一文解析從數(shù)字PWM信號獲得準(zhǔn)確、快速穩(wěn)定的模擬電壓

PWM基本原理

脈寬調(diào)制(PWM)基本原理：控制方式就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。

例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于 π/n ，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積(即沖量)相等，就得到一組脈沖序列，這就是PWM波形?？梢钥闯觯髅}沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。

在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可，因此在交-直-交變頻器中，PWM逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側(cè)電壓的幅值。

根據(jù)上述原理，在給出了正弦波頻率，幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計算出來。按照計算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。

下圖為變頻器輸出的PWM波的實(shí)時波形。

模擬電路PWM的實(shí)現(xiàn)電路

本圖為一個使用游戲手柄或者航模搖桿上的線性電位器(或線性霍爾元件)控制兩個底盤驅(qū)動電機(jī)的PWM生成電路。J1是手柄的插座，123和456分別是x，y兩個方向的電位器。U1B提供半電源電壓，U1A是電壓跟隨。x，y分量經(jīng)過合成成為控制左右輪兩個電機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓信號。在使用中，讓L=(x+1)y/(x+1.4)，R=(x-1)y/(x-0.6)，經(jīng)過試驗(yàn)有不錯的效果(數(shù)字只是單位，不是電壓值)。經(jīng)過U1C和U1D組成的施密特振蕩器把電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的PWM信號，用來控制功率驅(qū)動電路。以U1D為例，R1，R2組成有回差的施密特電路，上下門限受輸入電壓影響，C1和R3組成延時回路，如此形成振蕩的脈寬受輸入電壓控制。Q1，Q2是三極管，組成反相器，提供差分的控制信號。具體振蕩過程參見數(shù)字電路教材上對555振蕩器的分析。

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

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PWM信號。如果模擬信號的性能要求不是太嚴(yán)格，那么這就是一種簡單和實(shí)用的方法，因?yàn)樗恍枰粋€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(yīng)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。

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(yīng)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(dāng)大。因此，輸出必須只驅(qū)動一個高阻抗負(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?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，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(jī)狀態(tài)，這或許會產(chǎn)生問題。

PWM至模擬轉(zhuǎn)換能否得到改善

圖2顯示了試圖彌補(bǔ)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(zhǔn)確度，該緩沖器由一個高精度基準(zhǔn)來供電，這樣PWM信號擺幅在地電位和一個準(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。

PWM至模擬轉(zhuǎn)換的改善

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(dāng)?shù)?、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(zhǔn)把全標(biāo)度輸出設(shè)定為2.5V，如果需要一個不同的全標(biāo)度輸出，則可使用一個外部基準(zhǔn)。一個單獨(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.

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(dǎo)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?fàn)顟B(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(jìn)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(shè)定至全標(biāo)度，而一個連續(xù)低電平則把輸出設(shè)定至零標(biāo)度。

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(zhǔn)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。