一文解析從數(shù)字PWM信號(hào)獲得準(zhǔn)確、快速穩(wěn)定的模擬電壓

　　PWM基本原理

　　脈寬調(diào)制（PWM）基本原理：控制方式就是對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。

　　例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于 π/n ，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是PWM波形?？梢钥闯?，各脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對(duì)于正弦的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。

　　在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可，因此在交－直－交變頻器中，PWM逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側(cè)電壓的幅值。

　　根據(jù)上述原理，在給出了正弦波頻率，幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)。按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。

　　下圖為變頻器輸出的PWM波的實(shí)時(shí)波形。

　　模擬電路PWM的實(shí)現(xiàn)電路

　　本圖為一個(gè)使用游戲手柄或者航模搖桿上的線性電位器（或線性霍爾元件）控制兩個(gè)底盤(pán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM生成電路。J1是手柄的插座，123和456分別是x，y兩個(gè)方向的電位器。U1B提供半電源電壓，U1A是電壓跟隨。x，y分量經(jīng)過(guò)合成成為控制左右輪兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓信號(hào)。在使用中，讓L=（x+1）y/（x+1.4），R=（x-1）y/（x-0.6），經(jīng)過(guò)試驗(yàn)有不錯(cuò)的效果（數(shù)字只是單位，不是電壓值）。經(jīng)過(guò)U1C和U1D組成的施密特振蕩器把電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的PWM信號(hào)，用來(lái)控制功率驅(qū)動(dòng)電路。以U1D為例，R1，R2組成有回差的施密特電路，上下門(mén)限受輸入電壓影響，C1和R3組成延時(shí)回路，如此形成振蕩的脈寬受輸入電壓控制。Q1，Q2是三極管，組成反相器，提供差分的控制信號(hào)。具體振蕩過(guò)程參見(jiàn)數(shù)字電路教材上對(duì)555振蕩器的分析。

　　從數(shù)字PWM信號(hào)獲得準(zhǔn)確、快速穩(wěn)定的模擬電壓

　　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(zhuān)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(hào)。如果模擬信號(hào)的性能要求不是太嚴(yán)格，那么這就是一種簡(jiǎn)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(kāi)銷(xiāo)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(lái)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(hào)應(yīng)具有小于1LSB的紋波，因而對(duì)于一個(gè)5kHz PWM信號(hào)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(huì)相當(dāng)大。因此，輸出必須只驅(qū)動(dòng)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(lái)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(hào)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(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。

　　PWM至模擬轉(zhuǎn)換能否得到改善

　　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(guò)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(lái)供電，這樣PWM信號(hào)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(wú)法改善1.1秒的穩(wěn)定時(shí)間，再者也沒(méi)有辦法在不使用連續(xù)PWM信號(hào)的情況下“保持”模擬值。

　　PWM至模擬轉(zhuǎn)換的改善

　　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(hào)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(wèn)題，采取的方法是直接測(cè)量輸入PWM信號(hào)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(duì)于12位版本，PWM頻率范圍為30Hz至6.25kHz.

　　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(dòng)時(shí)為高阻抗（無(wú)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(wú)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(duì)電源進(jìn)行一次修整。將PWM信號(hào)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。

　　結(jié)論

　　倘若遭遇典型PWM至模擬轉(zhuǎn)換方法的局限性，請(qǐng)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(hào)，同時(shí)保持了低組件數(shù)目和代碼簡(jiǎn)單性。