如何用最少的资源抑制输出信号中的纹波？

　　控制文章是因为在设计中的PWM输出电压电压是通过一种简单、简单、易组合的方式组成的。大多数MCU不带DAC，FPGA输出方式更能通过使用一个内部管脚通过PWM方式用于外围的低通滤波器重构DAC。由于组合方式不同，PWM的频率和频率的平衡关系，以及RC，RC输出信号中选择不同的不同，如何用最少的资源最大程度地抑制输出信号中的纹波？

　　这篇文章介绍了一种方法。

　　译文如下：

　　PWM DAC的纹波抑制电路。

　　如果我们正在使用模拟信号，如果我们正在使用双极性信号，我们将需要一个模拟电平来设置偏移量，或者我们可能需要一个模拟电平来设置阈值，这是很常见的。在这些情况下，理论表明我们将需要一个数模转换器或 DAC。DAC 是集成电路，可根据我们从 FPGA 或 DSP 等数字 IC 发送的数字值输出模拟电压。市场上有很多类型的 DAC，根据我们需要的速度，或者模拟值所需的精度，我们会选择适合我们所有要求的正确 DAC。

　　如果我们可以获得的模拟信号是低频信号或直流信号，我们可以使用的最便宜的方法来自通信领域，并且基于调制信号以便从数字信号中获得， 一个模拟信号。我们将使用的调制称为脉冲宽度调制 （PWM）。

　　当我们调制信号时，我们会在原始信号中添加大量谐波。在下一个频谱中，我们可以看到使用 PWM 调制 50Hz 信号和 2000Hz 方波信号时的谐波。

 

 

　　为了获得FPGA产生的PWM信号的直流电平，我们通常会使用一个RC滤波电路。该电路仅由两个组件构成，一个电阻器和一个电容器。该电路是一阶滤波器，因此我们知道，衰减仅为 20dB/dec。在PWM频率远高于截止频率的情况下，PWM产生的所有谐波都会被衰减，只剩下低频信号，显然是直流电平。如果 PWM 信号的频率接近滤波器的截止频率，PWM 的谐波将通过滤波器到达输出端，在输出信号中产生纹波。随着 PWM 信号的频率相对于截止频率增加，纹波的峰峰值比将降低。

 

 

　　在这一点上，解决方案很简单，我们只有两种不同的解决方案。第一个是将 PWM 频率提高到滤波器的截止频率以上数十倍，但这还有另一个问题，即分辨率。我将在下图中向您展示。

 

 

　　如果我们希望有n位的分辨率，斜坡的计数的总量用来产生PWM信号将至少有2 ^ n个点。有了这些数据，我们可以得到PWM frecuency为2 ^ N时的时钟的周期用于产生斜坡。如果我们需要增加PWM信号的周期，我们有两个选择，第一个，提高时钟频率，这是不可能在许多情况下，因为时钟将是所有区域相同的情况下，我们使用的是FPGA，以及第二个，减少计数的，该斜坡具有以完成其对应与分辨率的损失量。

　　由于在许多情况下增加 PWM 频率似乎不是一个好的选择，为了提高产生的直流信号的质量，我们可以设计 RC 滤波器，以尽可能多地降低截止频率，确保感兴趣的频带没有衰减。这个选项在很多情况下会很有趣，但是会降低滤波器的截止频率，也会增加建立时间，而且这个障碍会导致我们正在生成的偏移量的变化会延迟，所以信号可以是剪辑。

　　为了克服这些限制，EDN 网页发布了一个非常有趣的解决方案。该解决方案基于添加与原始信号相反的第二个 PWM 信号，并将该信号通过高通滤波器。然后，将添加新信号和原始信号并使用低通滤波器进行滤波。想法是将纹波的倒数添加到滤波后的信号中，以减少输出信号中的纹波。

 

 

　　为了测试这个解决方案，我设计了一个产生 2 kHz PWM 信号的 PWM 模块。在顶部模块中连接了 2 个不同的 PWM 信号，一个是模块的输出信号，另一个是取反。使用双输出，如果可以的话，我们可以节省逆变器。在我们无法将 PWM 输出加倍的情况下，我们可以使用非门，或者在普通发射极模式下使用 BJT 晶体管来否定输出。

　　在第一个测试中，RC 滤波器配置为 835 Hz 的截止频率。蓝色信号是仅使用低通滤波器过滤的 PWM。蓝色信号是同时连接高通滤波器时的输出。高通滤波器的值设计为低通的一半频率，即 417 Hz。我们可以看到纹波的幅度显着降低。

 

 

　　在第二个测试中，我更改了 RC 滤波器的值，将截止频率配置为 417Hz，与高通滤波器的频率相同。在这种情况下，我们可以看到，当我们只使用低通滤波器时，纹波会减少，这是我们必须预料到的，因为我们会更努力地衰减高频谐波。当连接高通支路时，我们可以看到纹波是如何减少的。这是我得到的最好的案例。

 

 

　　如果我将高通滤波器的频率设置为高于低通，则高通支路连接时的纹波会显着增加，因此电路无法正常工作。

　　关于建立时间，在下图中，我比较了添加纹波抑制分支的 417Hz 配置和不使用纹波抑制的 208Hz 配置的输出。我们可以看到，通过使用该解决方案，我们可以实现具有较小纹波幅度的快速响应。

 

 

　　添加到电路中的组件以及 BOM 成本的增加使得这种方法对于我们必须生成直流信号的许多项目非常有趣。此外，如果我们使用可以产生 PWM 信号并将其取反的设备，我们可以节省逆变器，因此多使用 2 个组件，结果是值得的。但这种方法有其局限性。生成直流信号效果很好，在某些情况下，我们需要突然改变，我们不能允许大的延迟，但如果我们需要的信号是正弦信号，我的选择将始终是 DAC，甚至是便宜的一。与往常一样，我向您展示了一个工具，作为工程师的您必须决定该工具在哪里有用。