通过模拟减法消除 PWM DAC 纹波

每种 PWM DAC 设计都需要模拟滤波，以将所需的 PWM 占空比比例直流分量与不需要的交流纹波分离。其中最简单的是基本 RC 低通滤波器，它给出峰峰值纹波幅度(最坏情况为 50% PWM 占空比，其中 T PWM = PWM 周期时间，假设 RC > T PWM)：

V纹波/ V满量程= T PWM / 4·RC

明显的设计权衡是，虽然可以通过选择足够大的 RC 产品来实现任何所需程度的纹波衰减，但稳定时间会相应地受到影响。例如，如果我们(相当合乎逻辑地)选择稳定带的定义等于纹波幅度，那么……

T稳定= RC·ln(V满量程/ V纹波)

= T PWM ·V满量程·ln(V满量程/ V纹波) / (4·V纹波)

这种关系的后果可以通过 8 位情况来说明：

假设：V纹波/V满量程= 1/256;RC = 64·T PWM

T稳定= 64·ln(256)·T PWM = 355·T PWM

即使对于相当快的32 kHz(31µs T PWM)，也预计会有非常缓慢的11ms稳定时间。

显然，如果稳定时间是一个关键的设计参数，我们就需要做得更好，找到一个不那么简单的滤波方案。通过模拟减法消除PWM DAC(数模转换器)纹波是一种有效的方法，其基本原理是利用两个PWM信号(一个原始信号及其反相信号)的求和来衰减不需要的交流(纹波)分量，同时保留所需的直流分量。以下是对该方法的详细解释：

一、方法概述

PWM信号生成：首先，生成一个普通的PWM信号。这个信号的占空比决定了输出直流分量的大小。

反相信号生成：接着，生成一个与原始PWM信号相位相差180°(即反相)的信号。这可以通过对原始信号进行反相处理或使用另一个PWM通道并设置相应的相位差来实现。

求和与滤波：将原始PWM信号和反相信号进行求和。由于两个信号中的交流分量(纹波)相位相反，它们会相互抵消，而直流分量则保持不变。然后，通过适当的滤波电路(如RC低通滤波器)进一步滤除残留的纹波成分。

二、具体实现

电路设计：

可以使用模拟开关和精确的电压基准来构建电路。一个开关用于生成原始PWM波形的精密版本，另一个开关用于生成其反相版本。

将反相版本的交流耦合分量添加到原始版本的直流分量上，执行消除纹波的模拟减法。

信号控制：

使用PWM逻辑控制信号来导出纹波消除信号。这可以节省一个模拟开关，并将Vref(参考电压)负载减少一半。

需要将R2C2纹波减法组件缩放为适当的因子X(X=Vlogic/Vref)，以确保电路的稳定性和有效性。

软件实现：

在软件中设置PWM设定点为1的补码(V=-V-1)，以生成所需的相位差。

通过调整定时器和比较-捕获-PWM(CCP)模块的配置，实现两个PWM信号的相位差和频率同步。

三、注意事项

稳定性：虽然模拟减法可以有效降低纹波，但电路的稳定性也是一个重要考虑因素。需要确保电路中的元件参数和信号控制逻辑正确无误，以避免引入额外的噪声或不稳定因素。

封装数量：如果需要使用多个PWM DA转换通道，封装数量可能会变得非常大。因此，在设计时需要权衡通道数量和封装数量之间的关系。

参考电压准确性：随着通道数量的增加，Vref上的总负载也会增加，这可能会降低参考电压的准确性。因此，需要选择具有高稳定性和高精度的参考电压源。

四、应用实例

在实际应用中，通过模拟减法消除PWM DAC纹波的方法已被广泛应用于各种需要高精度和低纹波输出的场合。例如，在电机控制、音频放大器和电源管理等领域中，该方法可以显著提高系统的性能和稳定性。

综上所述，通过模拟减法消除PWM DAC纹波是一种有效且实用的方法。它不仅可以降低输出信号中的纹波成分，还可以提高系统的稳定性和精度。在设计和实现该方法时，需要仔细考虑电路的稳定性、封装数量和参考电压准确性等因素。