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(gè)時(shí)鐘周期，UOUT將會(huì )是64個(gè)離散DC值之一。(0 到 63，6位分辨率。)

 

RC低通濾波器的時(shí)間常數τ必須足夠大以平滑輸出信號UOUT，紋波?UOUT應小于一個(gè)最低有效位(LSB)。最壞的情況出現在50% 占空比時(shí)(如圖2所示)。當τ遠大于周期T時(shí)，電容的充電電流IC 和變化?UOUT可近似為：

 

 

對于一個(gè)6位的DAC，UOUT應小于 VCC/64，要求濾波器的τ=RC ≥ 16·T。

 

圖2：濾波輸出(藍色)的紋波應小于一個(gè)LSB

 

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

 

微控制器中的PWM模塊通?？梢援a(chǎn)生多個(gè)PWM信號。我們來(lái)考慮一下將兩個(gè)基于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。得到的信號相當于一個(gè)6位DAC，但將會(huì )比簡(jiǎn)單版本有重大的優(yōu)勢：周期T對于相同的分辨率僅為8個(gè)時(shí)鐘周期，而所需的時(shí)間常數τ是原來(lái)的八分之一，DAC的穩定時(shí)間快了8倍。這樣改進(jìn)后就很容易用電阻為兩個(gè)PWM信號(PWMH、PWML)實(shí)現RC濾波器：

 

圖3：將兩個(gè)基于PWM的DAC輸出合到一起

 

輸出信號UOUT等于：

 

 

這一技術(shù)已經(jīng)在TI MSP430F5132微控制器中實(shí)現：

 

圖4：基于6位(3+3)PWM的DAC的初始化和寫(xiě)入代碼

 

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

 

7位DAC可以用1%精度的電阻實(shí)現。這次，兩個(gè)PWM信號用來(lái)產(chǎn)生兩個(gè)3位DAC，最終實(shí)現6位的效果，MSb只用P3.7引腳來(lái)設置為0或1。

 

圖6：基于7位PWM的DAC的實(shí)現

 

圖7：圖6電路的測量輸出結果；注意其優(yōu)秀的線(xiàn)性度

 

圖8：基于7位(3+3+1)PWM的DAC的初始化和寫(xiě)入代碼

 

這里的速度提升更加明顯。一個(gè)簡(jiǎn)單的PWM DAC需要128個(gè)時(shí)鐘周期(128/32768 s^-1=3.9ms)，因此τ=32·T=125ms，穩定時(shí)間為5·125ms=625ms。圖7的穩定時(shí)間為40ms，快了16倍。使用高階的LPF濾波器也有助于縮短穩定時(shí)間。

 

 

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