前文已述及如何通过PWM实现数字至模拟量的转换,众多读者反馈颇为积极,尤其关注于如何恰当地选择电阻与电容值以获取满意的模拟值并降低纹波。
让我们先来探究一下脉冲信号的频谱特性。借助傅立叶变换,我们可以知道周期为T的脉冲信号是由多个单一频率信号叠加而成,其中最低频率分量为1/T。对此,感兴趣的朋友们可以利用Matlab进行深入分析。
以一个幅度为3.3V、周期为10uS(即频率为100KHz)、占空比为50%的脉冲信号为例,进行FFT变换。我们会发现直流分量、100KHz、300KHz(三次谐波)、500KHz(五次谐波)等频率分量。而对于脉冲信号的波形,占空比的变化将如何影响其频谱呢?
对于占空比不同的脉冲信号,其频谱特性会有所差异。例如,当占空比为50%时,其脉冲信号呈现为方波,经过FFT变换后,会有明显的交流频率分量。那么,如果改变占空比,如占空比为10%或90%时,其交流频率分量又会有何变化呢?
不难发现,无论占空比如何变化,脉冲波形的直流分量旁总是伴随着交流部分的最低频率,即脉冲的重复频率。若想获取直流分量,一个有效的方法是利用一阶低通滤波器,该滤波器由电阻R和电容C构成,其截止频率为fc=1/2πRC。若想滤除100KHz以上的频率以获取直流分量,只需确保滤波器的截止频率在100KHz以内,并确保对100KHz以上的频谱有较好的抑制效果。
关于LPF电路的构成及其频率响应、RC电路的时域响应等细节,都值得我们去深入探讨。在滤波器的设计过程中,我们会面临一个权衡:较高的截止频率可能带来更好的建立时间,但也可能导致较大的纹波;而较低的截止频率则可能带来更小的纹波,但也可能增加建立时间。
那么,我们是否可以通过仅使用一个R和一个C来改善这一权衡呢?答案是肯定的。我们可以通过设计合适的RC值,使得滤波器的截止频率与要滤除的脉冲重复频率之间保持一个较大的间隔。例如,若脉冲重复频率为100KHz,我们可以将截止频率设计为远高于此值(如50MHz),从而在保持较短建立时间的将纹波降至最低。
在实际操作中,我们可能会遇到建立时间较长的问题。通过巧妙地设计RC值和电路结构,我们可以实现建立时间的显著缩短。虽然增加电路的复杂度和元器件成本可能会改善滤波效果,但我们仍需在成本与性能之间做出权衡。
总结来说,要设计一个简单实用的PWM系统及其相关参数,需综合考量各种因素。只有当我们对电路的每个环节都充分了解并熟练掌握时,才能构建出性能出色的DAC系统。