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PWM + R2R DAC,這個(gè)組合用好了性能驚人!

發(fā)布時(shí)間:2017-11-28 來源:Jim Brannan 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】將PWM與一個(gè)小型R-2R梯形DAC相結(jié)合,既可大大減小PWM紋波,又能增加DAC分辨率,從而提高兩方面的性能。本設(shè)計(jì)實(shí)例利用一個(gè)8電阻陣列和3個(gè)輸出引腳對R-2R梯形DAC進(jìn)行修改重構(gòu),修改的目的是將底部2R連接到PWM輸出而不是將其接地。
 
將PWM和小型R-2R梯形DAC相結(jié)合可同時(shí)提高雙方的性能,它能顯著減小PWM紋波,還能提高數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的分辨率。
 
本設(shè)計(jì)實(shí)例利用一個(gè)八電阻陣列和三個(gè)引腳,將底部的2R從連接到地改為連接到PWM輸出,對R-2R梯形DAC進(jìn)行了重構(gòu)(圖1)。
 
PWM + R2R DAC,這個(gè)組合用好了性能驚人!
圖1:混合式PWM/R-2R DAC。
 
在梯形結(jié)構(gòu)中,VCC分為8段,每一級(0% PWM)到相鄰更高級(100% PWM)的空隙由PWM填充。這種方法可以將紋波減小到1/8,同時(shí)分辨率也會(huì)增加額外3個(gè)高階比特?;蛘吣阋部梢詮脑糚WM占空比值的頂部拿走這3個(gè)比特,然后將其時(shí)鐘速率乘以8。這樣仍能實(shí)現(xiàn)8:1的紋波減小,但時(shí)鐘速率的增加會(huì)將PWM噪聲進(jìn)一步壓到濾波器的底部,得到更大的衰減。
 
仿真
 
我對這種混合方法進(jìn)行了仿真。
 
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圖2:比較/仿真電路。
 
要與傳統(tǒng)的簡單低通濾波器(圖2)進(jìn)行比較,你應(yīng)記得R-2R梯形結(jié)構(gòu)的輸出電阻是R,因?yàn)槲医ㄗh將陣列中的兩個(gè)電阻并聯(lián)起來形成R(單個(gè)電阻是2R),一個(gè)10kΩ的陣列產(chǎn)生5kΩ的輸出電阻。這就是我在傳統(tǒng)方法中使用的電路,其中的1µF電容是相同的。我將PWM設(shè)為50%的占空比,因?yàn)檫@時(shí)會(huì)產(chǎn)生最差的紋波。仿真結(jié)果(圖3)顯示傳統(tǒng)方法有約4mV的波紋,而第一種方法(在原8比特基礎(chǔ)上增加3個(gè)新的比特)生成的紋波是493µV,相當(dāng)于傳統(tǒng)方法的1/8。第二種方法(將PWM時(shí)鐘提高8倍,總比特?cái)?shù)仍然是8)產(chǎn)生的紋波僅61µV,大約是原始紋波的1/65。
 
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圖3:仿真結(jié)果。
 
圖4a(PWM+低通)和圖4b(11位混合)是將電壓從0V緩慢地一步步調(diào)到5V的復(fù)雜仿真結(jié)果。濾波器中的電容特意選用了很小的值,以便我們能看清這種情況下的紋波。在正常的R-2R梯形中增加一個(gè)階梯狀圖形(圖4b中的紅色),以便顯示PWM是如何從一級移動(dòng)到下一級,甚至越過R-2R梯形頂部直到5V。
 
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圖4:仿真得到的基本PWM DAC(圖4a,上)和混合DAC(圖4b,下)的紋波。
 
用數(shù)字控制振蕩器(NCO)技術(shù)代替PWM也一樣可行。數(shù)控振蕩器(增加一個(gè)值到累加器并輸出進(jìn)位)比PWM更有優(yōu)勢,因?yàn)樗梢詼p小50%設(shè)置點(diǎn)附近的紋波(通過增加轉(zhuǎn)換頻率),這是簡單PWM表現(xiàn)最差的地方。
 
用任何其它的DAC也行得通:只需將PWM/NCO/任何信號連接到最低有效位。
 
測試
 
下面是一些測試結(jié)果:我本來打算使用容差是±2%的電阻陣列,±1%甚至±½%的電阻陣列也找得到,不過我手頭沒有,所以我就用單個(gè)精度為1%的電阻。我將運(yùn)行于16MHz的ATmega328處理器的定時(shí)器timer1設(shè)定為給8位PWM使用,并使用10位ADC開展測量。由于PWM、R-2R和ADC參考的都是VCC,我們可以忽略這個(gè)因素,針對8級中的每一級只檢查從ADC讀取的值,PWM則設(shè)為0%和100%。理想情況下,第一步的100%輸入對下一步應(yīng)該沒有任何影響。
 
PWM + R2R DAC,這個(gè)組合用好了性能驚人!
 
這些值看起來非常合理。然后我使用了一種技術(shù),借助ATmega328的功能,使用與生成PWM相同的定時(shí)器來設(shè)定模數(shù)轉(zhuǎn)換,我把這種技術(shù)稱之為“Slow-scilloscope”。這樣我們就可以測量給定PWM周期內(nèi)的紋波。圖5是帶低通濾波器的傳統(tǒng)PWM(綠色)和混合(黑色+紅色)的合成圖。這兩種方案都使用了非常小的電容,以便能看清紋波。
 
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圖5:測量得到的PWM和混合式DAC的紋波。
 
圖6顯示了在每種混合設(shè)置下的非同步模數(shù)轉(zhuǎn)換的曲線,允許結(jié)果中的紋波作出(或多或少)隨機(jī)的變化。這次使用了一個(gè)較大的電容以便獲得更加真實(shí)的結(jié)果。
 
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圖6:測量得到的混合數(shù)模轉(zhuǎn)換器紋波,電容為最終值。
 
總之,我們已經(jīng)看到,PWM可以填充R-2R DAC階躍之間的空隙,R-2R梯形結(jié)構(gòu)可以顯著減小通常由PWM加上低通濾波器產(chǎn)生的紋波,或者兩者兼有。
 
本文原文刊登在EDN美國網(wǎng)站,參考鏈接 Hybrid PWM/R2R DAC improves on both。
 
本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
 
 
 
 
 
 
 
 
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