关于混合PWM / R2R DAC的改进方案

将PWM与较小的R-2R梯形图结合使用可同时改善两者。它显着降低了PWM纹波，并提高了DAC的分辨率。

在本设计思想中，一个八电阻阵列和三个输出引脚构成了一个改进的R-2R梯形图（图1）。修改是将底部2R连接 到PWM输出而不是接地。

图1   混合PWM / R-2R DAC

梯形图将V CC 分为八个切片，PWM填充了 从每个级别（0％PWM）到下一个更高级别（100％PWM）的空间。这样可以将纹波减小到八分之一，同时增加了三个额外的高阶分辨率。或者，您可以从原始PWM占空比值的顶部开始获取这三个位，将其时钟速率乘以八。您仍然可以获得8：1的纹波降低，但是增加的时钟速率会将PWM噪声进一步推入滤波器的低地，以实现更大的衰减。

模拟

我已经模拟了这种混合方法。

图2   比较/仿真电路

与传统的简单低通滤波器（图2）相比，您应该记住

R-2R梯形的输出电阻为R，并且由于我建议将阵列中的两个电阻并联以形成R（对于2R使用单独的电阻），因此10kΩ的阵列会产生5kΩ的输出电阻。这就是我在传统方法中使用的，同时使用了相同的1µF电容器。我将PWM设置为50％的占空比，因为这是最严重的纹波发生的地方。仿真结果（图3）显示了传统方法，纹波约为4mV，而第一种选择（将三个新位添加到原来的八个中）产生了493µV纹波，大约只有八分之一。第二种选择（将PWM时钟增加8，剩下总共8位）仅产生61µV，约为原始值的六十分之一。

图3   仿真结果

图4a （PWM +低通）和4b （11位混合）是复杂模拟的结果，该模拟将电压从0V缓慢地提高到5V。滤波器中的电容器故意过小，因此我们可以看到此规模的纹波。普通的R-2R梯形图会添加一个阶梯图（4b中的红色），以显示PWM如何从一个电平移动到下一个电平，甚至超出R-2R梯形的顶部直至达到5V。

图4   模拟的基本PWM DAC（fig4a，顶部）和混合DAC（fig4b，底部）的纹波。

这也可以用NCO（数字控制振荡器）技术代替PWM。NCO（向累加器添加一个值并输出进位）相对于PWM具有优势，因为它可以减少50％设置附近的纹波（通过增加转换频率），这是简单PWM最差的地方。

而且这也可以与其他任何DAC一起使用：只需将PWM / NCO /任何信号连接到最低有效位。

 

测验

现在获得一些测试结果：我正在考虑的电阻器阵列的容差为±2％，但也可以以±1％甚至±½％的精度获得，但是由于我没有这些电阻，因此我只使用了单个1％电阻。我建立TIMER1 一个的ATmega328 为16MHz为8位PWM运转，和所使用的10位ADC采取一些测量。由于PWM，R-2R和ADC均参考V CC，因此我们可以将其分解，并仅检查从ADC读取的八个电平中的每个值，并将PWM设置为0％和100％。理想情况下，一个步骤的100％输入应等于下一步骤的0％输入（任何ADC读数的警告最多可减少两个，如ATmega328 数据表的“ ADC特性”部分所述）。

这些似乎是很合理的。然后，我使用了一种绰号为“ Slow-scilloscope™”的技术，该技术利用ATmega328的功能 来安排带有计时器的AD转换，该计时器与产生PWM的计时器相同。因此，我们可以测量给定PWM周期内的纹波。图5 是带低通滤波器的传统PWM（绿色）和混合电源（黑+红）的合成图。两者都使用过小的电容器，因此我们可以看到纹波。

图5   测量的PWM和混合DAC纹波

最后，图6 是每个混合设置下非同步AD转换的（乏味）轨迹，允许纹波在结果中产生（或多或少）随机变化。这是使用一个较大的电容器以获得更实际的结果。

图6   测得的纹波，混合DAC，最终电容器值。

最后，我们已经看到，根据您的观点，PWM可以填充R-2R DAC步骤之间的空间，或者R-2R梯形图可以大幅度削减常规PWM加低通滤波器的纹波。或两者。

编辑：hfy