Digital-Analog-Umsetzer Analogsignal aus Digital-Pulsen

PMW-zu-Analog-Umsetzer kombinieren beide Vorteile
PMW-zu-Analog-Umsetzer kombinieren einfache digitale Schaltungstechnik mit präziser Analogsignalerzeugung

Ein PWM-Signal lässt sich leicht digital erzeugen und im einfachsten Fall genügt ein Integrator, um daraus ein analoges Signal zu erhalten. Werden höhere Anforderungen gestellt, sind klassische DAUs nötig – was mehr Aufwand bedeutet. PWM-zu-Analog-Umsetzer kombinieren beide Vorteile.

Pulsweitenmodulation (PWM) wird gewöhnlich verwendet, um analoge Spannungen mit digitalen Schaltungen wie z.B. Mikrocontroller oder FPGA zu generieren. In den meisten Mikrocontrollern ist ein PWM-Block integriert und für ein FPGA werden nur einige Zeilen an RTL-Code benötig, um ein PWM-Signal zu erzeugen. Damit steht eine einfache und praktikable Methode zu Verfügung, wenn die Anforderungen an das analoge Signal nicht hoch sind; es wird nur ein Ausgangsanschluss benötigt und der Programmieraufwand ist klein im Vergleich zu einem externen D/A-Umsetzer, der per SPI oder I2C-Schnittstelle angesteuert wird. Bild 1 zeigt eine typische Schaltung mit einem digitalen PWM-Ausgangssignal, aus dem per Tiefpass eine analoge Spannung erzeugt wird.

Ein digital erzeugtes Analogsignal sollte idealerweise eine Welligkeit von <1 LSB haben, was bei 12 bit Auflösung im Falle eines 5 kHz-PWM-Signals einen Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 1,2 Hz erfordert. Die Impedanz des Analogspannungsausgangs wird durch den Filterwiderstand bestimmt. Er kann sehr hoch sein, wenn der Filterkondensator nicht zu groß ausfallen soll. Somit kann an den Ausgang nur eine Schaltung mit hoher Eingangsimpedanz angeschlossen werden.

Der Verstärkungsfaktor der PWM-zu-Analog-Übertragungsfunktion wird durch die möglicherweise ungenaue Spannungsversorgung des Mikrocontrollers bestimmt. Einen geringfügigen Einfluss auf die Linearität haben die effektiven Widerstände des digitalen Ausgangs – zwischen Ausgang und Versorgungsspannung sowie zwischen Ausgang und Masse, wenn sie nicht aufeinander angepasst sind. Zudem muss der Ausgangswiderstand gegen Masse kleiner sein als der Widerstand des Tiefpassfilters.

Da das PWM-Signal kontinuierlich anliegen muss, um die Ausgangsspannung konstant zu halten, ist es problematisch, den Mikrocontroller in einen energiesparenden Modus zu schalten.

Verbesserte PWM-zu-Analog-Schaltung

Bild 2 zeigt eine Schaltung mit Ausgangspuffer, die den Einsatz eines hoch¬ohmigen Filterwiderstands und zugleich eine niedrige Ausgangsimpedanz für das Analogsignal ermöglicht. Um die Verstärkungsgenauigkeit zu verbessern, wird das PWM-Signal über einen CMOS-Puffer geführt, der von einer präzisen Referenzspannungsquelle versorgt wird. Damit wechselt das auf den Eingang des Tiefpassfilters gegebene PWM-Signal zwischen Masse-Potenzial als Low-Pegel und dem akkuraten Wert der Referenzspannungsquelle als High-Pegel. Diese Schaltung ist brauchbar, benötigt aber zusätzliche Bauteile und sie verbessert auch nicht die Einschwingzeit (1,1 s). Außerdem benötigt auch diese Schaltung ein kontinuierliches PWM-Signal am Eingang, wenn die Ausgangsspannung konstant gehalten werden soll.

PWM zu analog mit klassischem DAU

Die ICs LTC2644 und LTC2645 sind Doppel- bzw. Vierfach-PWM-Digital-Analog-Umsetzer (DAU) mit einer internen Referenzspannungsquelle, deren Temperaturkoeffizient von 10 ppm/K es erlaubt, ein Analogsignal mit 12 bit Auflösung aus digitalen PWM-Signalen zu erzeugen. Beide ICs messen direkt das Tastverhältnis des PWM-Signals und geben den gemessenen Wert binär an einen präzisen DAU weiter.

Mit der internen Referenzspannungsquelle von 1,25 V lässt sich am Analogausgang eine Spannung von 2,5 V bei Vollausschlag erreichen. Werden andere Spannungen bei Vollausschlag benötigt, so kann eine externe Referenzspannungsquelle an die ICs angeschlossen werden. Über einen Anschluss (IOVCC) lässt sich der digitale H-Eingangspegel einstellen, z.B. um die ICs direkt an 1,8-V-FPGAs oder 5-V-Mikrocontroller anzuschließen – jede beliebige Spannung zwischen 1,8 V und 5 V ist möglich. Die DC-Genauigkeit der beiden PWM-zu-Analog-Umsetzer mit integriertem DAU beträgt 5 mV, ihr maximaler Verstärkungsfehler beträgt 0,8 % und ihre Integrale Nichtlinearität (INL) liegt bei 12 bit Auflösung maximal bei 2,5 LSB. Die 12-bit-Version der beiden ICs kann im PWM-Frequenzbereich von 30 Hz bis 6,25 kHz eingesetzt werden.