一個簡單的PWM DAC設(shè)計方案詳解

當(dāng)你需要從一個不帶數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的微控制器輸出模擬信號時，你可以外加一個DAC芯片。但是你也可以用另一種更經(jīng)濟的方法，即采用脈寬調(diào)制(PWM)輸出加低通濾波器(LPF)取其平均值的方法，該平均值等于PWM信號的占空比。

圖1：用RC低通濾波器得到PWM信號的平均值

RC低通濾波器濾除掉非直流信號，得到的便是平均信號UOUT。如果PWM信號的周期T為63個時鐘周期，UOUT將會是64個離散DC值之一。(0 到 63，6位分辨率。)

RC低通濾波器的時間常數(shù)τ必須足夠大以平滑輸出信號UOUT，紋波?UOUT應(yīng)小于一個最低有效位(LSB)。最壞的情況出現(xiàn)在50% 占空比時(如圖2所示)。當(dāng)τ遠大于周期T時，電容的充電電流IC 和變化?UOUT可近似為：

對于一個6位的DAC，UOUT應(yīng)小于 VCC/64，要求濾波器的τ=RC ≥ 16·T。

圖2：濾波輸出(藍色)的紋波應(yīng)小于一個LSB

一些實用數(shù)據(jù)：低功耗微處理器常使用一個32768Hz晶體振蕩器作為PWM模塊的時鐘信號。如果是6位PWM，則周期T為64/32768≈2ms，因此需要32ms的時間常數(shù)，也就是要等待5τ(160ms)來使6位轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定。非常慢。本設(shè)計實例將展現(xiàn)你如何才能加速完成信號的轉(zhuǎn)換。

微控制器中的PWM模塊通常可以產(chǎn)生多個PWM信號。我們來考慮一下將兩個基于PWM的3位DAC(DACH和DACL)的輸出求和，求和前DACL輸出的幅度被減小到了八分之一。得到的信號相當(dāng)于一個6位DAC，但將會比簡單版本有重大的優(yōu)勢：周期T對于相同的分辨率僅為8個時鐘周期，而所需的時間常數(shù)τ是原來的八分之一，DAC的穩(wěn)定時間快了8倍。這樣改進后就很容易用電阻為兩個PWM信號(PWMH、PWML)實現(xiàn)RC濾波器：

圖3：將兩個基于PWM的DAC輸出合到一起

輸出信號UOUT等于：

這一技術(shù)已經(jīng)在TI MSP430F5132微控制器中實現(xiàn)：

圖4：基于6位(3+3)PWM的DAC的初始化和寫入代碼

圖5：基于6位PWM的DAC測量輸出；藍線：圖1方案(穩(wěn)定時間160ms)；紫線：圖3方案(穩(wěn)定時間20ms)。

7位DAC可以用1%精度的電阻實現(xiàn)。這次，兩個PWM信號用來產(chǎn)生兩個3位DAC，最終實現(xiàn)6位的效果，MSb只用P3.7引腳來設(shè)置為0或1。

圖6：基于7位PWM的DAC的實現(xiàn)

圖7：圖6電路的測量輸出結(jié)果；注意其優(yōu)秀的線性度

圖8：基于7位(3+3+1)PWM的DAC的初始化和寫入代碼

這里的速度提升更加明顯。一個簡單的PWM DAC需要128個時鐘周期(128/32768 s-1=3.9ms)，因此τ=32·T=125ms，穩(wěn)定時間為5·125ms=625ms。圖7的穩(wěn)定時間為40ms，快了16倍。使用高階的LPF濾波器也有助于縮短穩(wěn)定時間。
編輯：hfy