PWMDA的设计、计算和制作【5月9日最后更新】
本帖最后由 xuplastic 于 2014-5-9 22:04 编辑PWMDA似乎是个老话题了，因为好几年前就有人讨论过了：
可以看见这是2009年的帖子了，可以很遗憾楼主在2012年后也没再活动过了，是否有所进展也不得而知·········
特别值得一提的是唐老师（thy888）是专业维修校准源的，对PWM很有研究，发表了的多篇帖子，值得学习一下。
但PWM也是个新话题，其讨论的丰富程度远远比不上电阻升压，当然，PWM说起来容易，做起来很难，这是要有心理准备的。
PWM具有众多优点，如温漂极小，老化极小，不需要昂贵的精密电阻，分压比就是占空比，方便调节，线性较好。更重要的是他还能扩展出其他很多，如PWM升压7V转10V，多功能校准源，背靠背作对比的话也可以是个ADC（反复调节分压比直到指零计为零）
PWM也有缺点，噪音是罪魁祸首，这是娘胎里带来的，我们只能尽量减小噪音，其他的大缺点就不多了，要不然PWM也不会在FLuke的校准仪里长久不息。
下面我就分块来分析一下PWM，别插楼啊
PWMDA的设计思路
本帖最后由 xuplastic 于 2014-2-18 13:57 编辑总的设计思路：
总的来讲PWMDA算不上复杂，无非就是以下几个步骤：
数字PWM波---->数模隔离---->开关器件+基准电压---->滤波器---->输出缓冲、保护等
先说说数字PWM波和数模隔离：
这一块其实没有太多好说的，分立数字芯片，单片机，CPLD，FPGA，专用PWM芯片。。。。数字电路发展很快，可选性很多。
当然，鉴于使用的方便，我认为带PWM输出的单片机和CPLD，FPGA是最佳选择。
值得注意的是虽然PWM频率很低，为了照顾到分辨率，常见的也就是200Hz一下吧，但是由于对精度要求很高，所以上升沿、下降沿不能含糊，边沿必须尽量陡峭，这一点不难做到。
为了避免向模拟电路部分传递噪音，数模隔离也是必须的。当然最好选用高速数模隔离芯片，如Si8420。下面是Datron4910的数模隔离（部分）：
可以看见是磁耦和光耦的结合，那个时代应该还没有现成的高速隔离芯片。值得注意的是它并不是简单地只传递了PWM波，而是把时钟信号也传递了过去，这样可以使已经发生变形的PWM波通过D触发器和时钟信号，强制做到同步，避免了边沿不够陡峭和相位失真的问题。
开关器件+基准电压：
这个就比较沉重了······因为开关速度和响应速度直接关系到PWMDA的线性，但是想做快也是很难的，管子本身的开关速度，走线寄生参数和干扰，驱动电路的性能，基准缓冲的驱动性能，都要考虑。
想到哪说哪吧，先说说开关管。D4910里用的是JFET做开关管（J175、J106），而唐老师的实验板用的是NMOS（VN0104）（这里好像窃取唐老师的劳动成果和知识产权了），一直不明白这两种管子用在小信号开关管上各有什么优缺点。说上升和下降时间，最大值都不差什么，看DS的话。说导通内阻，好像也相差无几，其他我就想不到什么了，额，还有输入电容，也差不多。当然JFET不分DS极可算一优点，，，可惜在这里没用··········
老一辈的仪器中JFET做信号切换多一些，但是几十里2000中积分器部分的开关是VN0605，我只能猜测是MOS的工艺难一点，以前不好做吧。当然在现代的功率控制中，NMOS是大量使用了。
由于下一级滤波器是要吸取一定电流的，所以基准的驱动能力也将成为问题，还是来看一下4910吧：
老套的三极管扩流，Q103刚开始没看明白（原谅我模电书几乎全新的罪恶吧），这个应该是保护用的，输出电流过大时将Q102基极电位拉低，使Q102关断。Q102就是扩流管了。我一直担心的问题是开关管的高速开关会对扩流电路产生高速冲击，op27和bc184构成的缓冲电路能否很好地应对这种高速冲击？如果反应速度太慢，线性就会不好。当然并联电容可以一定程度上改善问题，但是D4910并没有这么去做，也许这个问题没有我想象的那么糟糕。我是准备用现成的高速缓冲器，当然成本会上上············具体有待验证············
开关管的G极对外相当于一个电容，所以想要很好的驱动，必须要有足够大的瞬间电流，以往使用三极管做的驱动电路，如5440B。但是现在由于电源管理的兴起，MOS驱动芯片层出不穷，如MD1210，我选用的是ISL55110，便宜一点，应该也够用。
滤波器部分：
这个有专门的一层楼来讲计算，这里先讲一下器件的选择吧。
相同的传递函数下，电阻和电容的大小成反比，或者严密点讲：负相关
注意到4910的滤波器的几个大电阻都是100k左右，而NE5534的输入电流高达几百纳安，所有4910用了U404做了输入端提高输入阻抗，当然，最后一级没有这样做，用的是OP07，源电阻也不大，可以不用。
大电阻带来的坏处是：易受干扰，电荷泄漏，需要高输入阻抗。好处当然就是不用那么大的电容了
大电容带来的坏处是：体积大，经济代价，大容量高质电容不好找。好处当然就是不用大电阻了
电容最终选定了松下WFA和WIMA——MKP10这两种，MKP10网上有拆机件，4.7uF，价格也算合理，松下WFA也不算太贵。
为了减小分布参数，选用精密贴片电阻，当然精密纯属心理安慰，只要是合格的金属膜电阻，温飘和老化对滤波器影响可忽略。
运放选用LF356，美中不足是觉得摆率有点低，其他都还好吧·········
设计部分先更新到这里吧···························
PWM滤波器的计算
本帖最后由 xuplastic 于 2014-3-17 09:34 编辑PWM滤波器我能想到的有这几点：
直流漂移尽量小
对交流成分衰减尽量大
本地噪音尽量小
成本问题············
还是来看看4910的滤波器吧：
这是主PWM滤波器，副滤波器一样的，只不过只有三阶，只用了一个运放，三个电容。
关于这个滤波器，我曾经发帖询问过：https://bbs.38hot.net/forum.php?mod=viewthread&tid=69679&extra=
坛子里还是高人多啊！大家可以自己去看看，主楼和5楼各有一篇文献，但是，最最坑爹的事情出现了，那篇老文献印刷不好，多处角标看不清，我找的硕士论文是照他抄的，自己没算过，也是错的！！！导致我连续几天仿真出的滤波器会自激！！！只得感叹国内的硕士太水了！！！下面我上传由我自己注释的版本，纠正了式子中的错误和纰漏（当然还可能存在新的错误和纰漏请高手指正）
这个滤波器的难点在于计算，因为常见的Sallen-Key拓扑结构滤波器是一节一节的，每一节代表传递函数的一个二次因式，所以不必把传递函数的分母展开进行计算（况且现在都有软件）。但是这个滤波器是一个整体，必须把分母全部展开进行计算，系数很大或很小，数量级相差很大，计算器算都很痛苦，所以我请出了Matlab········没装matlab的就对不起了·········
编了一个小程序，是这样用的：
先打开matlab，在matlab左边的文件目录中进入CalcResistors.m所在的文件夹，打开CalcResistors.m，看到c1，c2，c3····c7七个系数，分别代表电路中C1，C2······C7这七个电容的容值，把它修改成你要的数目，例如我默认的是4.7*10e-6，也就是4.7uF，建议着七个电容全部一样大小，因为我在实践中发现如果大小不一的话，方程收敛极为缓慢（我设定的最大迭代次数是100w次，i7单核要跑2分钟吧），如果收敛的好，一下就出来了，修改后别忘了保存。然后运行以下代码：
fc=10;
= besself(7,fc*2*pi);
a=den/num(8);
a1=a(7);
a2=a(6);
a3=a(5);
a4=a(4);
a5=a(3);
a6=a(2);
a7=a(1);
x=[ 1 1 1 1 1 1 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 ];
fsolve('CalcResistors',x,optimset('MaxFunEvals',1000000,'MaxIter',1000000))
命令最上面的fc是滤波器转折频率，单位是Hz，这代码只适用于一部分7阶低通滤波器，会用Matlab的可以自由设定滤波器的类型和参数，注意有的滤波器参数要求的不一样，可能不是fc。此处不再赘述了，不懂请help。
CalcResistors.m在这里：
命令运行完成后是这样的：
产生了一个beta数组，一共有13个数，其中前六个是计算过程中间数，后七个才是各个电阻的大小，别忘了数量级，如R1是9.155K欧·······
设计完后务必放到仿真软件中去，因为程序又可能出错，有时甚至会得到负数结果，仿真一下，划一下伯德图确定没有问题。
这是我仿真的：
一般PWM频率是100Hz，那么衰减可达140dB，也就是0.1ppm，足够了
先更新到这里吧·······················
PWM电路的制作
本帖最后由 xuplastic 于 2014-5-9 22:07 编辑正所谓眼高手低，设计不容易的东西做起来更难
开关电路：待确定
基准缓冲：
待确定
滤波器：
待确定
试验阶段：
PWM波又CPLD产生，暂时没有隔离芯片，就直接模数共地把信号传过去
开关管由EL7156代替，方便，现成的，速度快
下面是线性度展示，零点大约是19uV，也就是读数都要减去19尾数
100ns工作脉宽
200ns工作脉宽
300ns工作脉宽
1000ns工作脉宽
2000ns工作脉宽
3000ns工作脉宽
7000ns工作脉宽
10000ns工作脉宽
20000ns工作脉宽
30000ns工作脉宽
买的晶振是10M的，脉宽最小100ns，所以最小是100uV步进，有些大，但是再做小了也很难，估计极限也就是10uV步进，但是线性肯定就不可能像100uV步进那么好了
噪音控制的并不好，峰峰值大约有9uV！{:140_325:}还在改进中，电路板的屏蔽和保护环的设计很重要，还有运放的选型比我想象中的复杂！
先说这么多吧，本人还是学生，正在准备托福考试，很忙·········虽然每天还都在刷论坛{:140_325:}
占楼占楼占楼 应该粘钩楼了吧················ 期待楼主更新贴子讲解
坐等楼主讲解 楼主真是好人啊。。。
一定不辜负你的，好好学习 定是一篇好文章，等ing 关注一下，最好把有源滤波部分能详细的讲解一下 等楼主讲解{:140_296:} 支持。 给你一个新思路，在我们的产品中采用过。同样是PWM做DA，但不是通过滤波，而是通过积分，这样只要一个PWM周期就可以得到所需电压。16位的定时器再结合软件扩展，基本可以达到17位的分辨率。输出由于积分电容的漏电问题，有一定的非线性，我们通过软件进行补偿，校正时需要测试高、中、低三个校正点。 这个要记号一下 板凳 回头慢慢 学习 有实际的制作就好了.
FlyMouse 发表于 2014-2-18 11:47
给你一个新思路，在我们的产品中采用过。同样是PWM做DA，但不是通过滤波，而是通过积分，这样只要一个PWM周 ...
这个我也想过，类似于积分ADC的逆过程
但是这个过程是怎么连续进行的呢？一个PWM周期积分出一个电压，然后呢？
而且精度不好做高，运放的输入偏流和失调都会影响
高人，理论与实践都有，期待后续 xuplastic 发表于 2014-2-18 14:07
这个我也想过，类似于积分ADC的逆过程
但是这个过程是怎么连续进行的呢？一个PWM周期积分出一个电压， ...
横河的2552电压电流源就是用的积分方法
simon51 发表于 2014-2-18 21:11
横河的2552电压电流源就是用的积分方法
有公开的资料么？
PWM的Datron4910和fluke5440B，还有TR6120都是有资料的
xuplastic 发表于 2014-2-18 21:16
有公开的资料么？
PWM的Datron4910和fluke5440B，还有TR6120都是有资料的
没有啊，论坛有2553的
本帖最后由 xuplastic 于 2014-2-18 21:55 编辑
simon51 发表于 2014-2-18 21:27
没有啊，论坛有2553的
2553精度不高啊，才三位半，两片DA做到这一点毫无压力啊，不用这么麻烦了
不过还是有一定的学习意义
xuplastic 发表于 2014-2-18 14:07
这个我也想过，类似于积分ADC的逆过程
但是这个过程是怎么连续进行的呢？一个PWM周期积分出一个电压， ...
采样保持呀。我们做的精度等同于成品16位DA，下面还准备进一步挖掘这个电路的潜力。
FlyMouse 发表于 2014-2-18 21:51
采样保持呀。我们做的精度等同于成品16位DA，下面还准备进一步挖掘这个电路的潜力。
明白了，也看了2553的原理图，不过随着精度的提高，所有问题都会越来越麻烦
虽然一个周期就能出结果，速度很快，但是噪音也会变大吧，PWM信号的抖动被实时的反映在了输出上（不过也可以加个滤波器？这就有点不伦不类了），个人的一点猜测，大家共同进步哈
时钟漂移影响大不大呢？ fffofo 发表于 2014-2-18 22:57
时钟漂移影响大不大呢？
只要短稳好就行
xuplastic 发表于 2014-2-18 23:12
只要短稳好就行
亲身实践过，单片机自带的RC振荡器是不行的，只能保证4位左右，后面老在跳，晶振就OK。 qinchang 发表于 2014-2-19 11:50
亲身实践过，单片机自带的RC振荡器是不行的，只能保证4位左右，后面老在跳，晶振就OK。
RC应该是太差了，我是买了两块有源晶振，多掏点钱上温补晶振应该更好一点，不过个人觉得还没必要
看你也做过PWM，驱动和缓冲电路应该是难点吧
4910的驱动电路很复杂，其实我也没看很明白，不过一个重要原因应该是他没有外部电源，因为是电池供电，所以要采取自举来获得比10V更高和比地更低的驱动电压来控制JFET，我这个不必拘泥于这一点
你的噪音最后控制到了多少？有什么宝贵经验也可以分享一下啊
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