從數(shù)字PWM信號獲得準確、快速穩(wěn)定的模擬電壓

　　引言

　　脈寬調制(PWM)是從微控制器或FPGA等數(shù)字器件產生模擬電壓的一種常用方法。大多數(shù)微控制器都具有內置的專用PWM產生外設，而且其僅需幾行RTL代碼即可從FPGA產生一個PWM信號。如果模擬信號的性能要求不是太嚴格，那么這就是一種簡單和實用的方法，因為它只需要一個輸出引腳，而且與具有一個SPI或I2C接口的數(shù)模轉換器(DAC)相比，其代碼開銷是非常低。圖1示出了一款典型應用，其采用一個經濾波的數(shù)字輸出引腳來產生一個模擬電壓。

　　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，那么它就會相當大。因此，輸出必須只驅動一個高阻抗負載。PWM至模擬轉換函數(shù)的斜率(增益)由微控制器(很可能是不準確)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)中連接至電源之數(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狀態(tài)，這或許會產生問題。

　　圖1：PWM至模擬轉換

　　PWM至模擬轉換得到改善嗎?

　　圖2顯示了試圖彌補這些不足的方法。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確度，該緩沖器由一個高精度基準來供電，這樣PWM信號擺幅在地電位和一個準確的高電平之間。此電路是有用的，但缺點是組件數(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。

　　圖2：PWM至模擬轉換得到改善嗎?

　　改善了PWM至模擬轉換!

　　LTC2644和LTC2645是具有內部10ppm/°C基準的雙通道和四通道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?shù)?、10或12位代碼發(fā)送至一個高精度DAC.

　　一個內部1.25V基準把全標度輸出設定為2.5V，如果需要一個不同的全標度輸出，則可使用一個外部基準。一個單獨的IOVCC引腳負責設定數(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準確度指標是非常出色的，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。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/裕度調節(jié)應用電路，其利用了LTC2644的另一項獨特特性。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(無裕度調節(jié))，輸入端上的一個連續(xù)高電平將導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狀態(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)高電平把輸出設定至全標度，而一個連續(xù)低電平則把輸出設定至零標度。

　　圖4：裕度調節(jié)應用電路

　　結論

　　倘若遭遇典型PWM至模擬轉換方法的局限性，請不要絕望。LTC2645可從脈寬調制數(shù)字輸出產生準確、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。