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單片機0~10V輸出電路的實現(xiàn)

矜辰所致 ? 來源:矜辰所致 ? 作者:矜辰所致 ? 2023-05-10 16:02 ? 次閱讀

總結單片機實現(xiàn) 0~10V 輸出電路的幾種方案 ...... by 矜辰所致

前言

又到了電路小課堂的時間,也是最近項目遇到的需求,想著正好做個電路記錄總結。

當然本文的電路以前我也不是全部用過,但是既然寫了,那么我肯定給他畫個實際的板子,每個都測試一遍。

本次的電路小課堂主要內(nèi)容就是: 使用單片機如何實現(xiàn) 0 ~ 10V 的信號輸出。

更新說明:文中電路我已經(jīng)全部測試過了,都是可行的。

我是矜辰所致,全網(wǎng)同名,盡量用心寫好每一系列文章,不浮夸,不將就,認真對待學知識的我們,矜辰所致,金石為開!

一、MCUDAC

第一種方式,利用單片機自帶的DAC模塊,現(xiàn)在很多的單片機都自帶了 DAC 模塊,我們可以直接使用 DAC 模塊的輸出進行實現(xiàn)。

比如我們最常見的單片機供電系統(tǒng)為: 0 ~ 3.3V。 那么我們就可以將 0 ~ 3.3 V 放大 3倍,實現(xiàn) 0~ 10V 的輸出。

放大電路當然是使用運放實現(xiàn),在我的文章里面有總結過運放的常用電路,這個后面有機會分析給發(fā)燒友的小伙伴。

這里我們用到的是同相比例運放電路,如下圖:

在這里插入圖片描述

DAC1 為單片機的 DAC 輸出,0 ~ 3.3V ,放大 3 倍。

R2 選擇 3.3K 還是因為運放的對稱性,選擇與 R4 和 R3 并聯(lián)電阻相等的阻值。

本文是電路總結記錄,至于電路的效果,我需要看一看是否需要后續(xù)補充到文中,因為除了專用芯片,這種用 單電源供電的 普通運放 搭建的電路多少會存在一些問題,最典型的一個問題就是能否輸出 0 V。

更新測試效果,第一種使用 DAC 直接放大3倍,感覺直接看起來還是挺滿意的,直接上測試圖:

在這里插入圖片描述

上面我通過自己手動設置 DAC 的值,輸出的不同狀態(tài)效果。

二、PWM 加濾波電路

第二種方式,使用 PWM 加濾波電路。

2.1 PWM 輸出 DAC

如何讓 PWM 波形變成模擬量輸出,那就是加上濾波電路,經(jīng)過一個濾波電路,可以使得PWM變成DAC輸出。如下圖:

在這里插入圖片描述

對于具體的 濾波器的基礎分析,我應該會單獨寫一篇文章來說明,這里我們只是提一下,知道使用 RC 濾波器可以使得 PWM 輸出變成模擬電壓。

上圖只使用一個 RC 的濾波電路稱為一階濾波電路。

為了使得輸出更加平滑,我們會使用二階甚至多階濾波電路。

為了使得帶載能力更強,我們會使用后面接電壓跟隨器等運放電路。

2.2 PWM 接濾波器的RC值選擇說明

對于 RC 濾波器的 RC值選擇,是新手難以理解處理的一個點,這也是濾波器設計的重點之一。

我們都知道,RC低通濾波電路的截止頻率:

fc=1/2πRC

這個公式非常重要,了解 RC 濾波器必須牢記的公式,截止頻率公式。

截止頻率實際上是輸入信號幅度降低 3dB 的頻率。截止頻率也稱為 -3 dB頻率

簡單幾點說明(當然,如果要具體算式分析,可自行網(wǎng)上搜索,博主還沒有寫過 RC 濾波器的文章 = =?。?/p>

  • R 越小,輸出損耗越大
  • R 越大,噪聲紋波越大
  • C 越?。ū热绲竭_ pf 級別后),越容易被寄生電容影響
  • C 越大(比如比較大的 uf 級別后),因為電容越大,普通情況下就只能使用電解電容,但是電解電容的高頻特性很差,在 RC 濾波器中盡量不要使用電解電容

.

說來說去,這不是這也不行那也不行? = =! 實際上就是這樣,這種低成本的電路沒有完美的,我們總做的就是一個權衡,在有限的成本規(guī)定范圍內(nèi),設計出一個滿足需要的電路。

對于本文我們的 PWM 而言,其本質(zhì)上是一種高頻脈沖信號,其中的高頻分量會被低通濾波器濾掉,只有低頻分量才能通過濾波器,形成模擬信號輸出。我們要保證 PWM 的頻率 遠大于 RC 低通濾波器的截止頻率,至少在 10 倍以上甚至數(shù)十倍,因為越往上的頻率信號,濾波的效果越來越好。

很遺憾在給 PWM 信號做濾波的時候并沒有一個完美的固定值范圍告訴大家,一般來說 ,保持電阻在 K 級別,數(shù)百歐姆到 K級別都可以,然后電容 nf 級別,nf 到 1uf,當然這只是普通情況,還是具體情況具體分析。

涉及到的細節(jié)需要經(jīng)過很多的分析,但是大家放心,在一般使用中,即便你不知道如何選擇,根據(jù)網(wǎng)上你能找到的參考 “經(jīng)驗值” ,你也可以完成電路的設計。

重要的是在你按照經(jīng)驗值設計完電路發(fā)現(xiàn)問題了以后知道如何去查找問題,如何去調(diào)整參數(shù),這是硬件設計的關鍵所在。

2.3 0~ 3.3V PWM 輸出 0 ~10V

方案一:RC 濾波器

上面簡單的說明了一下,那么上一下我們本次測試的電路:

在這里插入圖片描述

圖中的阻容大家可以根據(jù)自己的需求修改。

測試:

在上文我們說過,我們可以算出 RC低通濾波器的截止頻率,我們要保證 PWM 的頻率 遠大于 RC 低通濾波器的截止頻率。

如果 PWM 的頻率比較低會怎樣,比如,我 PWM 周期為 1HZ,然后占空比設置為50% ,直接給大家看一個圖:

在這里插入圖片描述

進一步的修改一下,把 PWM 的頻率稍微修改一下,對于我測試的其實也就是 定時器的頻率,如下:

在這里插入圖片描述

根據(jù)公式

Tout = ((arr+1)*(psc+1))/Tclk ; // 32MHz 主頻

定時器周期為 1 ms, 其實也就表示頻率為 1KHz,為了方便表示占空比 0~ 100 對應,上面的 arr 改成了100, 實際上也是 1KHz 左右,再來看看效果:

在這里插入圖片描述

實際上我測試的時候沒有特意的去調(diào)整阻容的值,就直觀上看起來效果還是可以的(上圖的毛刺多是因為示波器 GND 的線夾得太遠了)。

方案二:三極管

三極管的方案是參考 B 站 Eric文老師 視頻中的電路,因為某些原因,不放鏈接,大家可以自行搜索,這里也當做借鑒分享給大家!

有一個問題,偏置電壓老師講的圖上好像是 11V ,這個并不好滿足,我使用一個 12 V 串聯(lián)一個 二極管測試一下:

在這里插入圖片描述

因為上圖為借鑒,僅供參考!

如果要保證輸出不超過 10V ,那么偏置電壓最好也選擇 10V ,去掉上面的 D3 比較合適,因為這樣最高接近 12V 輸出了。

三、專用轉(zhuǎn)換芯片

前面的兩種方式成本相對都比較低,和電平轉(zhuǎn)換電路一樣,0 ~10V 輸出也有專門的轉(zhuǎn)換芯片。

但實際上我沒用過,但是既然都要測試了,那也不能落下,那么一下子也不知道什么芯片好,只能去網(wǎng)上搜索(雖然按我的理解是度娘搜索的芯片只能說廣告做得多,并不見得好),但是也沒有其他辦法,于是乎經(jīng)過一通搜索, 那就是這款芯片了: GP8101 。

看了一下介紹,這個芯片有一個系列,不僅有 PWM 輸入的,還有 I2C 結口的:

在這里插入圖片描述

這里就不貼太多說明了,大家自行可以搜索,本文也就把他當做一種方案,我們直接根據(jù)推薦電路設計電路圖即可:

在這里插入圖片描述

測試其實和上面一樣,設置不同的占空比,看示波器,結果還是很好的。

結語

本文列出了使用單片機如何實現(xiàn) 0 ~ 10V 輸出電路的不同方案。

要說最穩(wěn)定省心的,肯定是使用專用芯片,如果確實對成本敏感,那就得結合實際需求考慮了。對于使用 帶 DAC 芯片的小伙伴來說,我感覺 DAC 直接加個運放的電路也是很穩(wěn)定可靠的。

好了,本文就到這里,謝謝大家!

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權轉(zhuǎn)載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內(nèi)容侵權或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報投訴
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