 4.

Загрузите PCB и PDF-файлы компоновки компонентов: нажмите здесь

Перед тестированием обратите внимание, что максимальные выходные напряжения (Vout) на OUT1 и OUT2 зависят от: источника питания операционных усилителей, положения потенциометра VR1 и уровней выходного напряжения выхода TTL/CMOS, управляющего модулем.

Для проверки схемы зафиксируйте частоту PWM (например, 1000 Гц) и измените период заполнения импульсов TON и TOFF. Обратитесь к таблице для проверки выходных напряжений.

Linearity преобразования в некоторой степени зависит от параметров цифрового выхода. Следует избегать слишком низкого или слишком высокого рабочего цикла PWM. Обычно следует избегать рабочего цикла PWM <5% и>95%. В большинстве случаев ЦАП PWM подходят, среди прочего, для управления светодиодами, лампами накаливания, дисплеями LCD, двигателями постоянного тока и громкоговорителями.

Спектр прямоугольного сигнала, создаваемого PWM, большой и переменный. Это может стать проблемой без соответствующей фильтрации, построения и макета PCB. Резисторы, конденсаторы и операционные усилители для фильтрации и буферизации сигналов PWM должны иметь соответствующие характеристики. Обычно с ЦАП PWM вы получаете высокое разрешение, но не точность.

Петре Цв Петров был научным сотрудником и доцентом Технического университета Софии (Болгария) и экспертом-преподавателем в OFPPT (Касабланс), Королевство Марокко. Сейчас он работает инженером-электронщиком в частном секторе Болгарии.