單片機(jī) 0~10V 輸出電路的實(shí)現(xiàn)

2023/7/7 16:58:16??????點(diǎn)擊：

     前言


     本次的電路小課堂主要內(nèi)容就是： 使用單片機(jī)如何實(shí)現(xiàn) 0 ~ 10V 的信號(hào)輸出。


     一、MCU 的 DAC


     第一種方式，利用單片機(jī)自帶的DAC模塊，現(xiàn)在很多的單片機(jī)都自帶了 DAC 模塊，我們可以直接使用 DAC 模塊的輸出進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。


     比如我們最常見的單片機(jī)供電系統(tǒng)為：0 ~ 3.3V。那么我們就可以將 0 ~ 3.3 V 放大 3倍，實(shí)現(xiàn) 0~ 10V 的輸出。


     放大電路當(dāng)然是使用運(yùn)放實(shí)現(xiàn)，在我的另外一篇博文里面總結(jié)過運(yùn)放的常用電路：


     常用運(yùn)放電路總結(jié)記錄


     這里我們用到的是同相比例運(yùn)放電路，如下圖：


     


     DAC1 為單片機(jī)的 DAC 輸出，0 ~ 3.3V ,放大 3 倍。


     R2 選擇 3.3K 還是因?yàn)檫\(yùn)放的對(duì)稱性，選擇與 R4 和 R3 并聯(lián)電阻相等的阻值。


     本文是電路總結(jié)記錄，至于電路的效果，我需要看一看是否需要后續(xù)補(bǔ)充到文中，因?yàn)槌藢Ｓ眯酒@種用 單電源供電的 普通運(yùn)放 搭建的電路多少會(huì)存在一些問題，最典型的一個(gè)問題就是能否輸出 0 V。


     更新測(cè)試效果，第一種使用 DAC 直接放大3倍，感覺直接看起來還是挺滿意的，直接上測(cè)試圖：


     


     上面我通過自己手動(dòng)設(shè)置 DAC 的值，輸出的不同狀態(tài)效果。


     二、PWM 加濾波電路


     第二種方式，使用 PWM 加濾波電路。


     2.1 PWM 輸出 DAC


     如何讓 PWM 波形變成模擬量輸出，那就是加上濾波電路，經(jīng)過一個(gè)濾波電路，可以使得PWM變成DAC輸出。如下圖：


   



     上圖只使用一個(gè) RC 的濾波電路稱為一階濾波電路。


     為了使得輸出更加平滑，我們會(huì)使用二階甚至多階濾波電路。


     為了使得帶載能力更強(qiáng)，我們會(huì)使用后面接電壓跟隨器等運(yùn)放電路。


     2.2 PWM 接濾波器的RC值選擇說明


     對(duì)于 RC 濾波器的 RC值選擇，是新手難以理解處理的一個(gè)點(diǎn)，這也是濾波器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。


     我們都知道，RC低通濾波電路的截止頻率：


       fc=1/2πRC                    


     這個(gè)公式非常重要，了解 RC 濾波器必須牢記的公式，截止頻率公式。


     截止頻率實(shí)際上是輸入信號(hào)幅度降低 3dB 的頻率。截止頻率也稱為 -3 dB頻率


     簡單幾點(diǎn)說明（當(dāng)然，如果要具體算式分析，可自行網(wǎng)上搜索，博主還沒有寫過 RC 濾波器的文章 = =?。?/span>


     R 越小，輸出損耗越大
     R 越大，噪聲紋波越大
     C 越小（比如到達(dá) pf 級(jí)別后），越容易被寄生電容影響
     C 越大（比如比較大的 uf 級(jí)別后），因?yàn)殡娙菰酱螅胀ㄇ闆r下就只能使用電解電容，但是電解電容的高頻特性很差，在 RC 濾波器中盡量不要使用電解電容
     說來說去，這不是這也不行那也不行？= =！實(shí)際上就是這樣，這種低成本的電路沒有完美的，我們總做的就是一個(gè)權(quán)衡，在有限的成本規(guī)定范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)出一個(gè)滿足需要的電路。


     對(duì)于本文我們的  PWM 而言，其本質(zhì)上是一種高頻脈沖信號(hào)，其中的高頻分量會(huì)被低通濾波器濾掉，只有低頻分量才能通過濾波器，形成模擬信號(hào)輸出。我們要保證 PWM 的頻率 遠(yuǎn)大于 RC 低通濾波器的截止頻率，至少在 10 倍以上甚至數(shù)十倍，因?yàn)樵酵系念l率信號(hào)，濾波的效果越來越好。


     很遺憾在給 PWM 信號(hào)做濾波的時(shí)候并沒有一個(gè)完美的固定值范圍告訴大家，一般來說 ，保持電阻在 K 級(jí)別，數(shù)百歐姆到 K級(jí)別都可以，然后電容 nf 級(jí)別，nf 到 1uf，當(dāng)然這只是普通情況，還是具體情況具體分析。


     涉及到的細(xì)節(jié)需要經(jīng)過很多的分析，但是大家放心，在一般使用中，即便你不知道如何選擇，根據(jù)網(wǎng)上你能找到的參考 “經(jīng)驗(yàn)值” ，你也可以完成電路的設(shè)計(jì)。


     重要的是在你按照經(jīng)驗(yàn)值設(shè)計(jì)完電路發(fā)現(xiàn)問題了以后知道如何去查找問題，如何去調(diào)整參數(shù)，這是硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。


     2.3 0~ 3.3V PWM 輸出  0 ~10V


     方案一：RC 濾波器


     上面簡單的說明了一下，那么上一下我們本次測(cè)試的電路：


   

     

     圖中的阻容大家可以根據(jù)自己的需求修改。



     測(cè)試：


     在上文我們說過，我們可以算出 RC低通濾波器的截止頻率，我們要保證 PWM 的頻率 遠(yuǎn)大于 RC 低通濾波器的截止頻率。


     如果 PWM 的頻率比較低會(huì)怎樣，比如，我 PWM 周期為 1HZ，然后占空比設(shè)置為50% ，直接給大家看一個(gè)圖：


     


     進(jìn)一步的修改一下，把 PWM 的頻率稍微修改一下，對(duì)于我測(cè)試的其實(shí)也就是 定時(shí)器的頻率，如下：


   

     

     根據(jù)公式



     Tout = （（arr+1）*（psc+1））/Tclk ;   // 32MHz 主頻     


     定時(shí)器周期為 1 ms， 其實(shí)也就表示頻率為 1KHz，為了方便表示占空比 0~ 100 對(duì)應(yīng)，上面的 arr 改成了100， 實(shí)際上也是 1KHz 左右，再來看看效果：


     


     實(shí)際上我測(cè)試的時(shí)候沒有特意的去調(diào)整阻容的值，就直觀上看起來效果還是可以的（上圖的毛刺多是因?yàn)槭静ㄆ?GND 的線夾得太遠(yuǎn)了）。


     方案二：三極管


     三極管的方案是參考 B 站 Eric文老師 視頻中的電路，因?yàn)槟承┰?，不放鏈接，大家可以自行搜索，這里也當(dāng)做借鑒分享給大家！


     有一個(gè)問題，偏置電壓老師講的圖上好像是 11V ，這個(gè)并不好滿足，我使用一個(gè) 12 V 串聯(lián)一個(gè) 二極管測(cè)試一下：


     


     因?yàn)樯蠄D為借鑒，僅供參考！


     如果要保證輸出不超過 10V ，那么偏置電壓最好也選擇 10V ，去掉上面的 D3 比較合適，因?yàn)檫@樣最高接近 12V 輸出了。


     三、專用轉(zhuǎn)換芯片


     前面的兩種方式成本相對(duì)都比較低，和電平轉(zhuǎn)換電路一樣，0 ~10V 輸出也有專門的轉(zhuǎn)換芯片。


     但實(shí)際上我沒用過，但是既然都要測(cè)試了，那也不能落下，那么一下子也不知道什么芯片好，只能去網(wǎng)上搜索（雖然按我的理解是度娘搜索的芯片只能說廣告做得多，并不見得好），但是也沒有其他辦法，于是乎經(jīng)過一通搜索， 那就是這款芯片了：GP8101 。


     看了一下介紹，這個(gè)芯片有一個(gè)系列，不僅有 PWM 輸入的，還有 I2C 結(jié)口的：


   


     這里就不貼太多說明了，大家自行可以搜索，本文也就把他當(dāng)做一種方案，我們直接根據(jù)推薦電路設(shè)計(jì)電路圖即可：


   


     測(cè)試其實(shí)和上面一樣，設(shè)置不同的占空比，看示波器，結(jié)果還是很好的。


     結(jié)語


     本文列出了使用單片機(jī)如何實(shí)現(xiàn) 0 ~ 10V 輸出電路的不同方案。


     要說最穩(wěn)定省心的，肯定是使用專用芯片，如果確實(shí)對(duì)成本敏感，那就得結(jié)合實(shí)際需求考慮了。