PWM信号をアナログ信号に変換する方法

質問

PWM信号をアナログ信号に変換するための回路を教えてください。ここでのPWM信号の例は、デューティ比の分解能が10bit（4096段階）で周波数は488Hz、すなわち分解能の周波数は2MHzです。この信号を例えば0～5Vのアナログ信号に変換したいのです。よろしくお願いします。

回答No.6

foobar · ベストアンサー

LPFのパラメータ設定
大雑把に言えば、
・PWMされた元の信号成分を透過させて
・エイリアス成分(488Hz-元信号の周波数)を所定の量以下にまで減衰している
ようなフィルタを入れる、
ということになります。
例えば、PWMされた元の基準信号が20Hzまでの信号を持っていて、ノイズ成分を0.1%程度(電圧分解能程度)以下に押さえたいとなると、
・カットオフ周波数は、若干の余裕を見て30Hz
・エイリアスは488-20=468Hz程度で、カットオフ周波数の15倍。これを1/1000(-60dB)にまで減衰できるフィルタ
となると、4次のLPF(オペアンプ使った2次のフィルタを2段)
といった具合になるかと。

元の信号が244Hzに近い成分まで含んでいる場合にはLPFだけで処理するのは難しくなりますので、#3さんの回答に有るように、積分回路使って、階段状の波形に成型した後にLPFをかけるとか、
#5さん回答の中にあるように、一旦デジタルデータに戻して、再度DA変換しなおす　といった処理をしたほうが良いかもしれません。
（積分回路使う方法だと、条件（積分の後にサンプルアンドホールドを行う期間が取れないときなど）によっては、積分回路を2系統用意して、アナログスイッチで交互に切り替えて使う　といった工夫が必要になるかもしれません。）

参考書籍、URLはちょっと調べてみないと、、、。
(LPFの設計については、電子回路、オペアンプ関連の書籍に、オペアンプの仕様(カットオフ周波数とか次数）決定は信号処理関連の書籍にかかれているとは思いますが。）

回答No.5

theisman

普通に考えれば、LPFや積分回路を使う手でしょう。速度や精度を犠牲にしてよいのであれば、RCのLPFを通して、レベル合わせ用にOP Ampでも入れれば簡単です。
あと、ワンチップマイコン＋D/Aコンバータを用意して、マイコンでPWM波の"H"レベル時間を計測し、D/Aコンバータでアナログ出力するという力技もあります。

回答No.4

guuman

10ビットAD変換器を使えばいいと思います
もし10ビットAD変換機を設計したいのならば
1:2:4:8:16:32:64:128:256
のコンデンサを用意し
それぞれを変換前数値の各桁ビットに応じて
0Vか5Vにチャージアップして
その後それらをスイッチングで並列結合します

回答No.3

sailor

申し訳ありません。

ＰＷＭの部分を読み飛ばして単にＦ-Ｖ変換として解凍してしまいました。ＰＷＭ変換されたものであれば単位時間（フェッチタイム）ごとの積分を取る回路を設ければよいのではないでしょうか？、ＰＷＭではパルスの電圧は一定ですので、デューティーのみが問題になりますから、１サイクルタイムに同期した周期で積分回路を動作させればよいのではないでしょうか？

今は自宅にいて手元に詳細な資料が無いのですが、確か、このような操作をする回路の資料が仕事場にはあったと思います。回路図自体を掲載することは著作権法上問題があるかともいますので、明日以降、掲載されている書籍名をお伝えできると思います。

補足

早速のご回答ありがとうございます。先のご回答は忘れていいわけですね。何となくイメージを持つことはできました。資料をご紹介いただけるとのことで、大変うれしいです。「１サイクルタイムに同期した周期で積分回路を動作」とはどういうことでしょうか？資料を拝見すれば理解できるのではないかと期待しております。明日、楽しみにしておりますので、是非よろしくお願いします。

回答No.2

foobar

PWM(パルス幅変調)された信号ですよね？
それなら、例えば振幅5VのPWM信号なら、(カットオフが100Hz位の)LPF通せば良いように思います。
(非常に急峻な理想LPFなら 488/2=244Hzのカットオフで良いのですが)

補足

早速のご回答、ありがとうございます。概念的には理解できましたが、この場合（pwm→電圧変換）のカットオフ周波数や回路定数の決め方、フィルター回路の実際等、具体的な設計手法について参考となる書籍やURLをご紹介いただけるとうれしいです。webで検索しているのですが、キーワードが上手くないのか、いい情報に巡り会えていません。

回答No.1

sailor

ここで回路図をあげることはできないのですが、Ｆ-Ｖコンヴァーターと言う回路を使用すればできます。参考回路図としてはＣＱ出版から出ている精選アナログ回路図集に参考になる回路が出ていたと思います。基本的にはリニアリティーに重点を置いた積分回路ですので、その観点から考察しても同様な回路に仕上がると思います。また、Ｆ-Ｖコンヴァーター用の専用のＩＣも多数出ていますので、それらを利用するのも良いかと思います。