TMS320F240片内PWM实现D/A扩展功能

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。


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

其中，f＝1/T为基频，式中An、 Bn为各自独立的傅里叶系数：

;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

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。

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，在选取PWM信号的频率时不能太小，要适当地折衷，选取一个最合适的值。如表1所列，通过Matlab仿真，可以得到最佳D/A分辨率下的PWM信号频率。

表1 不同设计参数下F240芯片PWM输出实现