PWM滤波数模转换电路设计

PWM滤波数模转换电路设计
基于LM358芯片的PWM滤波数模转换电路设计
摘要：基于脉宽调制(PWM)波形的频谱理论分析，针对交流伺服电机实现速度闭环控
制需要(±10)V模拟信号输入的要求，设计了一种基于PWM滤波的(±10)V模拟信号输出
的电路。

通过对PWM信号整形隔离，再经过一个三阶滤波器滤波，偏置电路以及放大电路
实现了最终的目的。

实践证明，该设计方案可以得到稳定、精确的模拟信号输出。

设计方
案简单易行，性价比高，具有一定的通用性。

关键词：电路设计；PWM滤波；数模转换
本研究在对PWM实现D/A转换理论进行分析的基础上，设计了一种输出为-10~+10V模拟信号的D/A转换电路，旨在为交流伺服电机提供更为稳定与精确的模拟信号。

1 PWM滤波的理论分析
PWM是一种周期一定而占空比可以调制的方波信号，图1中是一种在实际电路中经常
遇到的典型PWM波形。

该PWM的高低电平分别为VH和VL，理想的情况VL等于0，但实际
一般不等于0。

图1 实际电路中典型的PWM波形
本文假设PWM为理想情况，PWM的幅值为A，脉冲宽度为x(t)，则脉冲宽度调制波可
以表示为：
式中：假设脉冲中心在kTs处，T0为未调制宽度， m为调制指数；Tk为第k个矩形
脉冲的宽度。

可以看出，脉冲宽度调制信号由x(t)加上一个直流成分以及相位调制波构成。

当T0 - 1 - 2 电路设计根据前面分析可以设计出PWM滤波的信号处理方框图如图2，
由单片机输出PWM波，通过整形隔离，然后通过有源滤波器及驱动放大得到模拟信号的输出。

图2 PWM滤波D /A转换器框图针对控制芯片输出的是0~5V的PWM信号，而一般
交流伺服电机速度闭环控制需要外部提供(±10)V的模拟信号，所以在控制芯片和交流伺
服控制卡之间要加一级D/A转换电路，其功能就是把0~5 V的PWM信号变为(-10)~(+10)
V的模拟信号。

电路中主要器件采用的是LM358，其内部包括2个独立的、高增益、内部
频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作
模式，它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运
算放大器的场合。

设计中采用的是LM358双电源供电模式，使整个电路得以实现正负电压
的输出。

电路总体上可以分为4个部分，分别为隔离电路、三阶滤波电路、偏置电路和放
大电路。

为了确定关键电阻和电容的值以及更好的分析电路，文中计算出各电路的传递函数，在计算传递函数的时候，先不考虑各调零电阻和调增益的电阻，并且认为线性集成元
件为理想状态，分别如下。

2.1 隔离电路隔离电路如图3所示。

由高速光藕隔离芯片
6N137实现，将实际控制芯片输出的PWM信号转换为理想的0~5V的PWM信号，隔离的目的为了防止外围电路对单片机信号的干扰。

2.2滤波电路三阶滤波电路由一个二阶有源
低通滤波器和一个阻容滤波器组成。

如图4所示。

图3 隔离电路 - 2 - 图4 滤波电
路主要器件是运放芯片LM358(图中U2A)和电阻R3、R6、R7、R8、R9以及电容C2、C3、
C5。

电路中的二阶有源低通滤波器采用的是二阶压控电压源电路，其原理是一个由线性集
成元件(LM358)构成的同相比例放大器，其他无源元件都接在线性集成元件(LM358)的同相
输入端，同相放大器输出电压反馈到无源网络。

整个滤波电路的功能是将PWM信号的谐波
过滤出去，并将理想的0~5 V PWM信号放大一倍，转换成0~10 V的模拟信号。

其传递函
数如下：式中：Af=1+R8/R7，a0=1 a1=R6C2+R3C2+R3C3(1-Af)+R9C5，
a2=R3R6C2C3+R6R9C2C5+R3R9C2C5+R3R9C3C5(1-Af)+R9C5， a3=R3R6R9C2C3C5 本系统采用
常用的二阶工程最佳参数作为设计系统的依据，选择阻尼系数ξ=1/√2，此时系统的幅频特性没有峰值出现，并且其截止频率就是它的固有频率fc=f0。

实践证明，本系统在信号
频率为21kHz左右时，滤波效果最佳。

在本系统中取增益Af=2。

求解得到：R3=22 kΩ，
R7=24 kΩ，R8=24 kΩ，R6=7.5 kΩ，R9=100Ω，C2=15 nF，C3=10 nF，C5=10 nF。

2.3 偏置电路 - 3 - 图5 偏置电路偏置电路如图5所示，由运放芯片LM358(图中U2B)和电阻R11、R12、R14、R15组成，其原理是一个反相加法器，将0~10V模拟信号和基准电
压源提供的-5V电压相加后，实现-5~+5V模拟信号的输出其传递函数如下：所以取
R15=R12=R11=10 kΩ。

2.4 放大电路图6 放大电路放大电路由U34和R16、R17、R18
组成，其原理是一个反相比例放大器，把输入的-5~+5 V的模拟信号放大为-10~+10 V的
模拟信号。

放大电路中，要把在一级运放产生的系统相位滞后180°校正过来，并且放大
2倍。

所以仍采用反相比例放大器。

在电路中U2、U3的关系为 - 4 - 所以取R16=10
kΩ，R17本来应该选择20 kΩ的电阻，但是由于在实际中反馈端还得加一个可变电阻，
所以选择R17=15 kΩ。

在实际调试电路的过程中，应该循序渐进一步步的调试，首先把PWM的占空比调整到0，在理想状态下，第2部分电路和第3部分电路应该分别输出为0
和-5V，但是由于运算放大器的零偏、温漂和非线性以及外界的一些因素，这两部分电路
输出不可能恰好是0和-5V，所以在U2A的放大器的基础上增加一个调零电阻R19和一个
调增益电阻R20，在U2B的反相加法器的基础上增加一个调零电阻R21。

调节调零电阻R19，使第2部分电路输出为0V，然后调整R21使第3部分输出为-5V。

增加PWM的占空比到100%分别调整增益电阻R20、R22使得第2部分电路和第4部分电路的输出均为10V。

3
结束语设计了一种基于LM358芯片的PWM滤波实现数模转换的电路，该电路具有良好稳
定性，实现了正负模拟信号的输出，为交流伺服电机速度闭环控制提供了可靠的外部模拟
信号。

节省了大量D/A转换器芯片，降低了电子设备的成本，减少了体积。

该电路已应用
于实际工程，并取得了良好的预期结果，且设计方案简单易行，性价比高，只要适当改变
电路部分电阻、电容的值，就可实现对不同基频信号滤波的功能，且达到最佳效果，此外，
该电路也为模拟式速度闭环控制器提供了一个很好的外部电路参考依据。

参考文献 [1]袁梅，田宏达，董韶鹏，等.基于PWM的电流输出数模转换电路[J].仪表技术与传感器，2021，7：91-93. [2]边晓娜，刘静，赵立志.电容传感器的电路设计[J].仪表技术与传感器，2021（6）：109-110. - 5 -
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