PWM模拟模拟DAC的关键参数分析的关键参数分析
PWM模拟DAC技术由于其价格便宜、技术简单在低成本嵌入式系统中应用广泛，然而其性能指标却无法与集成
的DAC相比。建模讨论了影响PWM模拟实现DAC系统的性能的主要因素。仿真发现，滤波器环节对于PWM模
拟DAC的性能参数是至关重要的，在不考虑PWM的位数限制时，滤波级数越高DAC精度越高，然而DAC的建立
时间也会显著增加。分析发现，这两个主要参数分别取决于滤波系统对于高频成分的频率响应和对于直流分量
的阶跃响应。具体应用中应该权衡DAC精度和转换速度，以确保应用PWM模拟DAC可以满足具体应用需求。
摘摘 要要：
关键词关键词： PWM；模拟DAC；
0 引言引言
随着电子信息技术的发展，越来越多的领域需要DAC（数模转换器）[1]。然而对于很多低成本的简单嵌入式系统而
言，DAC的价格过于昂贵，因此使用PWM（脉冲宽度调制技术）模拟DAC成为很多对于DAC性能要求不高的低成本嵌入式系
统的极好选择[2-3]。
PWM技术是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需形状和幅度的波形。通过PWM，微处理器可以很方便
地用数字输出来对模拟电路进行控制，因此PWM技术广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
目前大部分微控制器都集成了PWM功能模块，PWM模拟DAC技术也已经比较成熟[4]，然而对于PWM模拟的DAC性能参
数却很少有人讨论，导致设计主要凭经验和仿真与实验。本文将重点讨论DAC的精度和建立时间这两个主要性能参数，建模
仿真并分析影响这两个参数的因素，为PWM模拟DAC设计提供指导。
1 PWM模拟模拟DAC的原理与实现的原理与实现
图1显示了3种不同的PWM信号。图1（a）是一个占空比为20%的PWM输出，即在信号周期中，20％的时间通，其余
80％的时间断。图1（b）和图1（c）显示的分别是占空比为50%和80%的PWM输出。对PWM波形进行分解就可以发现它包
括一个直流量、与PWM同频率的频率分量和大量偶次谐波，其中这个直流分量就是供电电压乘以PWM占空比。这3种PWM输
出波形对应的直流分量的强度分别是供电电压的20%、50%和80%。例如，假设供电电源为5 V，占空比为50%，则对应的是
一个幅度为2.5 V的模拟信号；占空比为80%，则对应的是一个幅度为4 V的模拟信号。占空比与输出电压形成一一对应关系，
这样就实现了DAC的功能。
然而若想将这样的PWM波形转化成具有较高精度的直流模拟信号需要衰减交流成分。也就是说要在PWM输出的基础上加
上合适的低通滤波环节，该滤波器截止频率显然要低于PWM频率，而滤波器的结构和参数的选择将成为PWM模拟DAC参数优
劣的关键。
2 PWM模拟模拟DAC系统结构仿真设计系统结构仿真设计
为了重点分析滤波环节对于DAC参数的影响，在这里做了如下假设：PWM位数无限大，供电电源没有纹波。
图2所示为3个PWM模拟DAC的仿真电路图，输出分别为O1、O2和O3，它们之间的单元结构都是相同的，区别仅在于单
元级数依次递增。初期的实验表明PWM占空比为50%时输出的纹波基本达到最大，而整个波形稳定的时间没有明显地随占空
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