來自數(shù)字PWM信號的準(zhǔn)確、快速建立模擬電壓

作者：Mark Thoren and Chad Steward

脈寬調(diào)制 （PWM） 是從微控制器或 FPGA 等數(shù)字設(shè)備生成模擬電壓的常用技術(shù)。大多數(shù)微控制器都內(nèi)置了專用的PWM生成外設(shè)，只需幾行RTL代碼即可從FPGA生成PWM信號。如果模擬信號的性能要求不太嚴(yán)格，這是一種簡單實(shí)用的技術(shù)，因?yàn)榕c具有SPI或I的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）相比，只需要一個輸出引腳，并且代碼開銷非常低2C 接口。圖1所示為一個典型應(yīng)用，其數(shù)字輸出引腳經(jīng)過濾波以產(chǎn)生模擬電壓。

圖1.PWM至模擬

您不必深入挖掘即可發(fā)現(xiàn)該計劃的無數(shù)缺陷。理想情況下，12位模擬信號的紋波應(yīng)小于1LSB，在5kHz PWM信號的情況下需要1.2Hz低通濾波器。電壓輸出的阻抗由濾波電阻決定，如果要將濾波電容保持在合理的尺寸，濾波電阻可能會很大。因此，輸出必須僅驅(qū)動高阻抗負(fù)載。PWM至模擬傳遞函數(shù)的斜率（增益）由微控制器的數(shù)字電源電壓（可能不準(zhǔn)確）決定。一個更微妙的影響是，數(shù)字輸出引腳在高電平狀態(tài)下對電源的有效電阻與低電平狀態(tài)下的接地電阻之間的不匹配必須小于濾波電阻的值，以保持線性度。最后，PWM信號必須是連續(xù)的，以便將輸出電壓保持在恒定值，如果處理器要進(jìn)入低功耗關(guān)斷狀態(tài)，這可能會帶來問題。

PWM到模擬的改進(jìn)？

圖 2 顯示了彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)的嘗試。一個輸出緩沖器允許使用一個高阻抗濾波電阻，同時提供低阻抗模擬輸出。通過使用外部CMOS緩沖器，增益精度得到改善，該緩沖器由精密基準(zhǔn)供電，使得PWM信號在地和精確的高電平之間擺動。該電路是可以維修的，但元件數(shù)量很多，沒有辦法改善1.1秒的建立時間，也沒有辦法在沒有連續(xù)PWM信號的情況下“保持”模擬值。

圖2.改進(jìn)了 PWM 到模擬？

改進(jìn)的PWM到模擬！

LTC?2644 和 LTC2645 是雙通道和四通道 PWM至電壓輸出 DAC，具有內(nèi)部 10ppm/°C 基準(zhǔn)，可利用數(shù)字 PWM 信號提供真正的 8、10 位或 12 位性能。LTC2644 和 LTC2645 通過直接測量輸入 PWM 信號的占空比并在每個上升沿向精準(zhǔn) DAC 發(fā)送適當(dāng)?shù)?8、10 位或 12 位代碼來克服這些問題。

一個內(nèi)部 1.25V 基準(zhǔn)將滿量程輸出設(shè)置為 2.5V，如果需要不同的滿量程輸出，則可以使用一個外部基準(zhǔn)。單獨(dú)的車聯(lián)網(wǎng)抄送引腳設(shè)置數(shù)字輸入電平，允許直接連接到 1.8V FPGA、5V 微控制器或介于兩者之間的任何電壓。直流精度規(guī)格非常出色，具有 5mV 失調(diào)、0.8% 最大增益誤差和 2.5LSB（12 位）最大 INL。輸出建立時間為從PWM輸入上升沿到最終值的0.024%以內(nèi)（12位時為1LSB）的8μs。對于 12 位版本，PWM 頻率范圍為 30Hz 至 6.25kHz。

多種輸出模式

圖 4 示出了利用 LTC2644 的另一個獨(dú)特特性的典型電源微調(diào) / 裕量調(diào)節(jié)應(yīng)用。綁定 IDLSEL 高電平選擇“采樣/保持”操作;輸出在啟動時為高阻抗（無裕量），輸入上的連續(xù)高電平使輸出無限期地保持其值，連續(xù)低電平使輸出進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)。因此，電源可以在上電時修整一次，然后是PWM突發(fā)，然后是高電平。將PWM信號拉低允許電路干凈地退出裕量調(diào)節(jié)操作。將 IDLSEL 綁定到 GND 會選擇“透明模式”，在該模式下，輸入上的連續(xù)高電平將輸出設(shè)置為滿量程，連續(xù)低電平將輸出設(shè)置為零電平。

圖3.4通道PWM轉(zhuǎn)模擬

圖4.保證金申請

結(jié)論

如果您面對典型PWM到模擬技術(shù)的局限性，請不要絕望。LTC2645 使得能夠從脈寬調(diào)制數(shù)字輸出產(chǎn)生準(zhǔn)確、快速建立的模擬信號，同時保持低器件數(shù)量和代碼簡單性。

審核編輯：郭婷