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一種基於PWM的更快速的DAC

發布時間：2021-03-26 來源：Dusan Ponikvar 責任編輯：wenwei

【導讀】當你需要從一個不帶數模轉換器(DAC)的微控製器輸出模擬信號時，你可以外加一個DAC芯片。但是你也可以用另一種更經濟的方法，即采用脈寬調製(PWM)輸出加低通濾波器(LPF)取其平均值的方法，該平均值等於PWM信號的占空比。

一種基於PWM的更快速的DAC

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個時鍾周期，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τ必須足夠大以平滑輸出信號UOUT，紋波?UOUT應小於一個最低有效位(LSB)。最壞的情況出現在50% 占空比時(如圖2所示)。當τ遠大於周期T時，電容的充電電流IC 和變化?UOUT可近似為：

一種基於PWM的更快速的DAC

對於一個6位的DAC，UOUT應小於 VCC/64，要求濾波器的τ=RC ≥ 16·T。

一種基於PWM的更快速的DAC

圖2：濾波輸出(藍色)的紋波應小於一個LSB

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

微控製器中的PWM模塊通常可以產生多個PWM信號。我們來考慮一下將兩個基於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。得到的信號相當於一個6位DAC，但將會比簡單版本有重大的優勢：周期T對於相同的分辨率僅為8個時鍾周期，而所需的時間常數τ是原來的八分之一，DAC的穩定時間快了8倍。這樣改進後就很容易用電阻為兩個PWM信號(PWMH、PWML)實現RC濾波器：

一種基於PWM的更快速的DAC

圖3：將兩個基於PWM的DAC輸出合到一起

輸出信號UOUT等於：

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這一技術已經在TI MSP430F5132微控製器中實現：

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圖4：基於6位(3+3)PWM的DAC的初始化和寫入代碼

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

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

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圖6：基於7位PWM的DAC的實現

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圖7：圖6電路的測量輸出結果；注意其優秀的線性度

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圖8：基於7位(3+3+1)PWM的DAC的初始化和寫入代碼

這裏的速度提升更加明顯。一個簡單的PWM DAC需要128個時鍾周期(128/32768 s^-1=3.9ms)，因此τ=32·T=125ms，穩定時間為5·125ms=625ms。圖7的穩定時間為40ms，快了16倍。使用高階的LPF濾波器也有助於縮短穩定時間。

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