PWM波转DC直流之二阶RC低通滤波器设计

1.原理及用途

(1)原理直接引用*原子STM32讲解PWM转DAC的篇章*

 

(2)当MCU中DAC功能不够用时，而还要输出可控的DC电平，这时可以使用这种模式来达到目的；另外一些由PWM控制的负载器件，比如比例阀、电机，要测试这些负载流过的等效电流，也可以使用这种方法

2.需求分析

我们这里使用二阶RC低通滤波来达到检流电阻的PWM波等效DC直流电平的功能；

 

电路示意图如下,这里的PWM不是MCU直接输出的，而是经过推挽放大电路处理过的信号

 

 

R11/R12 、C3/C4组成二阶RC滤波；这里R11=R12、C3=C4

3.数学计算

假如我们要求经过滤波后结果达到检测电流±1mA，则1个位的精度达到1.5/2048=0.0007324V，采样电阻电平范围0-1.5V

假设被滤波的信号电压范围0-1.5V,那么一次谐波的最大值1.5*2/π=0.95496,那么电路要至少提供-20log(0.95496/0.0007324V)=-63dB衰减

这里使用的PWM是F=20KHz

如果是一阶RC滤波，那截止频率Fs的计算由-10*log[1+(F/Fs)^2]=-63dB，得Fs=14Hz

如果是二阶RC滤波，那截止频率Fs的计算由-20*log[1+(F/Fs)^2]=-63dB，得Fs=532Hz

参数RC选择：

这里使用二阶低通滤波器，Fs=1/2πRC，得R=1KΩ,C=300nF（这里是由设计者选取），(R11=R12=R,C3=C4=C),这个RC乘积是个定值，至于R  C选择组合，可根据实际应用来确定，但是有一个思路：R或C不能太小，比如R取很大时，C必然取小，这时由于电路的寄生效应，导致最后的等效电容增大比例很多，会影响滤波效果，这样就不行了；反过来选取R一样

一阶二阶对比，除了电路上不同；计算的截止频率差别也是很大

二阶衰减比一阶严重一点、但是二阶延迟较小，而且一阶纹波大

4.电路仿真及波形数据-二阶滤波器

因为实际负载工作电流范围：0-1A，故而电流电阻上的电压范围0-1.5V

参数说明：这里使用Cadence OrCAD电路仿真功能

V1是输出最小电平

V2是输出最大电平，实际在V1-V2之间选择来试验

TD是PWM波延迟时间

TR是边沿上升时间

TF是边沿下降时间

PW占空比

PER周期

由图可知绿色波形在t=3-4ms时达到稳定，最大有3-4ms的延迟（按照100%计算）

实际的RC参数确定，要根据输出的延迟时间、纹波大小来综合考量；当然这个只是仿真，到实际硬件电路中，你会发现还要有更改

仿真波形中，你会发现滤波后的波形会有衰减，这个要进行补偿

5.硬件实验波形及数据

最后选定参数R=1kΩ、C=220nF 实际硬件测得的波形如下：

仿真结果如下：

对比波形，仿真和实际硬件测试基本上一致