thy888 发表于 2013-1-25 16:55:21

PWM D/A任意值电压输出实做

PWM脉冲宽度调制的任意值输出电压源的工作原理及计算原理，我已经介绍过了，也是纸上谈兵，没有实际制作过。这种D/A工作原理的电压源的面世近半个世纪了，任然被广泛使用在高精度校正设备中。说明其比在现代大规模集成电路制造技术发展起来的单片D/A技术有其不可替代的特点。
自从上文完成后，就一直琢磨做一款可以输出0-7V的任意值PWM D/A的电压源，分辨率到1uV,并设计了电路，采用单片机主控，外部独立的16位定时器82C54，数字和模拟部分的隔离使用目前最新的高速数据传送专用IC，PWM开关场效应管也用近年出品高速低Rds器件，目的是为了获得尽可能小的脉冲失真，最低位的抖动减小。无奈电路完成后，找到几个编软件的朋友，不是忙就是学艺不精，大半年一直没有结果，这款电路也就一张纸而已了。
近年底手中事情少了些，开始重新考虑方案，单枪匹马只有避开使用单片机了，尽管会大大地复杂电路。设计直接使用逻辑IC做PWM D/A，生成对应电压的PWM波。这是30年前的技术了，不过照样可以出很好的指标，WAVETEK 4800的计数电路就是如此的。考虑到数字电路的复杂程度，采用单路PWM，使用近年出品的器件，单路也可以获得较高的分辨率。电路时钟按12Mhz，计数值150000，PWM波的周期80Hz，使用5阶有源滤波，就可以获得与分辨率对应的噪音指标。考虑到实验的成本，价格不菲的高速隔离和驱动都退而取之磁环了，用磁环自己穿绕最简单的脉冲变压器隔离，只有几匝也不太麻烦。麻烦是最低分辨率的跳动增大，本来单路的分辨率也没有到亚微伏级别，将就了。
基准部分，单独做成一个独立PCB板，用电路简单温度系数和稳定性都有保障的LM399AH，电路位置按4个设计，也可以装一只，丰俭由人。LM399AH的齐纳电流闭环自供，这样使用较资料介绍的要好，有一定的自我稳定作用。输出就直接用7V，不升不降。避开电阻带来的影响。这个实验电路由于非软件校正，加有小幅度调节，但是由于调节不多，电阻的影响有限。最低分辨率7V/150000 ,约50uV.
数字部分看起线路复杂，但是线路特征强，也就那几个功能而已。计数使用同步计数器74LS162和163，最高位使用0-15计数的163，计数的模通过硬件设置到15，其他位设置0-9计数。输出设置用拨码开关，每位10进制数字用一个4位的2进制拨码开关设置。输入数字和计数数字的比较用74LS136，每位数字的比较条件与设置完全相同时，计数值就代表输出的电压值，用这个条件生成PWM的不同占空比。
模拟部分也不复杂，就是开关电路和滤波电路和缓冲输出。开关电路和滤波电路是PWM D/A的难点，严重影响到噪音和线性度。
按照这个电路做后发现，12MHZ的频率下，每一个计数的脉冲宽度是83nS,选用开关器件J2317，勉强可以同步开关这样一个短的脉冲，但是最小计数值1个时，不能稳定传输，有时出来的PWM波上升沿都到了27nS，下将沿更长，对宽度83nS已经不是一个矩形波了。
加上50uV的步进值不符合十进制的习惯，拨码设置要计算一番，很不方便操作。如果通过单片机设置这个计算过程就由单片机实现，人机交换还是10进制。
实际测试的板是70000计数，对应7V基准电压，分辨率是100 uV，符合人的计数习惯。因此数字板电路要割断一条线，飞线一条改变计数模为7。当然这个板卡的计数模是可以从1到15随便改的哈。时钟降低一半到6MHZ，方便选用易购的开关管。
这次试验打板10PCS，自己装了2PCS测试。PWM D/A不神秘，做好也不容易。这次做的实验测试基本满意，噪音与分辨率完全匹配，简单地看，6.5位 10NPLC，设置3458A的显示，裸板不屏蔽，不保温。跳数一个字，或者不跳数。8小时室温环境6.5位看不出波动。线性度从0-6.9999V，最大3PPM，中间段0.01V到6.9V线性度优于1.5PPM，选择器件后可以到1PPM内。位置摆放和触摸板卡都不影响，没有发现人体感应现象。
更加详细的测试，以后逐渐进行发图。
这次还有7套PCB板，大板打样费用282元，邮费22元，后来的基准小板打板100元，邮费22元，要玩的原价出PCB板。也有部分的元件出，要的PM，每套PCB，42.4元。
附原理图和PCB图，为节约时间没有自己做元件，99库中元件大，原理图为了挤在A4纸上，有些凌乱。

nick2329 发表于 2013-1-25 17:12:45

不错，高人。

longshort 发表于 2013-1-25 17:31:35

四个399，预期的短稳优于0.15ppm/C，超低频噪声或可达0.05ppm？

dongxu 发表于 2013-1-25 17:54:23

楼主想继续做单片机控制的，我可以帮忙完成

zy_sh_npk 发表于 2013-1-25 18:11:14

老唐，再上几张照片就更吸引人了。

happymanlxh 发表于 2013-1-25 19:09:51

armdsp 发表于 2013-1-25 19:11:30

很期待啊

zjf校验仪 发表于 2013-1-25 19:46:10

你好唐老师,有成品吗?买一套成品

bigeblis 发表于 2013-1-25 19:50:45

想要搞单片机控制的，我也可以帮忙啊

lxox 发表于 2013-1-25 20:09:50

看到图了，真不错，要尽快达到楼主的水平啊。

中情局保洁员 发表于 2013-1-25 20:22:34

希望楼主同懂单片机的合作，更上一层楼！

tellalie 发表于 2013-1-25 20:30:15

唐老师厉害

thy888 发表于 2013-1-25 20:33:33

谢谢楼上的2位单片机高手，现在暂时没有考虑的，如果有做，找你们了

fffofo 发表于 2013-1-25 20:51:33

同城帮顶，哪天登门拜访

wdexpert 发表于 2013-1-25 20:53:12

好资料

ljs_0437@ 发表于 2013-1-25 22:09:52

shunzi3 发表于 2013-1-25 22:12:51

好想法好思路好本事，老唐果然厉害。

thy888 发表于 2013-1-25 23:26:04

回 iddqd2001 的帖子

iddqd2001:Very interesting idea!
But I think four LM399 is too inefficient. Parallel connection does not allow to reduce the temperature coefficient without LM399 selection. Furthermore RMS noise is only 2 times better, too bad.
Even the old Datron 4000 series have a no .. (2013-01-2522:14) images/back.gif

LM399用LT的AH系列，温度系数只有0.5，LM399用3个最合适

haixian 发表于 2013-1-26 09:42:43

顶，顶，顶，想到，做到，顶楼主。希望多一些这类文章

一杯清茶 发表于 2013-1-26 11:22:54

很不错的东西，简洁明快。

bugplus 发表于 2013-1-26 20:24:43

laisla 发表于 2013-1-26 20:39:51

fffofo 发表于 2013-1-27 01:59:49

建议出一个模拟模块，留下数字接口，方便大家diy。

mcp8204 发表于 2013-1-27 06:56:29

支持楼主!对我来说很强大.希望出成品.方便大家玩.

zwei13 发表于 2013-1-27 10:46:16

高人

isbit 发表于 2013-1-28 11:30:42

y_u_a_n_l_a_i 发表于 2013-1-28 14:03:57

不错，同城顶，不过原理图排版真的很乱，呵呵

marshallemon 发表于 2013-1-28 14:55:40

请问看LZ使用的晶振看着是有源晶振，精度和温度系数是多少？晶振的这两个参数对整体影响怎样？

ascetic_wn 发表于 2013-1-29 18:22:01

marshallemon 发表于 2013-2-2 14:12:51

看了唐工的这篇文章突然想起了半年前我搞的一个电路，也是使用PWM完成DA的，由于当时测试是使用的胜利的一个信号发生器和AG34401测试的，结果效果很不理想，输出跳动很大，这次重新拿出来测试，使用MCU的16bit的PWM，基准换成了REF5020，分辨率31.25uV，结果相当的惊人，输出还算稳定，整个16bit的占空比输出中，34401的10V档最后一位跳一个字，有的占空比输出还不跳字，分辨使用的8bit和16bit的PWM模式，线性很好，,
<1LSB,初玩高位表，其他不知道怎么测试了，
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