LM358簡介

　　LM358是雙運(yùn)算放大器。內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)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(guān)。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(yùn)算放大器的場(chǎng)合。

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

　　PWM濾波的理論分析

實(shí)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(diào)制的方波信號(hào)，上圖中是一種在實(shí)際電路中經(jīng)常遇到的典型PWM波形。該P(yáng)WM的高低電平分別為VH和VL，理想的情況VL等于0，但實(shí)際一般不等于0。

　　本文假設(shè)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(diào)制波可以表示為：

　　式中：假設(shè)脈沖中心在kTs處，T0為未調(diào)制寬度，m為調(diào)制指數(shù)；Tk為第k個(gè)矩形脈沖的寬度。可以看出，脈沖寬度調(diào)制信號(hào)由x（t）加上一個(gè)直流成分以及相位調(diào)制波構(gòu)成。當(dāng)T0《Ts時(shí)，相位調(diào)制部分引起的信號(hào)交疊可以忽略，所以脈沖寬度調(diào)制信號(hào)可以直接通過濾波器進(jìn)行解調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)PWM濾波D/A的輸出。

　　電路設(shè)計(jì)

PWM濾波D/A轉(zhuǎn)換器框圖

　　根據(jù)前面分析可以設(shè)計(jì)出PWM濾波的信號(hào)處理方框圖，由單片機(jī)輸出PWM波，通過整形隔離，然后通過有源濾波器及驅(qū)動(dòng)放大得到模擬信號(hào)的輸出。

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

　　電路中主要器件采用的是LM358，其內(nèi)部包括2個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)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(yùn)算放大器的場(chǎng)合。設(shè)計(jì)中采用的是LM358雙電源供電模式，使整個(gè)電路得以實(shí)現(xiàn)正負(fù)電壓的輸出。電路總體上可以分為4個(gè)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(guān)鍵電阻和電容的值以及更好的分析電路，文中計(jì)算出各電路的傳遞函數(shù)，在計(jì)算傳遞函數(shù)的時(shí)候，先不考慮各調(diào)零電阻和調(diào)增益的電阻，并且認(rèn)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(shí)現(xiàn)，將實(shí)際控制芯片輸出的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為理想的0~5V的PWM信號(hào)，隔離的目的為了防止外圍電路對(duì)單片機(jī)信號(hào)的干擾。

　　2、濾波電路

　　三階濾波電路由一個(gè)二階有源低通濾波器和一個(gè)阻容濾波器組成。如圖所示。

　　主要器件是運(yùn)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(gè)由線性集成元件（LM358）構(gòu)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(luò)。整個(gè)濾波電路的功能是將PWM信號(hào)的諧波過濾出去，并將理想的0~5VPWM信號(hào)放大一倍，轉(zhuǎn)換成0~10V的模擬信號(hào)。

　　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(shè)計(jì)系統(tǒng)的依據(jù)，選擇阻尼系數(shù)ξ=1/√2，此時(shí)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(shí)踐證明，本系統(tǒng)在信號(hào)頻率為21kHz左右時(shí)，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(yùn)放芯片LM358（圖中U2B）和電阻R11、R12、R14、R15組成，其原理是一個(gè)反相加法器，將0~10V模擬信號(hào)和基準(zhǔn)電壓源提供的-5V電壓相加后，實(shí)現(xiàn)-5~+5V模擬信號(hào)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(gè)反相比例放大器，把輸入的-5~+5V的模擬信號(hào)放大為-10~+10V的模擬信號(hào)。

　　放大電路中，要把在一級(jí)運(yùn)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(guān)系為

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

　　在實(shí)際調(diào)試電路的過程中，應(yīng)該循序漸進(jìn)一步步的調(diào)試，首先把PWM的占空比調(diào)整到0，在理想狀態(tài)下，第2部分電路和第3部分電路應(yīng)該分別輸出為0和-5V，但是由于運(yùn)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(chǔ)上增加一個(gè)調(diào)零電阻R19和一個(gè)調(diào)增益電阻R20，在U2B的反相加法器的基礎(chǔ)上增加一個(gè)調(diào)零電阻R21。調(diào)節(jié)調(diào)零電阻R19，使第2部分電路輸出為0V，然后調(diào)整R21使第3部分輸出為-5V。增加PWM的占空比到100%分別調(diào)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(jié)

　　本文詳細(xì)介紹了基于LM358芯片的PWM濾波實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路，該電路具有良好穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了正負(fù)模擬信號(hào)的輸出，為交流伺服電機(jī)速度閉環(huán)控制提供了可靠的外部模擬信號(hào)。節(jié)省了大量D/A轉(zhuǎn)換器芯片，降低了電子設(shè)備的成本，減少了體積。該電路已應(yīng)用于實(shí)際工程，并取得了良好的預(yù)期結(jié)果，且設(shè)計(jì)方案簡單易行，性價(jià)比高，只要適當(dāng)改變電路部分電阻、電容的值，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同基頻信號(hào)濾波的功能，且達(dá)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(gè)很好的外部電路參考依據(jù)。