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1，概述 在電子和自動化技術的應用中，數字信號轉換模擬控制信號輸出是電子設計中常見的問題，然而許多單片機內部并沒有集成數摸轉換器（DAC）。當然市場上也有一些專用的D/A轉換芯片，但這類芯片價格昂貴，并且需要多個處理器功能管腳來控制，這對一般的簡單應用是不適合的。 所以在有些應用中，由單片機的PWM輸出（或者通過定時器和軟件一起來實現PWM輸出），經過簡單RC濾波電路實現DAC來得到模擬電壓是一種比較好的選擇。然后，這種方法的一個缺點就是電平轉換時間過長，本文提出了一種新的方法來克服該問題。 2， RC濾波電路 圖1是傳統的RC濾波電路，PSoC通過GPIO口和RC濾波產生模擬電壓 圖1，RC濾波電路產生模擬電壓 在這種方法中，PWM通過Px[y]輸出，Vout即是需要的模擬電壓。PWM的輸出在電壓VDD和0之間變換，PWM的占空比（DC）決定Vout的輸出值。增加DC輸出電壓也會跟著增加（當DC=0%時，Vout=GND; 當DC=100%時，Vout=VDD）。 這種方法比較簡單，但缺點是電平轉換時間長。例如，當DC從一個值變到另一個值時，可能要幾個ms才能使Vout從一個電壓變換到最終的穩定電壓，如圖2所示。 圖2，RC濾波電路的電平轉換時間 較長的電平轉換時間在有些應用中是不適用的，下面我將提供一個新的方法來減小該時間。當然，也可通過減小電容電阻（RC）值并提高PWM頻率來縮短電平轉換時間，但有些單片機的固有缺陷而沒辦法提高PWM頻率時就沒辦法了。 3， 電壓跟隨器電路 本文介紹一種新的方法能把轉換時間減小到幾十us，該方法除了RC濾波外，還使用了電阻、三極管以及另外一個GPIO口，三極管設計為電壓跟隨器模式，如下圖3所示： 圖3，電壓跟隨器電路產生模擬電壓 三極管T是模擬電壓Vc到Vout的開關。在空閑狀態下設置Pa為“strong drive”模式，并置為高電平（邏輯1），這樣，Vout = VDD, 下列步驟將使Vout從空閑狀態變換到指定的電壓狀態。 1）使能PWM并設定為指定的占空比DC。在計算PWN占空比時要考慮到三極管be間的壓降(Vbe)。Vc = Vout + Vbe，得出DC = (Vout + Vbe)/VDD. 2) 做足夠長時間的延遲以使Vc穩定在指定的電壓，注意在這延遲的時間內Vout保持高電平VDD。 3) 設置GPIO口Pa的驅動模式為“High-Z analog”,這將導致三極管T工作狀態并且Vout將立即變為指定的最終電壓（只需要幾十個微秒）。 下列步驟將使Vout從指定的電壓變換到空閑狀態（Vout = VDD） 1) 設置Pa的驅動模式為“strong drive”并置該PIN為高電平，Vout 將立即變為VDD. 2) 如果需要，此時可停止Px[y]口的PWM以減小功耗。 電平轉換如圖4所示，當Vc在電壓下降的非穩態過程中，Vout還保持高電平。 圖4，電壓跟隨器電路的電平轉換時間 4， 實驗和測試結果 在Cypress的CY8C20x24系列芯片中，無PWM模塊，所以若需要輸出模擬電壓就只能使用內部的Timer13模塊產生PWM，然后使用外圍電路產生模擬電壓。下面以 CY8C20224 芯片為例來說明兩種模擬電壓產生方法的測試情況。 1）使用RC電路做測試 由于CY8C20224提供的Timer13其輸入時鐘為32KHz，所以由此產生的PWM頻率比較低。為了減小模擬電壓值的紋波，必須提高RC電路的電阻電容值。在實驗電路中R=47K，C=0.1uF。下圖5是用示波器抓到的波形。 圖5，RC濾波電路的電平轉換波形 從上圖可以看出，當電壓從空閑狀態（VDD=3.3V）變換到穩定電壓1.0V時，大約需要13"15ms. 這在有些應用中是不夠的。 2）采用電壓跟隨器電路測試 若采用電壓跟隨器電路，電壓從空閑狀態（VDD=3.3V）變換到穩定電壓1.0V時，需要的時間不超過50us, 如下圖6所示： 圖6，電壓跟隨器電路的電平轉換波形 5， 結束語 本文基于對RC濾波電路的分析，提出了一種快速產生模擬電壓的方法，并通過實驗證明其可行性。目前該方案已在Cypress CY8C20224芯片上液晶電視按鍵控制板項目使用。 |
