文档介绍：使用 PWM 得到精密的输出电压
作者: 江南大学朱立
近年来,许多单片机生产厂家,如 Atmel、Analog Divices、Intel、Philips、Dallas、
Maxim 等等,纷纷推出了新型的高速单片机。它们的指令执行周期仅是原来的 1/3~1/十
几,并在单片机中集成了 EEPROM、WDT、A/D 转换器和 D/A 转换器,大大地提高了
单片机的性能,方便了用户。然而,许多单片机中的 D/A 转换器的输出都采用了脉宽调
制( PWM)的形式。PWM 十分适用于开关电源、可控硅等器件的控制,也可使用于 LCD
亮度控制、音频输出等不需要输出精确电压的场合。由于 PWM 没有基准电压,它的输
出脉冲的幅度不是很恒定,这就限制了 PWM 的使用范围。在要求输出精密控制电压的
场合,如精密可调电压源、电机变频器等等,就无法使用 PWM。

然而,只需使用 2 片廉价的集成电路就可以把幅度不恒定的 PWM 输出转换成精密
的 PWM 输出电压。

1 电路原理

使用三端精密基准电源和模拟开关得到电压精密的 PWM 脉冲的电路原理如图 1 所
示。D1 为 TL431 三端基准电压集成电路,U1 采用单刀双掷的模拟开关 MAX4544;电
阻 R1、R2、R3 根据具体的需要而定。当然,也可以采用其它型号的集成电路。
当PWM 脉冲为
高电平(逻辑 1)时,
U1 端掷向常
闭端(NC),TL431
的调整脚与正电压
脚相连,输出电压值
为 V。当 PWM 脉
冲为低电平(逻辑 0)
时,U1 端掷
向常开端(NO),
TL431 的输出电压经
过 R2、R3 分压后送
到调整脚,此时输出
电压值等于
[(R2+R3)/R3]× V。本例中输出电压等于 8 V。这样,当 U1 的 IN 脚输入 PWM 信
号时,电路相应地输出高电平为 8 V,低电平为 V 的 PWM 脉冲,其振幅为 8 V -
V = V 。如果需要输出低电平为零的 PWM 信号,则再加上 1 个差分放大器就可解决。

在对于精密度的要求不是很高的场合,可以采用更简单的方法。图 2 为使用精密稳
压二极管对 PWM 脉冲进行稳压限幅的电路图。在图 2 中,PWM 信号经过高速运算放大
器 U1 放大成为±12 V 的输出电压,在经过 R1 的限流和 D1 的稳压后,得到± V 的
PWM 脉冲输出。
2 误差分析

图1 中,只要基准电源选取恰当,基准电源本身的误差完全可以忽略。除此之外,
误差的来源主要有以下几个方面:

(1)模拟开关的导通电阻引起的误差
模拟开关导通时有一定的导通电阻。TL431 调整脚输入电流通过模拟开关时就会形
成电压降,产生误差。MAX4544 的导通电阻为 35 Ω,而 TL431 的调整脚输入电流则在
4 μA 以下。由此而导致基准电压的误差小于 140 μV,为 V 的 056,相当于
二进制 14 位的精度。

(2)开关延迟时间引入的误差
开关延迟时间将会引起脉冲