干货！几个0-10V输出电路设计思路及技术分享

 

前言

在工业领域用的最多的模拟量输出有这几种常用的传输方式：

4~20mA、0~5V、0~10V、频率输出

本期分享的是其中的0~10V输出电路的几个电路原理图。这几个电路图有一个共性，那就是都是通过PWM转化为0~10V输出（工程上使用这种控制逻辑也更多，因为往往这种控制都需要数字隔离，所以PAC是常见的最优解）。

方案1：一个开源的0~10V输出电路

这个电路使用TL431作为基准源， 输出2.5V的基准电压。左下角的单片机控制MOS管，本质上也算是一个电平转换， 将单片机输出的PWM变为精准的2.5V占空比0%~100%的PWM。

然后这个信号再给到一个 二阶的RC滤波器 ， 滤掉高次谐波，保留直流分量 0-2.5V电压（类似DAC），这部分在之前推文写的PWM做DAC里有过介绍。

然后这个 直流分量（0~2.5V） 再给运算放大器处理，下图的运算放大器器第一级是一个4倍放大的同相比例放大，将0~2.5V放大到0~10V ，然后再过R22和C14的RC滤波后再过R20和C18的RC滤波后，接到第二级运算放大器，第二级运算放大器接为了一个 电压跟随器 。然后第二级运算放大器再接L1和C19，C20的LC滤波后输出给后级。

方案2：抄的手持信号发生器0~10V输出电路

这个电路的思路实际上和第一个思路类似，主要思路都是将单片机的3.3V幅值PWM转化为2.5V幅值PWM（因为单片机是LDO供电，一般这个LDO的输出电压不准，尤其是高低温下的温漂往往很大，所以需要转化为基准电压的方波）。然后再将这个基准后的2.5V的PWM经过二阶RC滤波之后转化为一个DAC信号，再通过一个同相比例放大器放大四倍之后再经过一级RC滤波和TVS保护之后输出0~10V电压。

第二种我认为比第一种更好，因为我感觉这种逻辑门的高低温特性（从高低温下的开关速度）会优于MOS管做的电压转化。

方案3：最近发现的一个更爽且稳定的方案

第三种方案是我最近也是看到群里有朋友在使用的客益微的GP8001的方案，所以我也研究了一下，发现确实非常不错，不止外围电路简单，输出精度高，并且价格也不贵（看立创1.7左右，量大价钱更便宜）。电路图我也画了一下，如下所示：

上面的电路图中，仅仅一颗SOT23-6芯片就实现了PWM转化为0~10V的电压输出，即完成了方案1和方案2的那一坨电路实现的功能，并且精度以及可靠性都要更优越。下图是GP8001的内部逻辑框图：

GP8001是宽压供电的，支持11~36V电压供电输入，这个非常NICE，这样的话某些场合下就可以省去一颗LDO或DCDC电源芯片。并且GP8001内置了一个5V的稳压器（输出电流能力不强，作为外部供电的话最好使用三极管搭射极跟随扩流），例如下图中为光耦做供电，就使用了射极跟随器扩流（输出电压大概是5-Vbe=4.3V左右）。

输出精度对比：

在方案1和方案2中，最终输出精度会因为运放的失调电压、失调电流的温漂，基准源的温漂、逻辑门输出幅值的温漂、外围电阻器的温漂等等因素而很难控制。下图是我截图的方案1和方案2精度受制约一些温漂参数：

而在GP8001这个芯片的电压输出精度，典型值可以做到20ppm/℃，最大不超过30ppm/℃。这个精度也不是普通的分立器件搭建可以做到的（如果想高精度必须外置高精度基准源+低温漂运放，那样的话成本又和这个单颗芯片没法比了）。

总结

• 常见0-10V PWM积分然后运放放大。为了获取低温漂高性能的0-10V，需要用到PWM+电平转换+运放+精密电阻，成本较高。

• GP8001的解决方案，SOT23-6小封装、外围简洁、内置低温漂基准、线性度好、响应速度快（三个PWM周期响应+50us建立）、驱动能力强。

• 现在电路的集成度在越来越高，我们也要与时俱进。可以使用集成度高的方案就使用集成度高的方案，不仅可以简化设计，更可以优化成本，控制精度！客益微的GP8001这款PAC芯片不仅是一个控制精度高，更是一个简单可靠的PWM转模拟量方案，是蛮值得推荐的！