脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 是數(shù)模轉(zhuǎn)換的絕佳基礎(chǔ)。它的優(yōu)點(diǎn)包括簡單性和(理論上)完美的差分和積分線性。不幸的是，PWM 需要波紋濾波，這往往會(huì)使其速度變慢，尤其是在需要高分辨率(8 位以上)的情況下。

優(yōu)點(diǎn)

數(shù)字信號傳輸：PWM將模擬信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號，在處理器到被控對象之間的所有信號都是數(shù)字形式的，從而無需再進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，這大大簡化了信號處理的復(fù)雜性。

噪聲抗干擾能力強(qiáng)：PWM信號對噪聲的抗干擾能力較強(qiáng)，只有當(dāng)噪聲強(qiáng)到足以改變數(shù)字信號的邏輯狀態(tài)時(shí)(如將邏輯1變?yōu)檫壿?)，才會(huì)對信號產(chǎn)生影響。這一特性使得PWM在通信等信號傳輸行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

簡單性和線性度：PWM技術(shù)具有相對簡單的實(shí)現(xiàn)方式，同時(shí)，在理論上，PWM能夠提供完美的差分和積分線性，這對于某些應(yīng)用來說是非常重要的。

缺點(diǎn)

波紋濾波需求：PWM信號在轉(zhuǎn)換回模擬信號時(shí)，需要經(jīng)過波紋濾波。這一步驟不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，還可能降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，尤其是在需要高分辨率(8位以上)的情況下，濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)變得更為復(fù)雜，進(jìn)一步影響了系統(tǒng)的速度。

諧波和電磁干擾：PWM信號在高頻開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生諧波，這些諧波可能對電網(wǎng)或其他電子設(shè)備造成干擾，引發(fā)電磁兼容性(EMC)問題，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，高頻開關(guān)的瞬變過程還會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，對周圍的電子設(shè)備造成電磁干擾(EMI)，這可能影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至對通信造成干擾。

開關(guān)損耗：在高頻開關(guān)過程中，開關(guān)器件在導(dǎo)通和關(guān)斷過程中需要消耗一定的能量，這些損耗會(huì)降低系統(tǒng)的整體效率，并可能增加散熱需求。

噪聲問題：PWM信號在某些應(yīng)用中可能導(dǎo)致機(jī)械噪聲和電磁噪聲。機(jī)械噪聲主要源于PWM信號的快速變化引起的電機(jī)振動(dòng)和噪音;而電磁噪聲則可能通過傳導(dǎo)或輻射的方式影響其他設(shè)備。

設(shè)計(jì)調(diào)試難度：對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，PWM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可能比較復(fù)雜。需要仔細(xì)設(shè)計(jì)PWM信號的頻率、占空比等參數(shù)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。同時(shí)，由于PWM信號的高頻特性和復(fù)雜性，調(diào)試過程中可能遇到一些難題，例如需要精確的測量和分析工具來檢測PWM信號的波形和特性。

成本問題：實(shí)現(xiàn)高精度、高性能的PWM控制需要高質(zhì)量的開關(guān)器件和精確的控制電路，這可能會(huì)增加硬件成本。同時(shí)，由于PWM技術(shù)的復(fù)雜性和調(diào)試難度，開發(fā)過程中可能需要投入更多的時(shí)間和資源，從而增加開發(fā)成本。

適用范圍限制：在低頻應(yīng)用中，PWM信號可能無法達(dá)到理想的控制效果，因?yàn)榈皖lPWM信號的分辨率較低，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。此外，對于某些特定類型的負(fù)載(如感性負(fù)載)，PWM信號的控制效果可能受到限制，因?yàn)楦行载?fù)載在開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢，影響PWM信號的控制效果。

圖 1提供了一種解決 PWM 遲鈍問題的方案，即使用它來實(shí)現(xiàn)高分辨率(16 位)DAC 的最高 8 位，而另一種技術(shù)(數(shù)字電位器)提供低 8 位。然后，兩個(gè)輸出在一個(gè)簡單的 256:1 比例電阻分壓器中被動(dòng)相加。這樣做的好處是穩(wěn)定速度提高了 256 倍(與使用 PWM 進(jìn)行完整的 16 位計(jì)數(shù)相比)，同時(shí)還具有 16 位分辨率、單調(diào)性、線性度(INL 和 DNL)和微伏零點(diǎn)穩(wěn)定性。該電路僅靠從單個(gè) 5V 電源軌吸取的幾 mA 電流運(yùn)行，同時(shí)還集成了相當(dāng)不錯(cuò)的電壓基準(zhǔn)。而且它很便宜。

圖 1 PWM 最高有效字節(jié) (msbyte) 與 Dpot 最低有效字節(jié) (lsbyte) 結(jié)合，提供 16 位分辨率、單調(diào)性和線性。

輸入的 3 至 5v 邏輯、8 位分辨率 PWM 經(jīng) R5C7 和高速 AC 逆變器 U1 反轉(zhuǎn)和電平轉(zhuǎn)換，成為精確的 0 至 2.50v 方波，這得益于 LM4040 電壓基準(zhǔn)和 CMOS 邏輯用作精密模擬開關(guān)時(shí)的固有特性。波形未反轉(zhuǎn)，并由 U1 的其他五個(gè)元件緩沖，成為低阻抗 (~5 Ω) 高質(zhì)量 0 至 100% 占空比 PWM 輸出。U1 的出色過渡對稱性(Tphl 和 TPlh 傳播時(shí)間相差不到 100 ps)有助于提高準(zhǔn)確性和線性度，而通過 R5 的正反饋會(huì)產(chǎn)生鎖存動(dòng)作，可適應(yīng)靜態(tài) 0% (0v) 和 100% (2.5v) 占空比狀態(tài)。

有源低通模擬紋波減法濾波通過R1C1 + R2C2 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，如“使用模擬減法消除 PWM DAC 紋波”中所述。如果我們假設(shè)256/32 MHz = 8 μs PWM 周期，則所示的4.99 kΩ x 0.1 μF = 499 μs RC 時(shí)間常數(shù)適用于 16 位 (96 dB) 紋波衰減。電容當(dāng)然需要根據(jù)不同的 PWM 時(shí)鐘頻率進(jìn)行比例調(diào)整。

同時(shí)，1k Dpot U2 提供 SPI 控制、8 位分辨率、0 至 2.5v lsbyte 貢獻(xiàn)，該貢獻(xiàn)通過 R2R3 分壓器以 256:1 的比例與 U1 的 PWM 輸出相加。R2:R3 比率應(yīng)準(zhǔn)確且穩(wěn)定，優(yōu)于 0.5%。R3 遠(yuǎn)高于電位器提供的 2.5k(最大)可變阻抗，因此其對非線性的貢獻(xiàn)保持小于 +/-? lsb。