通過(guò)模擬減法消除 PWM DAC 紋波

每種 PWM DAC 設(shè)計(jì)都需要模擬濾波，以將所需的 PWM 占空比比例直流分量與不需要的交流紋波分離。其中最簡(jiǎn)單的是基本 RC 低通濾波器，它給出峰峰值紋波幅度(最壞情況為 50% PWM 占空比，其中 T PWM = PWM 周期時(shí)間，假設(shè) RC > T PWM)：

V紋波/ V滿量程= T PWM / 4·RC

明顯的設(shè)計(jì)權(quán)衡是，雖然可以通過(guò)選擇足夠大的 RC 產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)任何所需程度的紋波衰減，但穩(wěn)定時(shí)間會(huì)相應(yīng)地受到影響。例如，如果我們(相當(dāng)合乎邏輯地)選擇穩(wěn)定帶的定義等于紋波幅度，那么……

T穩(wěn)定= RC·ln(V滿量程/ V紋波)

= T PWM ·V滿量程·ln(V滿量程/ V紋波) / (4·V紋波)

這種關(guān)系的后果可以通過(guò) 8 位情況來(lái)說(shuō)明：

假設(shè)：V紋波/V滿量程= 1/256;RC = 64·T PWM

T穩(wěn)定= 64·ln(256)·T PWM = 355·T PWM

即使對(duì)于相當(dāng)快的32 kHz(31μs T PWM)，也預(yù)計(jì)會(huì)有非常緩慢的11ms穩(wěn)定時(shí)間。

顯然，如果穩(wěn)定時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)，我們就需要做得更好，找到一個(gè)不那么簡(jiǎn)單的濾波方案。通過(guò)模擬減法消除PWM DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)紋波是一種有效的方法，其基本原理是利用兩個(gè)PWM信號(hào)(一個(gè)原始信號(hào)及其反相信號(hào))的求和來(lái)衰減不需要的交流(紋波)分量，同時(shí)保留所需的直流分量。以下是對(duì)該方法的詳細(xì)解釋?zhuān)?

一、方法概述

PWM信號(hào)生成：首先，生成一個(gè)普通的PWM信號(hào)。這個(gè)信號(hào)的占空比決定了輸出直流分量的大小。

反相信號(hào)生成：接著，生成一個(gè)與原始PWM信號(hào)相位相差180°(即反相)的信號(hào)。這可以通過(guò)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行反相處理或使用另一個(gè)PWM通道并設(shè)置相應(yīng)的相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)。

求和與濾波：將原始PWM信號(hào)和反相信號(hào)進(jìn)行求和。由于兩個(gè)信號(hào)中的交流分量(紋波)相位相反，它們會(huì)相互抵消，而直流分量則保持不變。然后，通過(guò)適當(dāng)?shù)臑V波電路(如RC低通濾波器)進(jìn)一步濾除殘留的紋波成分。

二、具體實(shí)現(xiàn)

電路設(shè)計(jì)：

可以使用模擬開(kāi)關(guān)和精確的電壓基準(zhǔn)來(lái)構(gòu)建電路。一個(gè)開(kāi)關(guān)用于生成原始PWM波形的精密版本，另一個(gè)開(kāi)關(guān)用于生成其反相版本。

將反相版本的交流耦合分量添加到原始版本的直流分量上，執(zhí)行消除紋波的模擬減法。

信號(hào)控制：

使用PWM邏輯控制信號(hào)來(lái)導(dǎo)出紋波消除信號(hào)。這可以節(jié)省一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)，并將Vref(參考電壓)負(fù)載減少一半。

需要將R2C2紋波減法組件縮放為適當(dāng)?shù)囊蜃覺(jué)(X=Vlogic/Vref)，以確保電路的穩(wěn)定性和有效性。

軟件實(shí)現(xiàn)：

在軟件中設(shè)置PWM設(shè)定點(diǎn)為1的補(bǔ)碼(V=-V-1)，以生成所需的相位差。

通過(guò)調(diào)整定時(shí)器和比較-捕獲-PWM(CCP)模塊的配置，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)PWM信號(hào)的相位差和頻率同步。

三、注意事項(xiàng)

穩(wěn)定性：雖然模擬減法可以有效降低紋波，但電路的穩(wěn)定性也是一個(gè)重要考慮因素。需要確保電路中的元件參數(shù)和信號(hào)控制邏輯正確無(wú)誤，以避免引入額外的噪聲或不穩(wěn)定因素。

封裝數(shù)量：如果需要使用多個(gè)PWM DA轉(zhuǎn)換通道，封裝數(shù)量可能會(huì)變得非常大。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需要權(quán)衡通道數(shù)量和封裝數(shù)量之間的關(guān)系。

參考電壓準(zhǔn)確性：隨著通道數(shù)量的增加，Vref上的總負(fù)載也會(huì)增加，這可能會(huì)降低參考電壓的準(zhǔn)確性。因此，需要選擇具有高穩(wěn)定性和高精度的參考電壓源。

四、應(yīng)用實(shí)例

在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)模擬減法消除PWM DAC紋波的方法已被廣泛應(yīng)用于各種需要高精度和低紋波輸出的場(chǎng)合。例如，在電機(jī)控制、音頻放大器和電源管理等領(lǐng)域中，該方法可以顯著提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

綜上所述，通過(guò)模擬減法消除PWM DAC紋波是一種有效且實(shí)用的方法。它不僅可以降低輸出信號(hào)中的紋波成分，還可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)該方法時(shí)，需要仔細(xì)考慮電路的穩(wěn)定性、封裝數(shù)量和參考電壓準(zhǔn)確性等因素。