技術(shù)分享：國(guó)產(chǎn)工業(yè)級(jí)HMI芯片Model系列PWM-DAC實(shí)現(xiàn)指南

Model系列芯片目前已經(jīng)在智能家居、工業(yè)HMI、工業(yè)串口屏、智能儀表、充電樁等各個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，也得到了客戶的一眾好評(píng)。在應(yīng)用的過(guò)程中，我們也發(fā)現(xiàn)了很多小伙伴對(duì)Model系列PWM調(diào)試方面存在一些問(wèn)題，因此，本期我們將深入探討PWM-DAC原理及實(shí)現(xiàn)方法，希望通過(guò)本期內(nèi)容帶給大家一些啟發(fā)。

一、整體方案概述

二、PWM→DAC原理分析

圖2中的周期為T(mén)，占空比為p的PWM波按照傅里葉級(jí)數(shù)（Foerioe series）展開(kāi)為：

關(guān)注t>0的部分，即：

實(shí)現(xiàn)可調(diào)的DAC需要兩個(gè)步驟，其一是根據(jù)輸出電壓需要及PWM波傅里葉級(jí)數(shù)的直流分量“Kp”確定MCU輸出PWM波的占空比p。其二是設(shè)計(jì)RC低通濾波器將PWM波傅里葉級(jí)數(shù)的諧波分量濾除掉，即可得電壓值為“Kp”的輸出。

三、低通濾波器（RC）

（一）DAC輸出電壓分辨率、濾波器衰減系數(shù)的確定

DAC電壓輸出可分為靜態(tài)輸出和動(dòng)態(tài)輸出，下面分別介紹。在靜態(tài)輸出是指輸出不隨時(shí)間變化的恒定電壓。靜態(tài)輸出評(píng)價(jià)指標(biāo)輸出分辨率（8位、12位）和輸出穩(wěn)定性。其中輸出分辨率越高輸出精度越高。低通濾波器對(duì)PWM波的諧波分量的抑制效果對(duì)電壓輸出的穩(wěn)定性起著決定性的作用。一般而言，抑制效果越好，輸出電壓越穩(wěn)定。通常根據(jù)一次諧波對(duì)輸出電壓的影響不要超過(guò)最低位的精度，來(lái)確定低通濾波器對(duì)一次諧波的衰減系數(shù)（dB）。

動(dòng)態(tài)輸出是指輸出電壓需要隨時(shí)間變化的輸出形式。動(dòng)態(tài)輸出的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括輸出分辨率、輸出穩(wěn)定性和低通濾波器的階躍響應(yīng)時(shí)間（暫態(tài)響應(yīng)）。

一般情況下，微處理器的系統(tǒng)時(shí)鐘周期是一定的。在輸出穩(wěn)定性一定的情況下，階躍響應(yīng)時(shí)間與輸出電壓分辨率呈現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。即輸出分辨率越高，一階諧波分量的周期越長(zhǎng)，要想維持輸出穩(wěn)定性需要的低通濾波器的RC值越大。而RC值越大，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)輸出效果越差。

在輸出分辨率（PWM波的周期）一定的情況下，階躍響應(yīng)時(shí)間與輸出穩(wěn)定性呈現(xiàn)反比關(guān)系，當(dāng)輸出穩(wěn)定性越高，即低通濾波器對(duì)PWM波一次諧波有越強(qiáng)的衰減特性，采用RC濾波器，此時(shí)，RC值越大。而RC值越大，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)輸出效果越差。

一般策略：

一般實(shí)在保證階躍響應(yīng)時(shí)間的同時(shí)，使得電壓輸出的分辨率盡可能高。確定輸出分辨率、衰減系數(shù)（dB）具體流程如圖4所示。在輸出分辨率（PWM波的周期，從分辨率由高到低進(jìn)行嘗試）一定的情況下，根據(jù)一次諧波對(duì)輸出電壓的影響不要超過(guò)最低位的精度，來(lái)確定衰減系數(shù)（dB）（輸出穩(wěn)定性），進(jìn)而確定低通濾波器的RC值，也即階躍響應(yīng)時(shí)間。如果階躍時(shí)間不滿足應(yīng)用需要，對(duì)分辨率進(jìn)行減一操作，重復(fù)上述操作，直至階躍響應(yīng)時(shí)間滿足應(yīng)用需要。

本文采用PWM波的頻率為500Hz（T=2ms），其一次諧波頻率為500Hz。DAC在8位分辨條件下，要求一次諧波對(duì)輸出電壓的影響不要超過(guò)1個(gè)位的精度，來(lái)確定低通濾波器的衰減系數(shù)（dB）。

一個(gè)位的精度：K/256=0.0195V，一次諧波的最大賦值（p=0.5）:2K/π。低通濾波器的衰減系數(shù)：

也就是要求RC濾波電路至少在一次諧波處，即500Hz處提供-44.25(dB)的衰減。此處設(shè)計(jì)低通濾波器主要考慮兩個(gè)方面，其一是要在500Hz處實(shí)現(xiàn)-44.25（dB），這里為了方便，取-40（dB）（衰減到輸入的1/100）。這往往可以通過(guò)增加RC的乘積來(lái)實(shí)現(xiàn)，但較大的RC，意味著較長(zhǎng)的穩(wěn)態(tài)時(shí)間（0%→90%），影響系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)。此處低通濾波器的設(shè)計(jì)原則：在保證在500Hz實(shí)現(xiàn)-40（dB）的條件下，盡量減少RC的乘積。

（二）RC一階低通濾波器

RC一階低通濾波器：

（三）二階RC低通濾波器

本文中所用的低通濾波器采用的是二階RC低通濾波器，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

（四）驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

為了提高DAC驅(qū)動(dòng)能力（輸出電流能力），將二階RC低通濾波器的輸出接到運(yùn)放設(shè)計(jì)的電壓跟隨器上。

以上就是對(duì)PWM-DAC技術(shù)的詳細(xì)分享，希望能對(duì)大家有所幫助。