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[原创] 【STM32F767】四.实现函数发生之基础——PWM转DA(上)

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    发表于 2017-8-2 15:17:42 |显示全部楼层
    PWM转DA的方案分析
    (注:本人原创贴。于2017.8.2 -10:30首发于其他技术论坛
    一.概述
       我的项目目标是基于RTX嵌入式实时系统的可视化函数发生器。这一贴单讲函数产生,这部分功能的基础——DA转换。单片机实现DA转换有很多方式,你可以使用专用DA芯片;如果为了节省成本或者节省PCB布局空间,你可以使用单片机自带DA;如果你使用的单片机没有自带DA转换功能,你可以考虑PWM转DA。本帖分析PWM转DA的实现方法,下一贴编写代码实现PWM转DA的功能。本帖对原理尽量做简短介绍,一边手打一边做相关计算,可能会有错误,请有心的大兄弟留言指出。且本人水平有限,请多包涵。

    二.PWM转DA的原理分析
       1.原理简述
       通俗的讲,PWM波就是占空比(高电平持续时间/周期)可调的方波,它有两个重要属性:占空比和频率。而PWM波经过积分器(例如有源低通滤波器或者多阶滤波器),将其中的高频成分滤掉,得到直流分量即得到一个平滑的直流信号。
       2.影响DA结果的因素
       1)PWM频率越高,经过积分器输出得到的直流信号越平滑。这点很容易证明,你拿一个1HZ的方波滤个波试试,波形肯定很感人。。。
       2)PWM占空比调节精度越高,DA转换结果也越平滑。占空比的调节精度决定了从0电压到Von电压,你可以描多少个点(PWM转DA其实就是用离散的点去描绘模拟电压信号)。可以想象一下,占空比1%可调的话,假设描述0-3V电压逐渐变化的直流信号;占空比+1%,电压步进30mV。放大波形你可以看到小锯齿。占空比20%可调的话。。。估计可以看到阶梯。

       3)电源电压的稳定度。如果Von都文波比较大的话,肯定没法得到高精度DA了。DA的结果就是Von和占空比的乘积啊。
       这里面有个矛盾,就是单片机频率是一定的,PWM占空比分辨率和PWM频率不可兼得。分辨率高了,PWM自然就降下来了。后面讲程序实现的时候具体分析。

    三.硬件电路设计
       硬件的基本框图如下,这里不讲第二部分的实现,那不在我的讨论范畴(精度低就低吧,反正需要超高精度DA,你也不会选择PWM转DA是不是)。我是个做嵌入式软件的哇~~算个二阶滤波器都能要了老命 - -!这里只给两个简单电路做参考,我测试过了的。
                
       1.使用光耦之类的器件进行隔离,并能直接提升Von电压。请忽略这个光耦,大家根据自己的PWM频率选型。
                

       2.使用运放进行放大(需要rail to rail运放),普通运放接近0与接近VCC都会失真。顺便无视这两个电路的二阶滤波器参数,我不会告诉你我算不出来用Multisim随便仿真了一下- -
                

    四.程序实现分析
       使用上述电路2(运放有2倍放大作用,电源改成6V),假设我想要产生峰峰值6V的正弦波,幅值10mV可调。下面我们从STM32F767的性能来推算函数的指标。
       1.占空比的调节精度
       10mV/6V=0.17%。要达到赋值10mV可调,占空比必须0.17%可调。我们给TIMx_ARR寄存器赋值600的话。TIMx_CCRx寄存器赋值每增加1,占空比就变化0.17%。也可以给TIMx_ARR寄存器赋值600*x,那么TIMx_CCRx寄存器赋值每增加x,占空比就变化0.17%。但是为了PWM有尽可能高的频率,TIMx_ARR就用能满足电压幅值步进要求的最小值即600
       这样的话,我要产生3V直流电压,只需要TIMx_CCRx寄存器赋值300。要得到5.5V,TIMx_CCRx寄存器赋值550。
       2.能够达到的最高频率(函数波形的频率)指标
       为了满足幅值10mV可调,TIMx_ARR最小只能600了。先看一下,此时我们的PWM频率是多少。查看STM32F767的手册。由STM32F767的时钟树可以看到AHB总线、SYSCLK、TIMER时钟都能达到200MHz。那PWM频率只有200M/600=333KHz了。。。如果我们用255个离散的点去描述一个正弦波。那我们可以得到的正弦波最大频率只有333K/255=1.3KHz。不过要是用少一半的描点数量去描述一个函数波形,那么函数波形的频率可以提高一倍到2.6KHz。以STM32F767的超高性能,也只能做到这样了。所以PWM转DA的应用场合有限,大家根据自己的项目要求进行取舍。
       

    总结:
       使用256个点去描述一个函数周期的波形,这个指标固定不变的话。如果要函数波形的频率可调,即可用函数频率*256得到PWM频率。那么函数波形的产生,只需要控制两个参数:修改PWM频率来改变函数波形频率;修改占空比来改变输出电压。有了上面的分析,就不为难STM32F767了,后面要实现的函数波形的指标就这么定了:正弦波、三角波、锯齿波可切换;锯齿波占空比1%可调;峰峰值6V;电压步进10mV;频率1Hz可调(这点后面再验证吧- -)。
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