【導讀】倘若遭遇典型 PWM 至模擬轉(zhuǎn)換方法的局限性，請不要絕望。本文就主要為大家解決這個問題，到底如何既準確又穩(wěn)定快速的模擬電壓從數(shù)字PWM信號獲得呢？
脈寬調(diào)制 (PWM) 是從微控制器或 FPGA 等數(shù)字器件產(chǎn)生模擬電壓的一種常用方法。大多數(shù)微控制器都具有內(nèi)置的專用 PWM 產(chǎn)生外設，而且其僅需幾行 RTL 代碼即可從 FPGA 產(chǎn)生一個 PWM 信號。如果模擬信號的性能要求不是太嚴格，那么這就是一種簡單和實用的方法，因為它只需要一個輸出引腳，而且與具有一個SPI 或 I2C 接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 相比，其代碼開銷是非常低。圖 1 示出了一款典型應用，其采用一個經(jīng)濾波的數(shù)字輸出引腳來產(chǎn)生一個模擬電壓。
圖 1：PWM 至模擬轉(zhuǎn)換
該方案的諸多不足之處您不必深究就能發(fā)現(xiàn)。理想情況下，一個 12 位模擬信號應具有小于 1LSB 的紋波，因而對于一個 5kHz PWM 信號需要采用一個 1.2Hz 低通濾波器。電壓輸出的阻抗由濾波器電阻決定，如果要保持一個大小合理的濾波電容器，那么它就會相當大。因此，輸出必須只驅(qū)動一個高阻抗負載。PWM 至模擬轉(zhuǎn)換函數(shù)的斜率 (增益) 由微控制器 (很可能是不準確) 的數(shù)字電源電壓來決定。一個更微妙的影響是：為了保持線性度，在高態(tài)中連接至電源之數(shù)字輸出引腳的有效電阻，以及在低態(tài)中連接至地的電阻，相比于濾波器電阻的阻值時， 失配必須很小。最后，PWM信號必須是連續(xù)的，旨在把輸出電壓保持在一個恒定值，假如處理器被置于一種低功率停機狀態(tài)，這或許會產(chǎn)生問題。
PWM至模擬轉(zhuǎn)換得到改善嗎?
圖 2 顯示了試圖彌補這些不足的方法。一個輸出緩沖器允許在使用高阻抗濾波器電阻的同時提供一個低阻抗模擬輸出。通過采用一個外部 CMOS 緩沖器改善了增益準確度，該緩沖器由一個高精度基準來供電，這樣 PWM 信號擺幅在地電位和一個準確的高電平之間。此電路是有用的，但缺點是組件數(shù)量多，且無法改善 1.1 秒的穩(wěn)定時間，再者也沒有辦法在不使用連續(xù)PWM 信號的情況下“保持” 模擬值。
圖 2：PWM 至模擬轉(zhuǎn)換得到改善嗎?
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改善了 PWM 至模擬轉(zhuǎn)換!
LTC2644 和 LTC2645 是具有內(nèi)部 10ppm/°C 基準的雙通道和四通道 PWM 至電壓輸出 DAC，可從數(shù)字PWM 信號提供真正的 8 位、10 位或 12 位性能。LTC2644 和 LTC2645 克服了上面提到的那些問題，采取的方法是直接測量輸入 PWM 信號的占空比，并在每個上升沿上將適當?shù)?8、10 或 12 位代碼發(fā)送至一個高精度 DAC。
一個內(nèi)部 1.25V 基準把全標度輸出設定為 2.5V，如果需要一個不同的全標度輸出，則可使用一個外部基準。一個單獨的 IOVCC 引腳負責設定數(shù)字輸入電平，從而允許直接連接至 1.8V FPGA、5V 微控制器或介于其間的任何電壓。DC 準確度指標是非常出色的，具有 5mV 偏移、0.8% 最大增益誤差和 2.5LSB (12 位) 最大 INL。輸出穩(wěn)定時間為 8μs，即可從 PWM 輸入的上升沿穩(wěn)定到終值 (在 12 位時為 1LSB) 的 0.024% 之內(nèi)。對于 12 位版本，PWM 頻率范圍為 30Hz 至 6.25kHz。
圖 3：4 通道 PWM 至模擬轉(zhuǎn)
多用途的輸出模式
圖 4 示出了一款典型的電源修整 / 裕度調(diào)節(jié)應用電路，其利用了 LTC2644 的另一項獨特特性。把 IDLSEL 連接至高電平將選擇“采樣 / 保持”操作；輸出在啟動時為高阻抗 (無裕度調(diào)節(jié))，輸入端上的一個連續(xù)高電平將導致輸出無限期地保持其數(shù)值，而一個連續(xù)低電平則把輸出置于高阻抗狀態(tài)。因此，在上電時可利用一個 PWM 突發(fā)脈沖 (其后隨一個高電平) 對電源進行一次修整。將 PWM 信號拉至低電平可使電路干凈地退出裕度調(diào)節(jié)操作。把 IDLSEL 連接至 GND 將選擇“透明模式”，在該模式中，輸入端上的一個連續(xù)高電平把輸出設定至全標度，而一個連續(xù)低電平則把輸出設定至零標度。
圖 4：裕度調(diào)節(jié)應用電路
結(jié)論
倘若遭遇典型 PWM 至模擬轉(zhuǎn)換方法的局限性，請不要絕望。LTC2645 可從脈寬調(diào)制數(shù)字輸出產(chǎn)生準確、快速穩(wěn)定的模擬信號，同時保持了低組件數(shù)目和代碼簡單性。
