前言
又到了電路小課堂的時(shí)間,也是最近項目遇到的需求,想著(zhù)正好做個(gè)電路記錄總結。
當然本文的電路以前我也不是全部用過(guò),但是既然寫(xiě)了,那么我肯定給他畫(huà)個(gè)實(shí)際的板子,每個(gè)都測試一遍。
本次的電路小課堂主要內容就是:使用單片機如何實(shí)現 0 ~ 10V 的信號輸出。
更新說(shuō)明:文中電路我已經(jīng)全部測試過(guò)了,都是可行的。
我是矜辰所致,全網(wǎng)同名,盡量用心寫(xiě)好每一系列文章,不浮夸,不將就,認真對待學(xué)知識的我們,矜辰所致,金石為開(kāi)!
第一種方式,利用單片機自帶的DAC模塊,現在很多的單片機都自帶了 DAC 模塊,我們可以直接使用 DAC 模塊的輸出進(jìn)行實(shí)現。
比如我們最常見(jiàn)的單片機供電系統為:0 ~ 3.3V。那么我們就可以將 0 ~ 3.3 V 放大 3倍,實(shí)現 0~ 10V 的輸出。
放大電路當然是使用運放實(shí)現,在我的文章里面有總結過(guò)運放的常用電路,這個(gè)后面有機會(huì )分析給發(fā)燒友的小伙伴。
這里我們用到的是同相比例運放電路,如下圖:
DAC1 為單片機的 DAC 輸出,0 ~ 3.3V ,放大 3 倍。
R2 選擇 3.3K 還是因為運放的對稱(chēng)性,選擇與 R4 和 R3 并聯(lián)電阻相等的阻值。
本文是電路總結記錄,至于電路的效果,我需要看一看是否需要后續補充到文中,因為除了專(zhuān)用芯片,這種用 單電源供電的 普通運放 搭建的電路多少會(huì )存在一些問(wèn)題,最典型的一個(gè)問(wèn)題就是能否輸出 0 V。
更新測試效果,第一種使用 DAC 直接放大3倍,感覺(jué)直接看起來(lái)還是挺滿(mǎn)意的,直接上測試圖:
上面我通過(guò)自己手動(dòng)設置 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(guò)一個(gè)濾波電路,可以使得PWM變成DAC輸出。如下圖:
對于具體的 濾波器的基礎分析,我應該會(huì )單獨寫(xiě)一篇文章來(lái)說(shuō)明,這里我們只是提一下,知道使用 RC 濾波器可以使得 PWM 輸出變成模擬電壓。
上圖只使用一個(gè) RC 的濾波電路稱(chēng)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,我們會(huì )使用后面接電壓跟隨器等運放電路。
2.2 PWM 接濾波器的RC值選擇說(shuō)明
對于 RC 濾波器的 RC值選擇,是新手難以理解處理的一個(gè)點(diǎn),這也是濾波器設計的重點(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)際上是輸入信號幅度降低 3dB 的頻率。截止頻率也稱(chēng)為 -3 dB頻率
簡(jiǎn)單幾點(diǎn)說(shuō)明(當然,如果要具體算式分析,可自行網(wǎng)上搜索,博主還沒(méi)有寫(xiě)過(guò) RC 濾波器的文章 = =?。?/p>
R 越小,輸出損耗越大
R 越大,噪聲紋波越大
C 越?。ū热绲竭_ pf 級別后),越容易被寄生電容影響
C 越大(比如比較大的 uf 級別后),因為電容越大,普通情況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(shuō)來(lái)說(shuō)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(méi)有完美的,我們總做的就是一個(gè)權衡,在有限的成本規定范圍內,設計出一個(gè)滿(mǎn)足需要的電路。
對于本文我們的 ?PWM 而言,其本質(zhì)上是一種高頻脈沖信號,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(guò)濾波器,形成模擬信號輸出。我們要保證 PWM 的頻率 遠大于 RC 低通濾波器的截止頻率,至少在 10 倍以上甚至數十倍,因為越往上的頻率信號,濾波的效果越來(lái)越好。
很遺憾在給 PWM 信號做濾波的時(shí)候并沒(méi)有一個(gè)完美的固定值范圍告訴大家,一般來(lái)說(shuō) ,保持電阻在 K 級別,數百歐姆到 K級別都可以,然后電容 nf 級別,nf 到 1uf,當然這只是普通情況,還是具體情況具體分析。
涉及到的細節需要經(jīng)過(guò)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,根據網(wǎng)上你能找到的參考 “經(jīng)驗值” ,你也可以完成電路的設計。
重要的是在你按照經(jīng)驗值設計完電路發(fā)現問(wèn)題了以后知道如何去查找問(wèn)題,如何去調整參數,這是硬件設計的關(guān)鍵所在。
2.3 0~ 3.3V PWM 輸出 ?0 ~10V
方案一:RC 濾波器
上面簡(jiǎn)單的說(shuō)明了一下,那么上一下我們本次測試的電路:
圖中的阻容大家可以根據自己的需求修改。
測試:
在上文我們說(shuō)過(guò),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,對于我測試的其實(shí)也就是 定時(shí)器的頻率,如下:
根據公式:
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 對應,上面的 arr 改成了100, 實(shí)際上也是 1KHz 左右,再來(lái)看看效果:
實(shí)際上我測試的時(shí)候沒(méi)有特意的去調整阻容的值,就直觀(guān)上看起來(lái)效果還是可以的(上圖的毛刺多是因為示波器 GND 的線(xiàn)夾得太遠了)。
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,因為某些原因,不放鏈接,大家可以自行搜索,這里也當做借鑒分享給大家!
有一個(gè)問(wèn)題,偏置電壓老師講的圖上好像是 11V ,這個(gè)并不好滿(mǎn)足,我使用一個(gè) 12 V 串聯(lián)一個(gè) 二極管測試一下:
因為上圖為借鑒,僅供參考!
如果要保證輸出不超過(guò) 10V ,那么偏置電壓最好也選擇 10V ,去掉上面的 D3 比較合適,因為這樣最高接近 12V 輸出了。
三、專(zhuān)用轉換芯片
前面的兩種方式成本相對都比較低,和電平轉換電路一樣,0 ~10V 輸出也有專(zhuān)門(mén)的轉換芯片。
但實(shí)際上我沒(méi)用過(guò),但是既然都要測試了,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(shuō)廣告做得多,并不見(jiàn)得好),但是也沒(méi)有其他辦法,于是乎經(jīng)過(guò)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 結口的:
這里就不貼太多說(shuō)明了,大家自行可以搜索,本文也就把他當做一種方案,我們直接根據推薦電路設計電路圖即可:
測試其實(shí)和上面一樣,設置不同的占空比,看示波器,結果還是很好的。
結語(yǔ)
本文列出了使用單片機如何實(shí)現 0 ~ 10V 輸出電路的不同方案。
要說(shuō)最穩定省心的,肯定是使用專(zhuān)用芯片,如果確實(shí)對成本敏感,那就得結合實(shí)際需求考慮了。對于使用 帶 DAC 芯片的小伙伴來(lái)說(shuō),我感覺(jué) DAC 直接加個(gè)運放的電路也是很穩定可靠的。
審核編輯:黃飛
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