CN110890877A - 一种多路可调基准电压的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多路可调基准电压的实现方法，首先利用整形电路对单片机输出的PWM信号进行整形调整；然后利用低通滤波器对整形后的PWM信号进行解调，将除直流分量外的谐波分量过滤掉，输出稳定的直流基准电压，实现PWM信号到直流基准电压输出的D/A转换。该方法电路设计简单易实现，即节约了制作成本、简化了电路，又节省了电路印刷版的面积，实现了多路高精度廉价可调电压基准。
Description
技术领域
本发明涉及电压基准电路技术领域，尤其涉及一种多路可调基准电压的实现方法。
背景技术
电压基准电路指输出稳定准确直流电压信号的电路，是自动测试和校准系统的重要组成部分，要求输出电压具有较高的稳定性、准确性，并且可调节，可应用于传感器、电源管理等需要较高精度电压基准的领域中。现有技术中多路基准电压输出应用最多的实现方式是单片机通过接口对D/A芯片的转换进行控制，从D/A转换器的角度来看，片选信号、写信号、启动信号为主要外部控制信号，实现多个芯片的选择与控制；数据量输入接口与单片机接口之间实现数字信号的传输；模拟量输出接口用于输出转换后的基准电压，因此通过总线通信即可实现多路程控可调的电压基准。
上述方案是现有技术多路可调基准电压应用较多的实现方式，在实际应用中，为了达到较高的精度，通常D/A芯片的位数也需要相应的增加。在工业仪表中，D/A芯片的位数通常为12位，而市场中12位D/A的价格通常高于单片机的价格，同时需要占用较多的单片机接口；此外在需要隔离的场合中，耦合器的数量与接口线数相对应，不但极大增加了造价，也使得集成芯片的体积加大，种种迹象表明上述方案在多路高精度可调基准电压电路中并不适用。
发明内容
本发明的目的是提供一种多路可调基准电压的实现方法，该方法电路设计简单易实现，即节约了制作成本、简化了电路，又节省了电路印刷版的面积，实现了多路高精度廉价可调电压基准。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种多路可调基准电压的实现方法，所述方法包括：
步骤1、首先利用整形电路对单片机输出的脉冲宽度调制PWM信号进行整形调整；
步骤2、然后利用低通滤波器对整形后的PWM信号进行解调，将除直流分量外的谐波分量过滤掉，输出稳定的直流基准电压，实现PWM信号到直流基准电压输出的D/A转换。
所述步骤1的过程具体为：
利用整形电路中的非门对单片机输出的PWM信号进行整形，使PWM信号的高电平电压稳定在设定的值，低电平电压稳定在零。
在步骤2中，所述利用低通滤波器对整形后的PWM信号进行解调，具体包括：
采用有源滤波与无源滤波相结合的方式，具体采用RC滤波器与巴特沃斯滤波器相结合的方式对整形后的PWM信号进行滤波，经过两次滤波后的PWM信号能转换为高精度直流基准电压。
在步骤2中，低通滤波器的频率根据PWM信号一次谐波的幅度和相角来确定。
在步骤2中，通过调节PWM信号的参数实现对基准精度的调节；
所述参数包括N和n，N是PWM信号一个周期的计数脉冲个数，n是PWM信号一个周期中高电平计数脉冲个数。
所述方法还包括：根据电路设计需求，需要几个可调基准就添加几个PWM转换电路，实现多路可调基准电压输出。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法电路设计简单易实现，在需要多个基准电压输出时可采用多路PWM转换电路，即节约了制作成本、简化了电路，又节省了电路印刷版的面积，实现了多路高精度廉价可调电压基准。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
图1为本发明实施例提供的多路可调基准电压的实现方法流程示意图；
图2为本发明实施例所提供PWM信号的波形示意图；
图3为本发明实施例所述对PWM信号进行滤波的电路示意图；
图4为采用本发明实施例所述方法输出的直流基准电压的波形图。
具体实施方式
下面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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的多路可调基准电压的实现方法流程示意图，所述方法包括：
步骤1、首先利用整形电路对单片机输出的脉冲宽度调制PWM信号进行整形调整；
在该步骤中，由于在大多情况下，PWM信号的低电平不为零，这可能在转换过程中造成误差，假设PWM的高低电平存在波动，且随着负载电流和环境温度变化，那么根据PWM信号的傅里叶展开，直流分量也在随之变化，那么输出直流基准电压的精度就很难保证。因此该步骤中可以利用整形电路中的非门(反相器)对单片机输出的PWM信号进行整形，使PWM信号的高电平电压稳定在设定的值，该设定值可根据需要在反相器中进行设置；且低电平的电压稳定在零。
步骤2、然后利用低通滤波器对整形后的PWM信号进行解调，将除直流分量外的谐波分量过滤掉，输出稳定的直流基准电压，实现PWM信号到直流基准电压输出的D/A转换。
在该步骤中，如图2所示为本发明实施例所提供PWM信号的波形示意图，PWM信号是一种周期一定而高低电平的占空比可调制的方波信号，T是单片机中计数脉冲的基本周期，即单片机每隔T时间记一次数；N是PWM信号一个周期的计数脉冲个数，n是PWM信号一个周期中高电平计数脉冲个数；而VH和VL分别为PWM信号中高低电平的电压值(理想情况下，VL等于0)。再将该PWM信号展开为傅里叶级数的形式，如下式所示：
根据上式可知：第一项为直流分量，第二项为一次谐波，其余项为大于1的高次谐波分量；且直流分量与n成线性关系：即对于n从0变化到N，直流分量从VL到VH+VL对应变化，该直流分量正是直流基准电压输出的D/A转换器所需要的。故根据上述分析，只要将上式中除直流分量外的谐波分量滤掉，就可以实现PWM信号到直流基准电压输出的D/A转换。
如上PWM信号的展开式可知，分辨率与N以及n的变化量有关，分辨率与N成正比，N越大则数模转换器(DAC)的分辨率越高；与此同时，NT也随N变化，即PWM信号的周期或一次谐波的周期也越大，要求滤波器的截止频率也就越高，因此为了提高分辨率，本实施例采用有源滤波与无源滤波相结合的方式，具体采用RC滤波器与巴特沃斯滤波器相结合的方式对PWM信号进行滤波，经过两次滤波后的PWM信号可转换为高精度直流基准电压，具体来说：
如图3所示为本发明实施例所述对PWM信号进行滤波的电路示意图，参考图3：首先将整形后的PWM信号通过RC低通滤波电路，RC滤波器具有成本低、运行稳定的特点，一般谐波的滤除率为80％；然后再通过巴特沃斯滤波器，巴特沃斯滤波器属于有源滤波，反应动作迅速，可滤除95％以上的谐波，还可动态补偿无功功率，且巴特沃斯滤波器在通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零，因此经过两次滤波后的PWM信号可转换为高精度直流基准电压。
另外，上述低通滤波器的频率可根据PWM信号一次谐波(上述展开式的第二项)的幅度和相角来确定。
另外，通过调节PWM信号的参数可调节DAC的分辨率，即实现了对基准精度的调节；所述参数包括N和n，N是PWM信号一个周期的计数脉冲个数，n是PWM信号一个周期中高电平计数脉冲个数。
具体实现过程中，由于运算放大器及RC滤波器成本低、体积小的特点，可以根据电路设计需求，需要几个可调基准就添加几个PWM转换电路，即节约了制作成本、简化了电路，又节省了印刷版的面积，从而实现多路高精度可调基准电压输出。
如图4所示为采用本发明实施例所述方法输出的直流基准电压的波形图，图4中最上面的波形为PWM电压信号；中间的波形为RC滤波器输出的电压波形，存在少量纹波；下面的波形为巴特沃斯滤波器输出的电压波形，也就是最终输出的稳定的直流基准电压。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。例如上述RC滤波器可以采取其他形式的滤波电路替代，该方案主要是应用滤波电路中电容的充放电功能，通过储能特性将电压维持在稳定值，从而实现D/A转换功能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种多路可调基准电压的实现方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、首先利用整形电路对单片机输出的脉冲宽度调制PWM信号进行整形调整；
步骤2、然后利用低通滤波器对整形后的PWM信号进行解调，将除直流分量外的谐波分量过滤掉，输出稳定的直流基准电压，实现PWM信号到直流基准电压输出的D/A转换。
2.根据权利要求1所述多路可调基准电压的实现方法，其特征在于，所述步骤1的过程具体为：
利用整形电路中的非门对单片机输出的PWM信号进行整形，使PWM信号的高电平电压稳定在设定的值，低电平电压稳定在零。
3.根据权利要求1所述多路可调基准电压的实现方法，其特征在于，在步骤2中，所述利用低通滤波器对整形后的PWM信号进行解调，具体包括：
采用有源滤波与无源滤波相结合的方式，具体采用RC滤波器与巴特沃斯滤波器相结合的方式对整形后的PWM信号进行滤波，经过两次滤波后的PWM信号能转换为高精度直流基准电压。
4.根据权利要求1所述多路可调基准电压的实现方法，其特征在于，在步骤2中，低通滤波器的频率根据PWM信号一次谐波的幅度和相角来确定。
5.根据权利要求1所述多路可调基准电压的实现方法，其特征在于，在步骤2中，通过调节PWM信号的参数实现对基准精度的调节；
所述参数包括N和n，N是PWM信号一个周期的计数脉冲个数，n是PWM信号一个周期中高电平计数脉冲个数。
6.根据权利要求1所述多路可调基准电压的实现方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据电路设计需求，需要几个可调基准就添加几个PWM转换电路，实现多路可调基准电压输出。
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