模拟输出通道设计(修订)

模拟输出通道设计成继勋2009年5月2011年7月技术要求分析主要技术参数输出范围输出最大允许误差分辨率负载能力（最大负载电阻或最高输出电压）动态特性：频带宽度，响应速度温度漂移时间漂移（稳定性）其它性能功耗可靠性可制造性（生产调试简单等）性能/价格比输出通道的构成DAC或PWM或PFM（脉冲频率调制）电路（或程序）PWM或PFM-电压转换电路V/I转换电路隔离电路（可选）参考电源自校准电路（可选）过载保护（可选）输出通道方案单片电路（包括DAC和V/I）或DAC芯片+V/I芯片（含VREF）（DAC可在μP内）特点：精度高，稳定性可靠性好；价格稍高。DAC+运放构成的V/I+VREF，（DAC可在μP内）特点：精度易于保证，电路稍复杂。PWM或PFM-电压转换电路+V/I芯片（含VREF）特点：精度较易保证，电路稍复杂。PWM或PFM-电压转换电路+运放构成的V/I+VREF。特点：精度较难保证，电路最复杂；成本较低。如采用隔离方案，一般不能利用μP内置的DAC单芯片输出通道DAC+V/I+VREF：单芯片AD4204mA–20mA,0mA–20mAor0mA–24mA电流输出回路电压输出范围0VtoVCC–2.5V，增加缓冲（运放）可得到双极性输出16-Bit分辨率单调±

0.012%最大非线性误差±

0.05%最大失调(可调整)±

0.15%最大总输出误差(可调整)灵活的串行数字接口(3.3Mbps)在片环路断路故障检测在片5V参考源(25ppm/℃Max)异步清除功能最大供电电压32VDAC+V/I+VREF：单芯片AD421HART®兼容4mAto20mA电流输出16-Bit分辨率单调0.01%最大非线性误差±0.2%最大总输出误差50ppm/℃Max总输出温漂5Vor3V电压调整器2.5V和1.25V精密参考源，40和50ppm/℃Max750A静态电流max可编程电流报警能力灵活的串行数字接口单芯片输出通道DAC+V/I芯片（含REF）：两芯片DAC:TLC5616/5615，12位/10位4~20mA电流环芯片：XTR115U/116U低静态电流:200μA5V电压调整器供外部电路精密参考电源:典型0.05%，最大0.25%;最大35ppm/℃XTR115:2.5V；XTR116:4.096V低非线性误差:0.003%，最大0.01%低满度误差:0.05%，最大0.2%宽环路供电电压:7.5Vto36V两芯片输出通道PWM-电压转换电路电路原理：用低通滤波器获取PWM的直流分量（平均电压,严格讲，应是低频分量）

D为占空比可见，输出电压与PWM信号的高、低电平均有关，必须稳定其高、低电平。附录：周期矩形脉冲函数的频谱（傅立叶级数）例：PWM-电压转换电路为了稳定UH和UL，通过一个采用精密参考电源供电的CMOS门电路（不能用TTL门）给PWM信号整形，CMOS门的低电平接近于0，高电平接近于电源（可加上拉电阻）。例：MC74VHC1G14要求后面的滤波器为高输入阻抗。对动态特性要求不高的慢变信号，可使用无源RC滤波器（1阶或2阶）。对动态特性要求高的快变信号，采用有源高阶滤波器。PWM-电压转换电路无源RC低通滤波器的时间常数一阶：50～200T，误差小于0.6%~0.16%二阶：单节5～10T，误差小于0.2%~0.05%式中T为PWM信号的周期计算方法计算输出的基波分量的衰减。对矩形脉冲信号，基波分量的幅值约为直流分量的2倍(见附录)。对一阶RC低通，传输函数（增益）为ω0为基波角频率。以RC=50T代入约为直流分量的0.006对二阶RC低通，有若已知允许误差为Δ,令以RC=5T代入约为直流分量的0.002PWM-电压转换电路有源低通滤波器参数要求截止频率（通带频率）的选择：应满足系统响应速度的要求。可以近似地认为：时间常数为截止角频率的倒数。例如2阶滤波器的阻尼比时成立。阻带频率选择：应使PWM信号的基频（f=1/T）位于阻带，阻带衰减满足最大允许误差的要求：设最大允许误差为Δ,则基频的阻带衰减应大于无源RC滤波器也可以这样计算，记住：一阶RC滤波器的截止频率为二阶RC滤波器的截止频率为有源低通滤波器有源低通滤波器的拓扑结构Sallenkey:二阶以上有正反馈MFB（MultipleFeedback）有较好的高频衰减特性和失真特性有源低通滤波器有源二阶低通滤波器的频率特性根据频率特性的不同（极点位置的不同），常用的低通滤波器主要有巴特沃思（Butterworth）滤波器通频带内幅频特性具有最大平坦段。贝塞尔（Bessel）滤波器通频带内相频特性线性最好。切比雪夫（Chebychev）滤波器截止频率附件衰减快，但通带内有谐振峰，不平坦。滤波器的设计可借助滤波器设计软件，如FilterLab、FilterCAD等。有专用的模拟滤波器IC，如MAX274/275,并有专用辅助设计软件。有源低通滤波器巴特沃思（Butterworth）滤波器有源低通滤波器的频率特性贝塞尔（Bessel）滤波器有源低通滤波器的频率特性切比雪夫（Chebychev）滤波器有源低通滤波器的频率特性V/I转换电路基本电路如图，是一个电流负反馈电路。

因为VIN=V+=V–=RFIRF（2-25）所以IL≈IRF=VIN/RF

（2-26）该电路的负载与本电路不能共地，设备只能浮地工作，有时还可能使干扰增大。下图的负载与本电路共地，但输入电压变成了VIN-VCCIL≈IRF=（VIN–VCC）/RF

这种电路给参考电源的设置带来不便，因为需要负参考电压，只能用并联型参考电源芯片如LM285，难以使用串联型参考电源芯片。V/I转换电路在同相端

（1）

（2）

（3）

（4）在反相端在反馈电阻RF上有由V+=V–和式（1）、（2）、（3）可得右图是两种共地输出的V/I转换电路，对图（a）对图（b）可得到同样的结果。R2/R1为电路的增益。电路均存在误差，因为Ic≠Ie，为减小误差，三极管应使用复合管。V/I转换电路反向输入的V/I转换电路同相端可加调零电压电路优缺点图1、图2的电路优点是：误差及温漂只与一个电阻有关；缺点是图1的输出不能共地、图1的输入为反相。图3电路优点输出能共地；缺点是误差与5个电阻有关，且其中4个电阻不平衡时，输出还与负载大小有关。图4电路优点是可接调零电压，可共地输出；缺点是误差与5个电阻有关，输入电压要反相。附：图3电路的误差4个电阻平衡时输出与负载电阻的关系V/I转换电路负载能力（最大负载电阻或最高输出电压）以图3（为例）VCE为三极管工作电压，应为1～2V，ILm通常为20mA