摘 要： 以PWM作為D/A的功能接口,，分析了不同電路對轉(zhuǎn)換精度的影響，提出了以PWM接口輸出經(jīng)濾波電路獲得的精度與電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)之間關(guān)系的分析方法,，初步確定了理論上分析轉(zhuǎn)換精度的步驟與方法,。并以TMS320F2812為例對其PWM通道實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換擴展功能的精度做了實例計算，驗證了理論分析的可行性與準(zhǔn)確性,。為磁懸浮數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計與預(yù)知其設(shè)計精度之間的關(guān)聯(lián)提供了理論基礎(chǔ),，可以為相關(guān)設(shè)計提供借鑒與參考。
關(guān)鍵詞： TMS320F2812; PWM; D/A轉(zhuǎn)換; 精度分析
DSP由于其具有體積小,、成本低,、易擴展及方便實現(xiàn)多機分布并行處理等優(yōu)點，而被廣泛用于航空航天,、工業(yè)控制等領(lǐng)域,。目前，DSP也是磁懸浮支承控制系統(tǒng)中的主要應(yīng)用器件[1-3],。在磁懸浮系統(tǒng)中,，一般可以直接利用DSP的PWM輸出接口來實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換功能，其特點是簡單易行,、性價比高,、且具有一定的通用性。然而,，當(dāng)采用這種方式進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換時,其轉(zhuǎn)換精度一直是一個未定數(shù),，需要待具體電路設(shè)計好，并進(jìn)行實際調(diào)試后才能確定。因此,，如何提前知曉其轉(zhuǎn)換精度,，提高這類D/A轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計精度，就成為磁懸浮系統(tǒng)設(shè)計中的一項關(guān)鍵技術(shù),，且具有很高的實用價值,。參考文獻(xiàn)[4]提出以TMS320F6713為核心，控制精度為10 μm,；參考文獻(xiàn)[5]以TMS320F240 為核心,設(shè)計實用電磁軸承控制系統(tǒng),，控制精度為2.9 μm。
本文以DSP的通用PWM接口作為D/A的功能接口,，分析研究不同電路對信號轉(zhuǎn)換精度的影響,，提出以PWM接口輸出經(jīng)濾波電路后濾波精度與電路的結(jié)構(gòu)與參數(shù)之間的分析方法，初步確定了理論上分析D/A設(shè)計轉(zhuǎn)換精度的步驟與方法,。并以德州儀器的TMS320F2812芯片為例,對其PWM通道實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換擴展功能的精度做了實例計算,，驗證了理論分析的準(zhǔn)確性與可行性。
1 基本原理及誤差分析
1.1 設(shè)計濾波器的理論基礎(chǔ)
DSP芯片提供的PWM輸出,，是一種周期和占空比均可變的脈寬調(diào)制信號,。信號可分解為直流分量及均值為0的方波。實現(xiàn)PWM信號到D/A轉(zhuǎn)換輸出的方法一般為：采用模擬低通濾波器濾掉PWM輸出的高頻部分(PWM的頻率),，保留直流分量(真實信號),，即可得到對應(yīng)的D/A輸出。圖1顯示了PWM經(jīng)D/A前后獲得的信號情況,。這里D/A輸出的帶寬范圍一般由低通濾波器的帶寬決定,，本文暫且忽略其他因素的影響。
由式(1)可知,，直流分量就是所需要的D/A輸出,，只要改變PWM信號的占空比k，就能得到電壓范圍為0~Uo的D/A轉(zhuǎn)換輸出：An代表PWM信號的高頻直流分量,，頻率為PWM信號基頻的整數(shù)倍,。因此,對于基頻為10 kHz的PWM信號。一個理想的剪切頻率≤10 kHz的濾波器即可完全濾掉PWM信號的高頻諧波分量An,，得到低頻的直流分量A0,。從而實現(xiàn)PWM信號到D/A輸出的轉(zhuǎn)換。1.2 D/A轉(zhuǎn)換精度的初步分析
根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]和[7]的表述,，基于DSP芯片PWM輸出的D/A轉(zhuǎn)換輸出的誤差,，取決于通過低通濾波器的高頻分量所產(chǎn)生的紋波和由PWM信號的頻率決定的最小輸出電壓這兩個方面。
給定DSP芯片的時鐘頻率,，可以算出由基波引入的誤差,，但計算高頻分量產(chǎn)生的紋波引入的誤差就比較困難，但可以通過Multisim仿真來確定。
2 濾波器電路設(shè)計
本文以TMS320F2812(以下簡稱“F2812”)芯片為例,，分析不同濾波器設(shè)計對D/A轉(zhuǎn)換精度的影響,。F2812[8-9]片內(nèi)集成眾多資源，但卻沒有集成D/A轉(zhuǎn)換功能,，因此,，在磁懸浮控制系統(tǒng)中使用F2812芯片時,，增加D/A轉(zhuǎn)換接口是很有必要的,。這時，利用F2812提供的PWM輸出進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換是可取的方法之一,。F2812的PWM接口提供一種周期和占空比均可變,、幅值為3.3 V的脈寬調(diào)制信號，則理想輸出電壓為A0=3.3×k=1.65 V,。
本文所述之濾波器電路均選用TL07X系列運算放大器,，信號電壓的輸入范圍為-4 V~4 V。濾波器的階數(shù)為1~4,。下面通過對各階電路濾波器電路的設(shè)計與分析,，觀察電路結(jié)構(gòu)對D/A轉(zhuǎn)換精度的影響。分析依據(jù)為：-3 dB帶寬為1 kHz,。
2.1 一階低通濾波器
圖2所示為使用一個運放IC（以下簡寫為IC）的一階低通濾波器,，其傳遞函數(shù)為：
(3)若直接將兩個一階低通濾波器級聯(lián)，也可以構(gòu)成一個二階濾波器電路,。限于篇幅,，本文不再贅述，有興趣的讀者可以自行推導(dǎo),。
通過(1)(2)對比分析可以初步得到,，單個濾波器中運放個數(shù)越少，信號復(fù)現(xiàn)準(zhǔn)確度高,，振動幅度控制精度低,；運放個數(shù)越多，信號復(fù)現(xiàn)準(zhǔn)確度低,，振動幅度控制精度高這個結(jié)論,。限于篇幅，這里省略了三階四階濾波器的分析過程,。
表1,、表2為一階到四階各種濾波器獲得的D/A精度分析結(jié)果。
經(jīng)分析,，得出精度與電路結(jié)構(gòu)有如下關(guān)系：
(1)濾波器階數(shù)越高,，紋波值越小，越接近3.3 k，本文中為1.65 V,，D/A轉(zhuǎn)換精度也越高,；
(2)單個濾波器中運放個數(shù)越少,信號復(fù)現(xiàn)準(zhǔn)確度高，振動幅度控制精度低,；運放個數(shù)越多,，信號復(fù)現(xiàn)準(zhǔn)確度低，振動幅度控制精度高,。
所以,，在設(shè)計電路中，必須合理考慮信號準(zhǔn)確度與振幅控制精度這一對矛盾,，根據(jù)實際情況,，合理設(shè)計電路。
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