CN103731150B - 一种模拟量输出电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟量输出电路，包括PWM信号发生器、第一滤波电路、第二滤波电路和差分放大电路，其中PWM信号发生器输出两路占空比不同的PWM信号，两路PWM信号分别经过滤波电路进行滤波处理形成电压值不同的直流信号，之后差分放大电路对两路电压值不同的直流信号进行差分放大处理，最终输出模拟信号。本发明公开的模拟量输出电路，通过调整PWM信号发生器输出的两路PWM信号的占空比，使差分放大电路的正向输入端和反向输入端之间的输入电压差接近理想值，从而提高输出的模拟信号的精度。本发明还公开了应用于模拟量输出电路的控制方法。

Description

一种模拟量输出电路及控制方法

技术领域

本发明属于电气控制自动化技术领域，尤其涉及一种模拟量输出电路及控制方法。

背景技术

模拟量输出电路用于将PWM（脉冲宽度调制信号）信号转换为模拟信号，以驱动模拟器件。

现在的模拟量输出电路主要包括滤波电路和信号放大电路。其中，滤波电路对PWM信号发生器输出的PWM信号进行滤波处理以形成直流信号，滤波电路输出的直流信号的电压与PWM信号的占空比相关，在PWM信号的高低电平信号的电压不变的情况下，滤波电路输出的直流电压随着PWM信号的占空比的增大而增大。信号放大电路用于对滤波电路输出的直流信号进行放大处理，以输出直流信号。

但是，现有的模拟量输出电路的精度较低，这是由于PWM信号发生器输出的PWM信号存在压降，导致滤波电路输出的直流信号也会出现压降，再经过放大电路的处理，最终输出的直流信号将出现更大的压降，远低于目标电压值。举例进行说明：当PWM信号的占空比为50%时，滤波电路输出的直流信号的理想电压为3.3V，之后再经过信号放大电路进行3倍放大处理，从而得到9.9V的电压信号，接近目标电压值10V，但是由于PWM信号本身存在压降，会导致滤波电路输出的直流信号的电压只有3.1V，之后经过信号放大电路的处理，输出的直流信号的电压值只有9.3V，与目标电压值之间的差值较大，输出模拟信号的精度较低。

因此，如何提供一种高精度的模拟量输出电路是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种模拟量输出电路及控制方法，以输出高精度的模拟信号。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明公开一种模拟量输出电路，包括脉冲宽度调制PWM信号发生器、第一滤波电路、第二滤波电路和差分放大电路；

所述PWM信号发生器的第一端口输出第一路PWM信号，所述PWM信号发生器的第二端口输出第二路PWM信号，并且第一路PWM信号的占空比不同于第二路PWM信号的占空比；

所述第一滤波电路的输入端与所述PWM信号发生器的第一端口连接；

所述第二滤波电路的输入端与所述PWM信号发生器的第二端口连接；

所述差分放大电路的反向输入端与所述第一滤波电路的输出端连接，所述差分放大电路的正向输入端与所述第二滤波电路的输出端连接，所述差分放大电路的输出端为所述模拟量输出电路的输出端。

优选的，在上述模拟量输出电路中，所述第一滤波电路和第二滤波电路为两级RC低通滤波电路；

所述第一滤波电路包括第一电阻、第二电阻、第一电容和第二电容，所述第一电阻的第一端连接至所述PWM信号发生器的第一端口，所述第一电阻的第二端通过所述第一电容接地，所述第二电阻的第一端连接至所述第一电阻的第二端，所述第二电阻的第二端与所述第二电容的第一端连接，所述第二电阻的第二端作为所述第一滤波电路的输出端；

所述第二滤波电路包括第三电阻、第四电阻、第三电容和第四电容，所述第三电阻的第一端连接至所述PWM信号发生器的第二端口，所述第三电阻的第二端通过所述第三电容接地，所述第四电阻的第一端连接至所述第三电阻的第二端，所述第四电阻的第二端通过所述第四电容接地，所述第四电阻的第二端作为所述第二滤波电路的输出端。

优选的，在上述模拟量输出电路中，所述差分放大电路包括运算放大器、第五电阻、第六电阻和第七电阻；

所述运算放大器的反向输入端连接至所述第二电阻的第二端，所述运算放大器的正向输入端连接至所述第四电阻的第二端，所述运算放大器的输出端同时连接至所述第二电容的第二端以及所述第七电阻的第一端，所述第七电阻的第二端作为所述差分放大电路的输出端；

所述第五电阻的一端连接至所述第七电阻的第二端、另一端连接至所述第二电阻的第一端；

所述第六电阻的一端连接至所述第三电阻和第四电阻的公共端、另一端接地。

优选的，在上述模拟量输出电路中，所述差分放大电路的放大倍数大于理论放大倍数。

本发明还公开一种控制方法，应用于上述第一种模拟量输出电路，该方法包括：

控制所述PWM信号发生器调整所述第一路PWM信号的占空比大于所述第二路PWM信号的占空比，以使所述模拟量输出电路输出负电压信号；

控制所述PWM信号发生器调整所述第一路PWM信号的占空比小于所述第二路PWM信号的占空比，以使所述模拟量输出电路输出正电压信号。

优选的，在上述控制方法中，在模拟量输出电路输出电压信号的过程，当模拟量输出电路输出的电压信号大于目标电压值时，执行以下步骤中的至少一个：控制PWM信号发生器增大第一路PWM信号的占空比；控制PWM信号发生器减小第二路PWM信号的占空比；当模拟量输出电路输出的电压信号小于目标电压值时，执行以下步骤中的至少一个：控制PWM信号发生器减小第一路PWM信号的占空比；控制PWM信号发生器增大第二路PWM信号的占空比。

由此可见，本发明的有益效果为：本发明公开的模拟量输出电路，包括PWM信号发生器、第一滤波电路、第二滤波电路和差分放大电路，其中PWM信号发生器输出两路占空比不同的PWM信号，两路PWM信号分别经过滤波电路进行滤波处理形成电压值不同的直流信号，之后差分放大电路对两路电压值不同的直流信号进行差分放大处理，最终输出模拟信号。本发明公开的模拟量输出电路，通过调整PWM信号发生器输出的两路PWM信号的占空比，使差分放大电路的正向输入端和反向输入端之间的输入电压差接近理想值，从而提高输出的模拟信号的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的一种模拟量输出电路的结构示意图；

图2为本发明公开的另一种模拟量输出电路的电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种模拟量输出电路，能够输出高精度的模拟信号。

参见图1，图1为本发明公开的一种模拟量输出电路的结构示意图。该模拟量输出电路包括PWM信号发生器100、第一滤波电路200、第二滤波电路300和差分放大电路400。

其中：

PWM信号发生器100用于输出两路PWM信号，具体的，PWM信号发生器100的第一端口输出第一路PWM信号，PWM信号发生器100的第二端口输出第二路PWM信号，并且第一路PWM信号的占空比不同于第二路PWM信号的占空比。在图1中，第一路PWM信号以PWM1表示，第二路PWM信号以PWM2表示。

第一滤波电路200的输入端与PWM信号发生器100的第一端口连接，用于对PWM信号发生器100输出的第一路PWM信号PWM1进行滤波处理，以输出与PWM1的占空比成比例的直流信号。

第二滤波电路300的输入端与PWM信号发生器的第二端口连接，用于对PWM信号发生器100输出的第二路PWM信号PWM2进行滤波处理，以输出与PWM2的占空比成比例的直流信号。

差分放大电路400的反向输入端与第一滤波电路200的输出端连接，差分放大电路400的正向输入端与第二滤波电路300的输出端连接，差分放大电路400的输出端为模拟量输出电路的输出端。第一滤波电路200输出的直流信号和第二滤波电路300输出的直流信号作为差分放大电路400的两路输入，由差分放大电路400进行差分放大处理，从而输出直流信号。

本发明公开的模拟量输出电路，包括PWM信号发生器100、第一滤波电路200、第二滤波电路300和差分放大电路400，其中PWM信号发生器100输出两路占空比不同的PWM信号，两路PWM信号分别经过滤波电路进行滤波处理形成电压值不同的直流信号，之后差分放大电路400对两路电压值不同的直流信号进行差分放大处理，最终输出模拟信号。本发明公开的模拟量输出电路，通过调整PWM信号发生器100输出的两路PWM信号的占空比，使差分放大电路400的正向输入端和反向输入端之间的输入电压差接近理想值，从而提高输出的模拟信号的精度。

需要说明的是，本发明中的PWM信号发生器100可以为微控制器，如MCU（单片机），也可以由定时器和晶体管构成，通过定时器控制晶体管的导通和关断以实现PWM信号的输出。

实施中，第一滤波电路200、第二滤波电路300和差分放大电路400可以采用多种现有的结构实现。本发明公开了第一滤波电路200、第二滤波电路300和差分放大电路400的一种结构。下面结合图2进行说明。

参见图2，图2为本发明公开的另一种模拟量输出电路的电路图。该模拟量输出电路包括PWM信号发生器100、第一滤波电路、第二滤波电路和差分放大电路。

其中：

PWM信号发生器100的第一端口输出第一路PWM信号，PWM信号发生器100的第二端口输出第二路PWM信号，并且第一路PWM信号的占空比不同于第二路PWM信号的占空比。

第一滤波电路和第二滤波电路均为两级RC低通滤波电路。

第一滤波电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1和第二电容C2。第一电阻R1的第一端连接至PWM信号发生器100的第一端口，第一电阻R1的第二端通过第一电容C1接地，第二电阻R2的第一端连接至第一电阻R1的第二端，第二电阻R2的第二端与第二电容C2的第一端连接，第二电阻R2的第二端作为第一滤波电路的输出端。

其中，第一电阻R1和第一电容C1构成第一级滤波电路，第二电阻R2和第二电容C2构成第二级滤波电路。

第二滤波电路包括第三电阻R3、第四电阻R4、第三电容C3和第四电容C4。第三电阻R3的第一端连接至PWM信号发生器100的第二端口，第三电阻R3的第二端通过第三电容C3接地，第四电阻R4的第一端连接至第三电阻R3的第二端，第四电阻R4的第二端通过第四电容C4接地，第四电阻R4的第二端作为第二滤波电路的输出端。

其中，第三电阻R3和第三电容C3构成第一级滤波电路，第四电阻R4和第四电容C4构成第二级滤波电路。

差分放大电路包括运算放大器U1、第五电阻R5、第六电阻R6和第七电阻R7。运算放大器U1的反向输入端连接至第二电阻R2的第二端，运算放大器U1的正向输入端连接至第四电阻R4的第二端，运算放大器U1的输出端同时连接至第二电容C2的第二端以及第七电阻R7的第一端，第七电阻R7的第二端作为差分放大电路的输出端。第五电阻R5的一端连接至第七电阻R7的第二端、另一端连接至第二电阻R2的第一端。第六电阻R6的一端连接至第三电阻R3和第四电阻R4的公共端、另一端接地。

作为优选方案，在本发明上述公开的模拟量输出电路中，设置差分放大电路400的放大倍数大于其理论放大倍数。理论放大倍数等于所需最大模拟量的电压除以两路PWM信号的最大压差，两路PWM信号的最大压差是一路PWM信号的占空比为0%，另一路PWM信号的占空比为100%时产生的压差。

这样可以保证当模拟量输出电路输出的直流信号的电压达到最大电压值或最小电压值时，PWM信号发生器100输出的两路PWM信号都有一定的占空比，避免PWM信号发生器100输出占空比为0%或100%的PWM信号。

本发明还公开一种应用于上述模拟量输出电路的控制方法。该控制方法包括：

控制PWM信号发生器调整第一路PWM信号的占空比大于第二路PWM信号的占空比，以使模拟量输出电路输出负电压信号。

控制PWM信号发生器调整第一路PWM信号的占空比小于第二路PWM信号的占空比，以使模拟量输出电路输出正电压信号。

当第一路PWM信号的占空比大于第二路PWM信号的占空比时，第一滤波电路200输出的直流信号的电压值大于第二滤波电路300输出的直流信号的电压值，也就是说差分放大电路400的反向输入端的输入信号的电压值大于其正向输入端的输入信号的电压值，因此，差分放大电路400输出负电压信号。

当第一路PWM信号的占空比小于第二路PWM信号的占空比时，第一滤波电路200输出的直流信号的电压值小于第二滤波电路300输出的直流信号的电压值，也就是说差分放大电路400的反向输入端的输入信号的电压值小于其正向输入端的输入信号的电压值，因此，差分放大电路400输出正电压信号。

基于本发明上述公开的控制方法，通过调整第一路PWM信号和第二路PWM信号的占空比，就可以控制差分放大电路400输出正电压信号或者负电压信号。实施中，控制PWM信号发生器100将第一路PWM信号和第二路PWM信号调整至预先确定的占空比，从而控制差分放大电路400输出相应的电压信号，可以提高输出信号的线性度。

作为优选方案，在模拟量输出电路输出电压信号的过程，当模拟量输出电路输出的电压信号大于目标电压值时，执行以下步骤中的至少一个：控制PWM信号发生器增大第一路PWM信号的占空比；控制PWM信号发生器减小第二路PWM信号的占空比。当模拟量输出电路输出的电压信号小于目标电压值时，执行以下步骤中的至少一个：控制PWM信号发生器减小第一路PWM信号的占空比；控制PWM信号发生器增大第二路PWM信号的占空比。

当需要模拟量输出电路输出新的电压信号时，只需要按照上述步骤进行调整即可。

具体的，在模拟量输出电路输出负电压信号时，当模拟量输出电路输出的负电压信号的电压值大于目标负电压值时，执行以下步骤中的至少一个：控制PWM信号发生器增大第一路PWM信号的占空比；控制PWM信号发生器减小第二路PWM信号的占空比。当模拟量输出电路输出的负电压信号的电压值小于目标负电压值时，执行以下步骤中的至少一个：控制PWM信号发生器减小第一路PWM信号的占空比；控制PWM信号发生器增大第二路PWM信号的占空比。

当减小第一路PWM信号的占空比时，可以减小第一滤波电路200输出的直流信号的电压值，相应的，当增大第一路PWM信号的占空比时，可以增大第一滤波电路200输出的直流信号的电压值。当减小第二路PWM信号的占空比时，可以减小第二滤波电路300输出的直流信号的电压值，相应的，当增大第二路PWM信号的占空比时，可以增大第二滤波电路300输出的直流信号的电压值。这里需要说明的是，负电压信号的电压值与目标负电压值的比较是数值之间的比较，而不是绝对值的比较，例如：如果模拟量输出电路输出的负电压信号的电压值为-9V，而目标负电压为-9.5V，则该负电压信号的电压值大于目标负电压。

因此，在模拟量输出电路输出负电压信号时，如果需要将模拟量输出电路输出的电压信号调整至新的负电压值时，只需要将该新的负电压值作为目标负电压值，通过多次执行上述步骤就可以完成输出信号的电压调整。

具体的，在模拟量输出电路输出正电压信号时，当模拟量输出电路输出的正电压信号的电压值大于目标正电压值时，执行以下步骤中的至少一个：控制PWM信号发生器增大第一路PWM信号的占空比；控制PWM信号发生器减小第二路PWM信号的占空比。当模拟量输出电路输出的正电压信号的电压值小于目标正电压值时，执行以下步骤中的至少一个：控制PWM信号发生器减小第一路PWM信号的占空比；控制PWM信号发生器增大第二路PWM信号的占空比。

当减小第一路PWM信号的占空比时，可以减小第一滤波电路200输出的直流信号的电压值，相应的，当增大第一路PWM信号的占空比时，可以增大第一滤波电路200输出的直流信号的电压值。当减小第二路PWM信号的占空比时，可以减小第二滤波电路300输出的直流信号的电压值，相应的，当增大第二路PWM信号的占空比时，可以增大第二滤波电路300输出的直流信号的电压值。

因此，在模拟量输出电路输出正电压信号时，如果需要将模拟量输出电路输出的电压信号调整至新的正电压值时，只需要将该新的正电压值作为目标正电压值，通过多次执行上述步骤就可以完成调整输出信号的电压调整。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种模拟量输出电路，其特征在于，包括脉冲宽度调制PWM信号发生器、第一滤波电路、第二滤波电路和差分放大电路；

所述PWM信号发生器的第一端口输出第一路PWM信号，所述PWM信号发生器的第二端口输出第二路PWM信号，并且第一路PWM信号的占空比不同于第二路PWM信号的占空比；

所述第一滤波电路的输入端与所述PWM信号发生器的第一端口连接，所述第一滤波电路对所述第一路PWM信号进行滤波处理，输出与所述第一路PWM信号的占空比成比例的直流信号；

所述第二滤波电路的输入端与所述PWM信号发生器的第二端口连接，所述第二滤波电路对所述第二路PWM信号进行滤波处理，输出与所述第二路PWM信号的占空比成比例的直流信号；

所述差分放大电路的反向输入端与所述第一滤波电路的输出端连接，所述差分放大电路的正向输入端与所述第二滤波电路的输出端连接，所述差分放大电路对所述第一滤波电路输出的直流信号和所述第二滤波电路输出的直流信号进行差分放大处理，所述差分放大电路的输出端为所述模拟量输出电路的输出端。

2.根据权利要求1所述的模拟量输出电路，其特征在于，所述第一滤波电路和第二滤波电路为两级RC低通滤波电路；

所述第一滤波电路包括第一电阻、第二电阻、第一电容和第二电容，所述第一电阻的第一端连接至所述PWM信号发生器的第一端口，所述第一电阻的第二端通过所述第一电容接地，所述第二电阻的第一端连接至所述第一电阻的第二端，所述第二电阻的第二端与所述第二电容的第一端连接，所述第二电阻的第二端作为所述第一滤波电路的输出端；

所述第二滤波电路包括第三电阻、第四电阻、第三电容和第四电容，所述第三电阻的第一端连接至所述PWM信号发生器的第二端口，所述第三电阻的第二端通过所述第三电容接地，所述第四电阻的第一端连接至所述第三电阻的第二端，所述第四电阻的第二端通过所述第四电容接地，所述第四电阻的第二端作为所述第二滤波电路的输出端。

3.根据权利要求2所述的模拟量输出电路，其特征在于，所述差分放大电路包括运算放大器、第五电阻、第六电阻和第七电阻；

所述运算放大器的反向输入端连接至所述第二电阻的第二端，所述运算放大器的正向输入端连接至所述第四电阻的第二端，所述运算放大器的输出端同时连接至所述第二电容的第二端以及所述第七电阻的第一端，所述第七电阻的第二端作为所述差分放大电路的输出端；

所述第五电阻的一端连接至所述第七电阻的第二端、另一端连接至所述第二电阻的第一端；

所述第六电阻的一端连接至所述第三电阻和第四电阻的公共端、另一端接地。

4.根据权利要求1、2或3所述的模拟量输出电路，其特征在于，所述差分放大电路的放大倍数大于理论放大倍数，其中，所述理论放大倍数为：所需最大模拟量的电压除以所述第一路PWM信号和所述第二路PWM信号的最大压差。

5.一种控制方法，应用于权利要求1所述的模拟量输出电路，其特征在于，所述控制方法包括：

控制所述PWM信号发生器调整所述第一路PWM信号的占空比大于所述第二路PWM信号的占空比，以使所述模拟量输出电路输出负电压信号；

控制所述PWM信号发生器调整所述第一路PWM信号的占空比小于所述第二路PWM信号的占空比，以使所述模拟量输出电路输出正电压信号。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，在模拟量输出电路输出电压信号的过程，

当模拟量输出电路输出的电压信号大于目标电压值时，执行以下步骤中的至少一个：控制PWM信号发生器增大第一路PWM信号的占空比；控制PWM信号发生器减小第二路PWM信号的占空比；

当模拟量输出电路输出的电压信号小于目标电压值时，执行以下步骤中的至少一个：控制PWM信号发生器减小第一路PWM信号的占空比；控制PWM信号发生器增大第二路PWM信号的占空比。