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TMS320F240片内PWM实现D/A扩展功能

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:根据TMS320F240芯片的结构特点,提出一种新颖的基于TMS320F240的PWM输出,实现D/A转换扩展功能的设计方法;详细讨论该设计的理论基础和具体的软、硬件实现;分析实验结果,并给出具体的应用实例。该设计方案简单易行,性价比高,具有一定的通用性。

    关键词:数字信号处理器 TMS320F240 PWM D/A转换

TMS320F240(简称F240) 作为一种高速、高集成度、低成本的微控制器,功能非常强大。美中不足的是,F240芯片本身虽然集成了众多满足数字控制系统所需的先进外围设备,包括A/D转换等功能,却唯独没有集成D/A转换功能,因此,在TMS320F240芯片的实际应用过程中,为其增加 D/A转换接口是很有必要的。

  本文提出的基于F240芯片PWM输出的D/A转换扩展功能设计,是一种对F240片内的D/A转换设计。通过F240片内的PWM输出,再加上简单的外围电路及对应的软件设计,实现对PWM的信号处理,得到稳定、精确的模拟量输出。(范文先生网www.fwsir.com收集整理)                   

1 原理及误差分析

1.1 基本原理

  F240芯片提供的PWM输出,是一种周期和占空比均可变、幅值为5 V的脉宽调制信号。实现PWM信号到D/A转换输出的理想方法是:采用模拟低通滤波器滤掉PWM输出的高频部分,保留低频的直流分量,即可得到对应的D/A输出,如(图1)所示。低通滤波器的带宽决定了D/A输出的带宽范围。

  为了对PWM信号的频谱进行分析,以下提供了一个设计滤波器的理论基础。傅里叶变换理论告诉我们,任何一个周期为T的连续信号f(t),都可以表达为频率是基频的整数倍的正、余弦谐波分量之和。它是以时间轴原点为对称点的、单极性的PWM信号,表达式为

TMS320F240片内PWM实现D/A扩展功能

  其中,f=1/T为基频,式中An、 Bn为各自独立的傅里叶系数:

 TMS320F240片内PWM实现D/A扩展功能

  由于f(t)是一个关于原点对称的偶函数,因此Bn项为0,只需计算An项即可。只要扣除直流分量A0,由f(t)=-f(t+T/2),An的偶系数也将为0,因此,对占空比为k、幅值为5 V的PWM信号有:

    A0=5·k

TMS320F240片内PWM实现D/A扩展功能

    Bn=0

  由式(5)可知,直流分量A0就是所需要的 D/A输出,只要改变PWM信号的占空比k,就能得到电压范围为0~5 V的D/A转换输出;An代表PWM信号的高频直流分量,频率为PWM信号基频的整数倍。因此,对于基频为10 kHz的PWM信号,一个理想的剪切频率≤10 kHz的滤波器即可完全滤掉PWM信号的高频谐波分量An,得到低频的直流分量A0,从而实现PWM信号到D/A输出的转换。
TMS320F240片内PWM实现D/A扩展功能
    1.2 误差分析

  D/A转换输出的电压信号有一个纹波叠加在直流分量上。这是D/A转换误差的来源之一。影响D/A转换误差的另外一个重要因素,取决于PWM信号的基频。对于时钟频率为20 MHz的F240芯片,产生一个20 kHz的PWM信号,意味着每产生一个周期的PWM信号,要计数1000个时钟。即所得的直流分量的最小输出为1个时钟产生的PWM信号,等于5 mV(5 V×1/1000),刚好小于10位的D/A转换器的最小输出4.8 mV(5 V/1024)。因此,理想情况下,PWM信号的频率越低,所得的直流分量就越小,D/A转换的分辨率也就相应的越高。如果将PWM信号的频率从20 kHz降到10 kHz,则直流分量输出的最小输出为2.5 mV(5 V/2000),接近于11位的分辨率。但是,随着PWM信号基频的减小,谐波分量的频率也随之降低,就会有更多的谐波通过相同带宽的低通滤波器,造成输出的直流分量的纹波更大,导致D/A转换的分辨率降低。所以,单纯降低PWM信号的频率不能获得较高的分辨率。通过以上分析可知,基于DSP芯片PWM输出的D/A转换输出的误差,取决于通过低通滤波器的高频分量所产生的纹波和由PWM信号的频率决定的最小输出电压这两个方面。所以要获得最佳的D/A分辨率

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