摘要：根據(jù)TMS320F240芯片的結(jié)構(gòu)特點，提出一種新穎的基于TMS320F240的PWM輸出，實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換擴展功能的設(shè)計方法；詳細(xì)討論該設(shè)計的理論基礎(chǔ)和具體的軟、硬件實現(xiàn)；分析實驗結(jié)果，并給出具體的應(yīng)用實例。該設(shè)計方案簡單易行，性價比高，具有一定的通用性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理器 TMS320F240 PWM D/A轉(zhuǎn)換

TMS320F240（簡稱F240） 作為一種高速、高集成度、低成本的微控制器，功能非常強大。美中不足的是，F(xiàn)240芯片本身雖然集成了眾多滿足數(shù)字控制系統(tǒng)所需的先進(jìn)外圍設(shè)備，包括A/D轉(zhuǎn)換等功能，卻唯獨沒有集成D/A轉(zhuǎn)換功能，因此，在TMS320F240芯片的實際應(yīng)用過程中，為其增加 D/A轉(zhuǎn)換接口是很有必要的。

本文提出的基于F240芯片PWM輸出的D/A轉(zhuǎn)換擴展功能設(shè)計，是一種對F240片內(nèi)的D/A轉(zhuǎn)換設(shè)計。通過F240片內(nèi)的PWM輸出，再加上簡單的外圍電路及對應(yīng)的軟件設(shè)計，實現(xiàn)對PWM的信號處理，得到穩(wěn)定、精確的模擬量輸出。

1 原理及誤差分析

1.1 基本原理

F240芯片提供的PWM輸出，是一種周期和占空比均可變、幅值為5 V的脈寬調(diào)制信號。實現(xiàn)PWM信號到D/A轉(zhuǎn)換輸出的理想方法是：采用模擬低通濾波器濾掉PWM輸出的高頻部分，保留低頻的直流分量，即可得到對應(yīng)的D/A輸出，如（圖1）所示。低通濾波器的帶寬決定了D/A輸出的帶寬范圍。

為了對PWM信號的頻譜進(jìn)行分析，以下提供了一個設(shè)計濾波器的理論基礎(chǔ)。傅里葉變換理論告訴我們，任何一個周期為T的連續(xù)信號f（t），都可以表達(dá)為頻率是基頻的整數(shù)倍的正、余弦諧波分量之和。它是以時間軸原點為對稱點的、單極性的PWM信號，表達(dá)式為

其中，f＝1/T為基頻，式中An、 Bn為各自獨立的傅里葉系數(shù)：

 

由于f（t）是一個關(guān)于原點對稱的偶函數(shù)，因此Bn項為0，只需計算An項即可。只要扣除直流分量A0，由f(t)=－f(t＋T/2)，An的偶系數(shù)也將為0，因此，對占空比為k、幅值為5 V的PWM信號有：

A0=5·k

Bn=0

由式（5）可知，直流分量A0就是所需要的 D/A輸出，只要改變PWM信號的占空比k，就能得到電壓范圍為0～5 V的D/A轉(zhuǎn)換輸出；An代表PWM信號的高頻直流分量，頻率為PWM信號基頻的整數(shù)倍。因此，對于基頻為10 kHz的PWM信號，一個理想的剪切頻率≤10 kHz的濾波器即可完全濾掉PWM信號的高頻諧波分量An，得到低頻的直流分量A0，從而實現(xiàn)PWM信號到D/A輸出的轉(zhuǎn)換。

1.2 誤差分析

D/A轉(zhuǎn)換輸出的電壓信號有一個紋波疊加在直流分量上。這是D/A轉(zhuǎn)換誤差的來源之一。影響D/A轉(zhuǎn)換誤差的另外一個重要因素，取決于PWM信號的基頻。對于時鐘頻率為20 MHz的F240芯片，產(chǎn)生一個20 kHz的PWM信號，意味著每產(chǎn)生一個周期的PWM信號，要計數(shù)1000個時鐘。即所得的直流分量的最小輸出為1個時鐘產(chǎn)生的PWM信號，等于5 mV（5 V×1/1000），剛好小于10位的D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出4.8 mV（5 V/1024）。因此，理想情況下，PWM信號的頻率越低，所得的直流分量就越小，D/A轉(zhuǎn)換的分辨率也就相應(yīng)的越高。如果將PWM信號的頻率從20 kHz降到10 kHz，則直流分量輸出的最小輸出為2.5 mV（5 V/2000），接近于11位的分辨率。但是，隨著PWM信號基頻的減小，諧波分量的頻率也隨之降低，就會有更多的諧波通過相同帶寬的低通濾波器，造成輸出的直流分量的紋波更大，導(dǎo)致D/A轉(zhuǎn)換的分辨率降低。所以，單純降低PWM信號的頻率不能獲得較高的分辨率。通過以上分析可知,基于DSP芯片PWM輸出的D/A轉(zhuǎn)換輸出的誤差,取決于通過低通濾波器的高頻分量所產(chǎn)生的紋波和由PWM信號的頻率決定的最小輸出電壓這兩個方面。所以要獲得最佳的D/A分辨率，在選取PWM信號的頻率時不能太小，要適當(dāng)?shù)卣壑裕x取一個最合適的值。如表1所列，通過Matlab仿真，可以得到最佳D/A分辨率下的PWM信號頻率。

表1 不同設(shè)計參數(shù)下F240芯片PWM輸出實現(xiàn)