单片机控制4-20mA输出

利用单片机构成高精度PWM式12位D/A
[ 一]. 前言在用单片机制作的变送器类和控制器类的仪表中，需要输出1—5V或4—20mA的直流信号的时候，通常采用专用的D/A芯片，一般是每路一片。

当输出信号的精度较高时，D/A 芯片的位数也将随之增
加。

在工业仪表中，通常增加到12位。

12位D/A的价格目前比单片机的价格要高得多，占用的接口线数量也多。

尤其是在需隔离的场合时，所需的光电耦合器数量与接口线相当，造成元器件数量大批增加，使体积和造价随之升高。

如果在单片机控制的仪表里用PWM方式完成
D/A输出，将会使成本降低到12位D/A芯片的十分之一左右。

我们在S 系列流量仪表中采用了这种方式，使用效果非常理想。

下面介绍
一下PWM方式D/A的构成原理。

[ 二]. 电路原理
一般12位D/A转换器在手册中给出的精度为士1/2LSB,温度漂移的综合指标在20—50ppm/C,上述两项指标在级仪表中是可以满足要求的，下面给出的电路可以达到上述两项指标。

图1中的T是固定宽度，T的宽度是可变的。

T分为5000份，每份2us。

所以T的最大值T max=2x 5000=10000us,这就是T的宽度。

当T =T时，占空比为1, Vo= T =0时，Vo=0V这种脉冲电压经过两级RC滤波后得到的电压可由下式表示：
V
1
VM 必须是精密电压源。

Vo与占空比成正比，且线性较好，这种方式在理论上是很成熟的，但实际应用上还存在一些问题。

图2是实际线路，其中单片机可用8098或8031两种常用芯片，VM的数值为士2mV D/A与单片机必须是电气隔离的。

否则数字脉冲电流产生的干扰会影响D/A精度，从示波器可以看到高达50mV的干扰毛刺电压，因此有必要加光电隔离。

经隔离后的脉冲驱动模拟开关CD4053 CD4053是三组两触点模拟开关，由PWM永冲控制开关的公共接点使之与+和地接通，在VI得到与单片机输出相一致的PWM波形。

该波形经两级RC滤波后由运放构成的电压跟随器输出Vo。

其中RC的时间常数一般取RO 2T,这样两级RC加起来就会得到纹波小于3mV的直流电压，本电路中RC=220m,如果想进一步减小纹波，可适当提高RC的乘积，但电路的响应速度也会放慢。

用运放做RC滤波器输出的缓冲大有益处。

它不仅提高了滤波电
路带载能力，而且使线性度得到了提高。

通过实验可知，这一级运放的的缓冲作用是保证整个D/A精度和线性度的重要环节。

尽管RC滤
波器无负载，处在非常理想的条件下工作，但Vo并不完全与占空比
与理想值有一些误差，如图3所示。

图中的曲线1表示理想值，曲线2表示实测值。

由图中可见，曲线2的根部不太理想。

这是因为所使用的电容不是纯电容，其中含有一定的电感。

在占空比极小时，由于脉冲非常窄，它产生的高次谐波的频率很高，电感对高次谐波的感抗较大，因此在脉冲沿的位置上，尽管电压变化很大，但实际实际给电容充电却很小。

这样就在窄脉冲
时产生非线性。

当采用无感电容时，这种非线性有较大改善，但仍不能完全吻合。

由于无感电容容量太小，价格也较高，所以在大时间常数滤波电路中没有实际意义。

在实际使用中解决这一问题的方法是舍弃根部非线性部分，只用线性部分，在工业仪表中，标准的信号一般为1—5V 或4—20mA而曲线2的非线性部分在以下，所以当采用1
—5V输出信号时，精度为儘全满足12位D/A要求。

除精度满足要求外，温度特性也必须满足要求。

影响温度特性的原因主要是5V精密电源和运算放大器的温度特性。

为不使价格太高，
选用2DW232精密稳压二极管，运放的电阻与滤波电阻要匹配且温度
系数w 25ppm运算放大器选择温漂w 10uV/C的均可，一般廉价低温
漂运放都可满足这个指标。

采用上述措施后D/A的总温度漂为33ppm/C。

［三］.实测数据
由于这个线路是在级精密仪表中使用的，因此要求线性度和温度特性必须满足要求，另外，这个数据是测量V/I转换后4-20mA电源值与给定电流值之间的误差。

这个误差还包含了V/I转换的误差。

因
此实际的D/A自身的误差比总误差要小。

Igd(mA) lo(mA) △ =lo -Igd
+
+
+
线性=△ max/20=
20 °C60. °C
△=
△=
温度漂移=△ max/2O X 40=33ppm/C
由以上数据可知，满量程的线性度为%满量程的温度漂移为％/10C，系统响应时间约为，输出信号与标准值相差％寸所用的时
间为11s。

[ 四]. 结束语
上面所介绍的D/A 电路结构简单，原理易懂，在8098 及8031 单片机上都可以应用，笔者采用8098 单片机的四路高速输入输出同时控制四路精密D/A 输出。

后面加一级V/I 转换电路，构成标准的4—20mA电流输出，电路经一年多的现场实际应用，效果很好，适于目前级仪表的全部要求。