單片機(jī)實(shí)現(xiàn)0~10V輸出電路的多樣化方案

前言

又到了電路小課堂的時(shí)間，也是最近項(xiàng)目遇到的需求，想著正好做個(gè)電路記錄總結(jié)。

當(dāng)然本文的電路以前我也不是全部用過(guò)，但是既然寫了，那么我肯定給他畫個(gè)實(shí)際的板子，每個(gè)都測(cè)試一遍。

本次的電路小課堂主要內(nèi)容就是：使用單片機(jī)如何實(shí)現(xiàn) 0 ~ 10V 的信號(hào)輸出。

更新說(shuō)明：文中電路我已經(jīng)全部測(cè)試過(guò)了，都是可行的。

我是矜辰所致，全網(wǎng)同名，盡量用心寫好每一系列文章，不浮夸，不將就，認(rèn)真對(duì)待學(xué)知識(shí)的我們，矜辰所致，金石為開！

一、MCU 的 DAC

第一種方式，利用單片機(jī)自帶的DAC模塊，現(xiàn)在很多的單片機(jī)都自帶了 DAC 模塊，我們可以直接使用 DAC 模塊的輸出進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

比如我們最常見的單片機(jī)供電系統(tǒng)為：0 ~ 3.3V。那么我們就可以將 0 ~ 3.3 V 放大 3倍，實(shí)現(xiàn) 0~ 10V 的輸出。

放大電路當(dāng)然是使用運(yùn)放實(shí)現(xiàn)，在我的文章里面有總結(jié)過(guò)運(yùn)放的常用電路，這個(gè)后面有機(jī)會(huì)分析給發(fā)燒友的小伙伴。

這里我們用到的是同相比例運(yùn)放電路，如下圖：

DAC1 為單片機(jī)的 DAC 輸出，0 ~ 3.3V ,放大 3 倍。

R2 選擇 3.3K 還是因?yàn)檫\(yùn)放的對(duì)稱性，選擇與 R4 和 R3 并聯(lián)電阻相等的阻值。

本文是電路總結(jié)記錄，至于電路的效果，我需要看一看是否需要后續(xù)補(bǔ)充到文中，因?yàn)槌藢Ｓ眯酒?，這種用單電源供電的普通運(yùn)放搭建的電路多少會(huì)存在一些問(wèn)題，最典型的一個(gè)問(wèn)題就是能否輸出 0 V。

更新測(cè)試效果，第一種使用 DAC 直接放大3倍，感覺直接看起來(lái)還是挺滿意的，直接上測(cè)試圖：

上面我通過(guò)自己手動(dòng)設(shè)置 DAC 的值，輸出的不同狀態(tài)效果。

二、PWM 加濾波電路

第二種方式，使用 PWM 加濾波電路。

2.1 PWM 輸出 DAC

如何讓 PWM 波形變成模擬量輸出，那就是加上濾波電路，經(jīng)過(guò)一個(gè)濾波電路，可以使得PWM變成DAC輸出。如下圖：

對(duì)于具體的濾波器的基礎(chǔ)分析，我應(yīng)該會(huì)單獨(dú)寫一篇文章來(lái)說(shuō)明，這里我們只是提一下，知道使用 RC 濾波器可以使得 PWM 輸出變成模擬電壓。

上圖只使用一個(gè) RC 的濾波電路稱為一階濾波電路。

為了使得輸出更加平滑，我們會(huì)使用二階甚至多階濾波電路。

為了使得帶載能力更強(qiáng)，我們會(huì)使用后面接電壓跟隨器等運(yùn)放電路。

2.2 PWM 接濾波器的RC值選擇說(shuō)明

對(duì)于 RC 濾波器的 RC值選擇，是新手難以理解處理的一個(gè)點(diǎn)，這也是濾波器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。

我們都知道，RC低通濾波電路的截止頻率：

fc=1/2πRC

這個(gè)公式非常重要，了解 RC 濾波器必須牢記的公式，截止頻率公式。

截止頻率實(shí)際上是輸入信號(hào)幅度降低 3dB 的頻率。截止頻率也稱為 -3 dB頻率

簡(jiǎn)單幾點(diǎn)說(shuō)明（當(dāng)然，如果要具體算式分析，可自行網(wǎng)上搜索，博主還沒有寫過(guò) RC 濾波器的文章 = =?。?/p>

R 越小，輸出損耗越大

R 越大，噪聲紋波越大

C 越小（比如到達(dá) pf 級(jí)別后），越容易被寄生電容影響

C 越大（比如比較大的 uf 級(jí)別后），因?yàn)殡娙菰酱?，普通情況下就只能使用電解電容，但是電解電容的高頻特性很差，在 RC 濾波器中盡量不要使用電解電容。

說(shuō)來(lái)說(shuō)去，這不是這也不行那也不行？= =！實(shí)際上就是這樣，這種低成本的電路沒有完美的，我們總做的就是一個(gè)權(quán)衡，在有限的成本規(guī)定范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)出一個(gè)滿足需要的電路。

對(duì)于本文我們的 ?PWM 而言，其本質(zhì)上是一種高頻脈沖信號(hào)，其中的高頻分量會(huì)被低通濾波器濾掉，只有低頻分量才能通過(guò)濾波器，形成模擬信號(hào)輸出。我們要保證 PWM 的頻率遠(yuǎn)大于 RC 低通濾波器的截止頻率，至少在 10 倍以上甚至數(shù)十倍，因?yàn)樵酵系念l率信號(hào)，濾波的效果越來(lái)越好。

很遺憾在給 PWM 信號(hào)做濾波的時(shí)候并沒有一個(gè)完美的固定值范圍告訴大家，一般來(lái)說(shuō) ，保持電阻在 K 級(jí)別，數(shù)百歐姆到 K級(jí)別都可以，然后電容 nf 級(jí)別，nf 到 1uf，當(dāng)然這只是普通情況，還是具體情況具體分析。

涉及到的細(xì)節(jié)需要經(jīng)過(guò)很多的分析，但是大家放心，在一般使用中，即便你不知道如何選擇，根據(jù)網(wǎng)上你能找到的參考 “經(jīng)驗(yàn)值” ，你也可以完成電路的設(shè)計(jì)。

重要的是在你按照經(jīng)驗(yàn)值設(shè)計(jì)完電路發(fā)現(xiàn)問(wèn)題了以后知道如何去查找問(wèn)題，如何去調(diào)整參數(shù)，這是硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

2.3 0~ 3.3V PWM 輸出 ?0 ~10V

方案一：RC 濾波器

上面簡(jiǎn)單的說(shuō)明了一下，那么上一下我們本次測(cè)試的電路：

圖中的阻容大家可以根據(jù)自己的需求修改。

測(cè)試：

在上文我們說(shuō)過(guò)，我們可以算出 RC低通濾波器的截止頻率，我們要保證 PWM 的頻率遠(yuǎn)大于 RC 低通濾波器的截止頻率。

如果 PWM 的頻率比較低會(huì)怎樣，比如，我 PWM 周期為 1HZ，然后占空比設(shè)置為50% ，直接給大家看一個(gè)圖：

進(jìn)一步的修改一下，把 PWM 的頻率稍微修改一下，對(duì)于我測(cè)試的其實(shí)也就是定時(shí)器的頻率，如下：

根據(jù)公式：

Tout = （（arr+1）*（psc+1））/Tclk ; ? // 32MHz 主頻

定時(shí)器周期為 1 ms，其實(shí)也就表示頻率為 1KHz，為了方便表示占空比 0~ 100 對(duì)應(yīng)，上面的 arr 改成了100，實(shí)際上也是 1KHz 左右，再來(lái)看看效果：

實(shí)際上我測(cè)試的時(shí)候沒有特意的去調(diào)整阻容的值，就直觀上看起來(lái)效果還是可以的（上圖的毛刺多是因?yàn)?a target="_blank">示波器 GND 的線夾得太遠(yuǎn)了）。

方案二：三極管

三極管的方案是參考 B 站 Eric文老師視頻中的電路，因?yàn)槟承┰?，不放鏈接，大家可以自行搜索，這里也當(dāng)做借鑒分享給大家！

有一個(gè)問(wèn)題，偏置電壓老師講的圖上好像是 11V ，這個(gè)并不好滿足，我使用一個(gè) 12 V 串聯(lián)一個(gè) 二極管測(cè)試一下：

因?yàn)樯蠄D為借鑒，僅供參考！

如果要保證輸出不超過(guò) 10V ，那么偏置電壓最好也選擇 10V ，去掉上面的 D3 比較合適，因?yàn)檫@樣最高接近 12V 輸出了。

三、專用轉(zhuǎn)換芯片

前面的兩種方式成本相對(duì)都比較低，和電平轉(zhuǎn)換電路一樣，0 ~10V 輸出也有專門的轉(zhuǎn)換芯片。

但實(shí)際上我沒用過(guò)，但是既然都要測(cè)試了，那也不能落下，那么一下子也不知道什么芯片好，只能去網(wǎng)上搜索（雖然按我的理解是度娘搜索的芯片只能說(shuō)廣告做得多，并不見得好），但是也沒有其他辦法，于是乎經(jīng)過(guò)一通搜索，那就是這款芯片了：GP8101 。

看了一下介紹，這個(gè)芯片有一個(gè)系列，不僅有 PWM 輸入的，還有 I2C 結(jié)口的：