Mark Thoren and Chad Steward, Linear Technology
Design Note 538
Введение
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) является распространенным методом формирования аналоговых напряжений с помощью цифровых устройств, таких, например, как микроконтроллеры или ПЛИС. В большинстве микроконтроллеров имеются специализированные периферийные блоки, предназначенные для формирования ШИМ, а для генерации сигналов ШИМ средствами ПЛИС достаточно написать лишь несколько строк RTL-кода. Эта технология исключительно проста и практична в случаях, когда требования к параметрам аналоговых сигналов не слишком строги, поскольку для ее реализации требуется всего один выход микросхемы, а количество необходимых строк программного кода, несоизмеримо меньше того, что потребовалось бы в случае использования цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) с интерфейсом SPI или I2C. На Рисунке 1 приведен типичный пример приложения с цифровым выводом, выходной сигнал которого превращается в аналоговое напряжение с помощью фильтра.
 |
|
| Рисунок 1. | Простейший преобразователь ШИМ-аналог. |
Не нужно копать очень глубоко, чтобы обнаружить бесчисленные недостатки этой схемы. 12-битный аналоговый сигнал в идеале должен иметь пульсации менее величины младшего значащего разряда, что в случае, если частота ШИМ будет равна 5 кГц, потребует фильтра нижних частот с частотой среза 1.2 Гц. Импеданс выхода аналогового напряжения, определяемый сопротивлением резистора фильтра, из-за необходимости сохранения приемлемых габаритов конденсатора может оказаться слишком большим. Таким образом, выход может работать только на высокоомную нагрузку. Наклон характеристики преобразования ШИМ в аналоговый сигнал зависит от напряжения питания микроконтроллера, возможно, неточного. Более тонкий эффект обусловлен несовпадением эффективных выходных сопротивлений цифрового вывода в противоположных логических состояниях, которые для сохранения необходимой линейности должны быть значительно меньше, чем сопротивление резистора фильтра. И, наконец, для того, чтобы выходное напряжение оставалось постоянным, сигнал ШИМ должен быть непрерывным, что может оказаться проблематичным, если потребуется перевести процессор в режим останова с низким потреблением мощности.
Этот преобразователь ШИМ-аналог лучше?
Рисунок 2 иллюстрирует попытку исправить эти недостатки. Благодаря выходному буферу появилась возможность использования в фильтре высокоомных резисторов при сохранении низкого импеданса аналогового выхода. За счет использования внешнего КМОП буфера, получающего питание от прецизионного опорного источника, повысилась точность коэффициента передачи, так как границами изменения сигнала ШИМ теперь стали земля и точное положительное напряжение. Эта схема, безусловно, работоспособна, однако требует большого количества компонентов, не позволяет сделать время установления лучше, чем 1.1 с, и не содержит никаких механизмов, с помощью которых было бы возможно «удерживать» аналоговое напряжение при отключенном сигнале ШИМ.
 |
|
| Рисунок 2. | Усовершенствованный преобразователь ШИМ-аналог. |
Усовершенствованный преобразователь ШИМ-аналог
Микросхемы LTC2644 и LTC2645 представляют собой сдвоенный и счетверенный преобразователи ШИМ-напряжение на основе ЦАП, содержащие внутренний источник опорного напряжения со стабильностью 10 ppm/°C и обеспечивающие 8-, 10- или 12-разрядную точность преобразования сигналов ШИМ. LTC2644 и LTC2645 снимают все перечисленные проблемы прямым измерением коэффициента заполнения входного сигнала ШИМ и отправкой соответствующего 8-, 10- или 12-разрядного кода на высокоточный ЦАП по каждому нарастающему фронту (Рисунок 3).
 |
|
| Рисунок 3. | 4-канальный преобразователь ШИМ-аналог. |
Внутренний источник опорного напряжения 1.25 В определяет полную шкалу выходных напряжений 2.5 В. Иное значение напряжения полной шкалы можно получить, используя внешний источник опорного напряжения. Для установки уровня входного цифрового сигнала используется отдельный вывод IOVCC, позволяющий напрямую подключать к микросхемам как ПЛИС с напряжением питания 1.8 В, так и 5-вольтовые микроконтроллеры, а также устройства с любым другим напряжением питания, лежащим внутри этого диапазона. В техническом описании гарантируются отличные точностные характеристики:
- напряжение смещения 5 мВ,
- максимальная ошибка усиления 0.8%,
- максимальная интегральная нелинейность 2.5 единицы младшего разряда (12 бит).
Время установления, отсчитанное от переднего фронта входного сигнала ШИМ до момента, когда уровень выходного напряжения достигает точности 0.024% (веса единицы младшего разряда 12-битного ЦАП), составляет 8 мкс. Для 12-битных версий микросхем диапазон частот входных сигналов ШИМ составляет 30 Гц … 6.25 кГц.
Многообразие режимов выхода
На Рисунке 4 показано типичное приложение с подстройкой питания, основанное на использовании еще одной уникальной функции LTC2644. Подключение вывода IDLSEL к напряжению высокого уровня устанавливает режим выборки/хранения, в котором выходы при включении схемы будут находиться в высокоимпедансном состоянии (без подстройки), а непрерывный входной сигнал высокого уровня переведет его в режим постоянного удержания, в то время как непрерывный сигнал низкого уровня установит состояние высокого импеданса. Таким образом, при включении схемы можно выполнить однократную подстройку напряжения питания, подав на вход напряжение высокого уровня после однократного импульса ШИМ. Низким уровнем на входе ШИМ схему можно аккуратно вывести из режима подстройки. Соединением выводов IDLSEL и GND задается «прозрачный режим», в котором продолжительное удержание высокого уровня на входе устанавливает на выходе полную шкалу напряжений, а удержание низкого уровня – нулевую шкалу.
 |
|
| Рисунок 4. | Приложение с подстройкой питания. |
Заключение
Не отчаивайтесь, если вам придется лицом к лицу столкнуться с ограничениями стандартных технологий преобразования ШИМ в аналоговое напряжение. LTC2645 делает возможным точное и быстрое получение аналоговых напряжений из выходных сигналов ШИМ при небольшом числе используемых компонентов и простом программном коде.
Материалы по теме
Купить LTC2644 на РадиоЛоцман.Цены
