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Hybrid PWM / R2R DAC改进

文章：吉姆布兰南

DAC设万博投注网址计允许看似无穷无尽的增量改进。这是另一个你喜欢的。

结合PWM和一个小的R-2R阶梯改进了这两者。它显著降低了PWM纹波，提高了DAC的分辨率。

在这个设计理念中，一个八个电阻阵列和三个输出引脚构造一个改进的R-2R梯(图1）.修改是连接底部2 r到PWM输出而不是到地。

图1混合PWM / R-2R DAC

梯子划分v_CC用PWM分割成8个部分填补空间从每一级(0% PWM)到下一级(100% PWM)。这将波纹减少到八分之一，同时增加了三个额外的高阶位的分辨率。或者，您可以从原始PWM占空比值的顶部取这三个位，将其时钟速率乘以8。你仍然可以得到8:1的波纹减少，但是增加的时钟频率将PWM噪声进一步推到滤波器的低地以获得更大的衰减。

模拟

我已经模拟了这种混合方法。

图2比较/仿真电路

与传统的简单低通滤波器进行比较（图2)你应该记住

R-2R阶梯的输出电阻是R，由于我提议从阵列并联两个电阻形成R (2R有单独的电阻)，10kΩ阵列产生5kΩ输出电阻。这就是我在传统方法中使用的方法，使用相同的1µF电容。我将PWM设置为50%占空比，因为这是最坏的纹波发生的地方。模拟结果(图3)显示传统的方法大约有4mV的纹波，而第一个选项(将三个新位加到原来的8位上)得到493µV的纹波，大约是八分之一。第二个选项(将PWM时钟增加8位，总共留下8位)只产生61µV，大约是原来的65分之一。

图3仿真结果

图4A.(PWM + low-pass)和4 b(11位混合)是一个复杂的模拟结果，缓慢的步骤电压从0V到5V。滤波器中的电容器故意太小，这样我们就能看到这个尺度下的纹波。一个普通的R-2R阶梯添加了一个阶梯-阶梯图(4b中的红色)来显示PWM如何从一个级别移动到下一个级别，甚至超过R-2R阶梯的顶部到5V。

图4基本PWM DAC(图4a，顶部)和混合DAC(图4b，底部)的模拟波纹。

这也可以用NCO(数字控制振荡器)技术代替PWM。NCO(给累加器增加一个值并输出进位)比PWM有优势，因为它减少了50%设置附近的波纹(通过增加转换频率)，这是简单PWM最糟糕的地方。

这也可以与任何其他DAC一起使用：只需将PWM / NCO /任何信号连接到最低有效位位置。

测试

现在对于一些测试结果:电阻阵列，我正在考虑有±2%的公差，但也可以得到±1%甚至±½%，但因为我没有任何这些，我只是使用单独的1%电阻。我设置了timer1anAtmega328.以16MHz运行8位PWM，并使用10位ADC进行一些测量。由于PWM，R-2R和ADC全部称为V._CC，我们可以提出它，只是检查从ADC读取的值为8个级别，PWM设置为0%和100%。理想情况下，一个步骤的100%输入应该等于下一个步骤的0%输入(注意任何ADC读数最多相差两个，如“ADC特征”一节所述Atmega328.数据表)。

0％	000	07e.	0菲	17 e	1 ff	27楼	300	381
100％		07D.	0 fd	17 d	1铁	27楼	2 ff	37 e	3 ff
预期	000	07F.	0 ff	17 f	1 ff	27楼	2 ff	37度	3 ff

这些似乎是相当合理的。然后我使用了一种技术我昵称为“慢速scilloscope™”，它使用了这种能力Atmega328.用定时器来安排a - d转换-产生PWM的定时器。因此，我们可以测量波纹跨越给定的PWM周期。图5是传统PWM低通滤波器(绿色)和混合PWM(黑+红)的合成图。两种电容器都太小了，所以我们可以看到纹波。

图5测量PWM和Hybrid DAC的纹波

最后,图6是每个混合设置的非同步a - d转换的(无聊的)痕迹，允许波纹在结果中产生(或多或少)随机变化。这个使用了更大的电容器以获得更真实的结果。

图6测量纹波，混合DAC，最终电容值。

In the end, we have seen that, depending on your point of view, PWM can fill in the spaces between an R-2R DAC’s steps, or an R-2R ladder can drastically cut the ripple of the usual PWM plus low-pass filter. Or both.

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