從數(shù)字PWM信號獲得準(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。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€(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)字輸出引腳來產(chǎn)生一個(gè)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(gè)12位模擬信號應(yīng)具有小于1LSB的紋波，因而對于一個(gè)5kHz PWM信號需要采用一個(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，那么它就會相當(dāng)大。因此，輸出必須只驅(qū)動一個(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)，這或許會產(chǎn)生問題。

圖1：PWM至模擬轉(zhuǎn)換

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)來供電，這樣PWM信號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，且無法改善1.1秒的穩(wěn)定時(shí)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?

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(gè)上升沿上將適當(dāng)?shù)?、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;輸出在啟動時(shí)為高阻抗(無裕度調(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(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(shí)保持了低組件數(shù)目和代碼簡單性。