從數(shù)字PWM信號(hào)獲得準(zhǔn)確、快速穩(wěn)定的模擬電壓

引言

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(shè)，而且其僅需幾行 RTL 代碼即可從 FPGA 產(chǎn)生一個(gè) PWM 信號(hào)。如果模擬信號(hào)的性能要求不是太嚴(yán)格，那么這就是一種簡(jiǎn)單和實(shí)用的方法，因?yàn)樗恍枰粋€(gè)輸出引腳，而且與具有一個(gè)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(yīng)用，其采用一個(gè)經(jīng)濾波的數(shù)字輸出引腳來(lái)產(chǎn)生一個(gè)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(gè) 12 位模擬信號(hào)應(yīng)具有小于 1LSB 的紋波，因而對(duì)于一個(gè) 5kHz PWM 信號(hào)需要采用一個(gè) 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(gè)大小合理的濾波電容器，那么它就會(huì)相當(dāng)大。因此，輸出必須只驅(qū)動(dòng)一個(gè)高阻抗負(fù)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(zhǔn)確) 的數(shù)字電源電壓來(lái)決定。一個(gè)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?dāng)?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(shí)， 失配必須很小。最后，PWM信號(hào)必須是連續(xù)的，旨在把輸出電壓保持在一個(gè)恒定值，假如處理器被置于一種低功率停機(jī)狀態(tài)，這或許會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。

PWM至模擬轉(zhuǎn)換得到改善嗎?

圖 2 顯示了試圖彌補(bǔ)這些不足的方法。一個(gè)輸出緩沖器允許在使用高阻抗濾波器電阻的同時(shí)提供一個(gè)低阻抗模擬輸出。通過(guò)采用一個(gè)外部 CMOS 緩沖器改善了增益準(zhǔn)確度，該緩沖器由一個(gè)高精度基準(zhǔn)來(lái)供電，這樣 PWM 信號(hào)擺幅在地電位和一個(gè)準(zhǔn)確的高電平之間。此電路是有用的，但缺點(diǎn)是組件數(shù)量多，且無(wú)法改善 1.1 秒的穩(wěn)定時(shí)間，再者也沒(méi)有辦法在不使用連續(xù)PWM 信號(hào)的情況下“保持” 模擬值。

圖 2：PWM 至模擬轉(zhuǎn)換得到改善嗎?

改善了 PWM 至模擬轉(zhuǎn)換!

LTC2644 和 LTC2645 是具有內(nèi)部 10ppm/°C 基準(zhǔn)的雙通道和四通道 PWM 至電壓輸出 DAC，可從數(shù)字PWM 信號(hào)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(wèn)題，采取的方法是直接測(cè)量輸入 PWM 信號(hào)的占空比，并在每個(gè)上升沿上將適當(dāng)?shù)?8、10 或 12 位代碼發(fā)送至一個(gè)高精度 DAC。

一個(gè)內(nèi)部 1.25V 基準(zhǔn)把全標(biāo)度輸出設(shè)定為 2.5V，如果需要一個(gè)不同的全標(biāo)度輸出，則可使用一個(gè)外部基準(zhǔn)。一個(gè)單獨(dú)的 IOVCC 引腳負(fù)責(zé)設(shè)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(zhǔn)確度指標(biāo)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(shí)間為 8μs，即可從 PWM 輸入的上升沿穩(wěn)定到終值 (在 12 位時(shí)為 1LSB) 的 0.024% 之內(nèi)。對(duì)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)換

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(yīng)用電路，其利用了 LTC2644 的另一項(xiàng)獨(dú)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(dòng)時(shí)為高阻抗 (無(wú)裕度調(diào)節(jié))，輸入端上的一個(gè)連續(xù)高電平將導(dǎo)致輸出無(wú)限期地保持其數(shù)值，而一個(gè)連續(xù)低電平則把輸出置于高阻抗?fàn)顟B(tài)。因此，在上電時(shí)可利用一個(gè) PWM 突發(fā)脈沖 (其后隨一個(gè)高電平) 對(duì)電源進(jìn)行一次修整。將 PWM 信號(hào)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(gè)連續(xù)高電平把輸出設(shè)定至全標(biāo)度，而一個(gè)連續(xù)低電平則把輸出設(shè)定至零標(biāo)度。

圖 4：裕度調(diào)節(jié)應(yīng)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(qǐng)不要絕望。LTC2645 可從脈寬調(diào)制數(shù)字輸出產(chǎn)生準(zhǔn)確、快速穩(wěn)定的模擬信號(hào)，同時(shí)保持了低組件數(shù)目和代碼簡(jiǎn)單性。