脈寬調制 (PWM) 是從微控制器或 FPGA 等數字器件產(chǎn)生模擬電壓的一種常用方法。大多數微控制器都具有內置的專(zhuān)用 PWM 產(chǎn)生外設，而且其僅需幾行 RTL 代碼即可從 FPGA 產(chǎn)生一個(gè) 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(jiǎn)單和實(shí)用的方法，因為它只需要一個(gè)輸出引腳，而且與具有一個(gè)SPI 或 I2C 接口的數模轉換器 (DAC) 相比，其代碼開(kāi)銷(xiāo)是非常低。圖 1 示出了一款典型應用，其采用一個(gè)經(jīng)濾波的數字輸出引腳來(lái)產(chǎn)生一個(gè)模擬電壓。

圖 1：PWM 至模擬轉換

 

該方案的諸多不足之處您不必深究就能發(fā)現。理想情況下，一個(gè) 12 位模擬信號應具有小于 1LSB 的紋波，因而對于一個(gè) 5kHz PWM 信號需要采用一個(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 )相當大。因此，輸出必須只驅動(dòng)一個(gè)高阻抗負載。PWM 至模擬轉換函數的斜率 (增益) 由微控制器 (很可能是不準確) 的數字電源電壓來(lái)決定。一個(gè)更微妙的影響是：為了保持線(xiàn)性度，在高態(tài)中連接至電源之數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信號必須是連續的，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狀態(tài)，這或許會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題。

 

 

圖 2 顯示了試圖彌補這些不足的方法。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確度，該緩沖器由一個(gè)高精度基準來(lái)供電，這樣 PWM 信號擺幅在地電位和一個(gè)準確的高電平之間。此電路是有用的，但缺點(diǎn)是組件數量多，且無(wú)法改善 1.1 秒的穩定時(shí)間，再者也沒(méi)有辦法在不使用連續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?

 

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(wèn)題，采取的方法是直接測量輸入 PWM 信號的占空比，并在每個(gè)上升沿上將適當的 8、10 或 12 位代碼發(fā)送至一個(gè)高精度 DAC。

 

一個(gè)內部 1.25V 基準把全標度輸出設定為 2.5V，如果需要一個(gè)不同的全標度輸出，則可使用一個(gè)外部基準。一個(gè)單獨的 IOVCC 引腳負責設定數字輸入電平，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。輸出穩定時(shí)間為 8μs，即可從 PWM 輸入的上升沿穩定到終值 (在 12 位時(shí)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

 

 

圖 4 示出了一款典型的電源修整 / 裕度調節應用電路，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(dòng)時(shí)為高阻抗 (無(wú)裕度調節)，輸入端上的一個(gè)連續高電平將導致輸出無(wú)限期地保持其數值，而一個(gè)連續低電平則把輸出置于高阻抗狀態(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) 對電源進(jìn)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)連續高電平把輸出設定至全標度，而一個(gè)連續低電平則把輸出設定至零標度。

圖 4：裕度調節應用電路

 

 

倘若遭遇典型 PWM 至模擬轉換方法的局限性，請不要絕望。LTC2645 可從脈寬調制數字輸出產(chǎn)生準確、快速穩定的模擬信號，同時(shí)保持了低組件數目和代碼簡(jiǎn)單性。