LM358應用電路之PWM濾波數(shù)模轉換電路

　　LM358簡介

　　LM358是雙運算放大器。內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償?shù)倪\算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。

　　本文主要是對基于LM358芯片的PWM濾波數(shù)模轉換電路的介紹。

　　PWM濾波的理論分析

實際電路中典型的PWM波形

　　PWM是一種周期一定而占空比可以調制的方波信號，上圖中是一種在實際電路中經(jīng)常遇到的典型PWM波形。該PWM的高低電平分別為VH和VL，理想的情況VL等于0，但實際一般不等于0。

　　本文假設PWM為理想情況，PWM的幅值為A，脈沖寬度為x（t），則脈沖寬度調制波可以表示為：

　　式中：假設脈沖中心在kTs處，T0為未調制寬度，m為調制指數(shù)；Tk為第k個矩形脈沖的寬度?？梢钥闯觯}沖寬度調制信號由x（t）加上一個直流成分以及相位調制波構成。當T0《Ts時，相位調制部分引起的信號交疊可以忽略，所以脈沖寬度調制信號可以直接通過濾波器進行解調，從而實現(xiàn)PWM濾波D/A的輸出。

　　電路設計

PWM濾波D/A轉換器框圖

　　根據(jù)前面分析可以設計出PWM濾波的信號處理方框圖，由單片機輸出PWM波，通過整形隔離，然后通過有源濾波器及驅動放大得到模擬信號的輸出。

　　針對控制芯片輸出的是0~5V的PWM信號，而一般交流伺服電機速度閉環(huán)控制需要外部提供（±10）V的模擬信號，所以在控制芯片和交流伺服控制卡之間要加一級D/A轉換電路，其功能就是把0~5V的PWM信號變?yōu)椋?10）~（+10）V的模擬信號。

　　電路中主要器件采用的是LM358，其內部包括2個獨立的、高增益、內部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。設計中采用的是LM358雙電源供電模式，使整個電路得以實現(xiàn)正負電壓的輸出。電路總體上可以分為4個部分，分別為隔離電路、三階濾波電路、偏置電路和放大電路。為了確定關鍵電阻和電容的值以及更好的分析電路，文中計算出各電路的傳遞函數(shù)，在計算傳遞函數(shù)的時候，先不考慮各調零電阻和調增益的電阻，并且認為線性集成元件為理想狀態(tài)，分別如下。

　　1、隔離電路

　　隔離電路如圖所示。由高速光藕隔離芯片6N137實現(xiàn)，將實際控制芯片輸出的PWM信號轉換為理想的0~5V的PWM信號，隔離的目的為了防止外圍電路對單片機信號的干擾。

　　2、濾波電路

　　三階濾波電路由一個二階有源低通濾波器和一個阻容濾波器組成。如圖所示。

　　主要器件是運放芯片LM358（圖中U2A）和電阻R3、R6、R7、R8、R9以及電容C2、C3、C5。電路中的二階有源低通濾波器采用的是二階壓控電壓源電路，其原理是一個由線性集成元件（LM358）構成的同相比例放大器，其他無源元件都接在線性集成元件（LM358）的同相輸入端，同相放大器輸出電壓反饋到無源網(wǎng)絡。整個濾波電路的功能是將PWM信號的諧波過濾出去，并將理想的0~5VPWM信號放大一倍，轉換成0~10V的模擬信號。

　　其傳遞函數(shù)如下：

　　式中：Af=1+R8/R7，a0=1a1=R6C2+R3C2+R3C3（1-Af）+R9C5，

　　a2=R3R6C2C3+R6R9C2C5+R3R9C2C5+R3R9C3C5（1-Af）+R9C5，a3=R3R6R9C2C3C5

　　本系統(tǒng)采用常用的二階工程最佳參數(shù)作為設計系統(tǒng)的依據(jù)，選擇阻尼系數(shù)ξ=1/√2，此時系統(tǒng)的幅頻特性沒有峰值出現(xiàn)，并且其截止頻率就是它的固有頻率fc=f0。實踐證明，本系統(tǒng)在信號頻率為21kHz左右時，濾波效果最佳。

　　在本系統(tǒng)中取增益Af=2。求解得到：R3=22kΩ，R7=24kΩ，R8=24kΩ，R6=7.5kΩ，R9=100Ω，C2=15nF，C3=10nF，C5=10nF。

　　3、偏置電路

　　偏置電路如圖所示，由運放芯片LM358（圖中U2B）和電阻R11、R12、R14、R15組成，其原理是一個反相加法器，將0~10V模擬信號和基準電壓源提供的-5V電壓相加后，實現(xiàn)-5~+5V模擬信號的輸出

　　其傳遞函數(shù)如下：

　　所以取R15=R12=R11=10kΩ。

　　4、放大電路

　　放大電路由U34和R16、R17、R18組成，其原理是一個反相比例放大器，把輸入的-5~+5V的模擬信號放大為-10~+10V的模擬信號。

　　放大電路中，要把在一級運放產(chǎn)生的系統(tǒng)相位滯后180°校正過來，并且放大2倍。所以仍采用反相比例放大器。在電路中U2、U3的關系為

　　所以取R16=10kΩ，R17本來應該選擇20kΩ的電阻，但是由于在實際中反饋端還得加一個可變電阻，所以選擇R17=15kΩ。

　　在實際調試電路的過程中，應該循序漸進一步步的調試，首先把PWM的占空比調整到0，在理想狀態(tài)下，第2部分電路和第3部分電路應該分別輸出為0和-5V，但是由于運算放大器的零偏、溫漂和非線性以及外界的一些因素，這兩部分電路輸出不可能恰好是0和-5V，所以在U2A的放大器的基礎上增加一個調零電阻R19和一個調增益電阻R20，在U2B的反相加法器的基礎上增加一個調零電阻R21。調節(jié)調零電阻R19，使第2部分電路輸出為0V，然后調整R21使第3部分輸出為-5V。增加PWM的占空比到100%分別調整增益電阻R20、R22使得第2部分電路和第4部分電路的輸出均為10V。

　　總結

　　本文詳細介紹了基于LM358芯片的PWM濾波實現(xiàn)數(shù)模轉換的電路，該電路具有良好穩(wěn)定性，實現(xiàn)了正負模擬信號的輸出，為交流伺服電機速度閉環(huán)控制提供了可靠的外部模擬信號。節(jié)省了大量D/A轉換器芯片，降低了電子設備的成本，減少了體積。該電路已應用于實際工程，并取得了良好的預期結果，且設計方案簡單易行，性價比高，只要適當改變電路部分電阻、電容的值，就可實現(xiàn)對不同基頻信號濾波的功能，且達到最佳效果，此外，該電路也為模擬式速度閉環(huán)控制器提供了一個很好的外部電路參考依據(jù)。