如何使用滤波器从PWM输出信号构建模拟DC电压

该技术文档讨论了使用霍尔效应传感器或PWM传感器将PWM输出信号转换为模拟输出信号的简单方法。本文介绍传感器的PWM输出行为，传感器的模拟输出工作方式以及如何使用滤波器从PWM输出信号构建模拟DC电压。

PWM输出传感器如何工作

在深入设计滤波器之前，第一步是快速检查一下PWM传感器的输出信号是什么样的。PWM波形基本上是方波，其频率我们将定义为fPWM，对于逻辑低，幅度为0 V，对于逻辑高，幅度为VCC。从这里开始，我们将幅度称为VPWM。信号高电平时间tON与周期（TPWM = 1 / fPWM）的比率为占空比D。这些关系如图1所示。

PWM输出霍尔IC的占空比与检测到的磁场成比例。随着输入场强度的增加，D也随之增加（图2）。相反，随着输入字段的减少，D也随之减少（图3）。

模拟输出传感器如何工作

现在，我们回顾了PWM输出如何用于霍尔效应IC，现在该简要讨论模拟输出如何用于传感器了。该前提几乎与带有PWM输出的霍尔IC的前提相同。代替恒定地切换输出以产生信号，输出断言与感测到的磁场成比例的模拟电压。例如，当PWM占空比由于输入场的上升而增加时，模拟输出将简单地上升到较高的DC电压，反之亦然。

无源滤波器

现在，我们进入过程的有趣部分，从PWM输出信号创建一个模拟DC电压。最简单的方法是使用无源低通滤波器。为了本指南的目的和简化起见，重点将放在无源，一阶和二阶低通滤波器上。无源滤波器可以通过电阻器和电容器非常简单地实现。此处介绍的概念可以应用于更高级的过滤器。

就本文档而言，我们将重点分析和设计使用无源低通滤波器的电路，该滤波器的衰减滚降系数对于一阶滤波器为–20 dB /十进制，对于二阶滤波器为–40 dB /十进制。在某些情况下，一阶过滤器可以正常工作。但是，某些应用程序可能需要更快的响应时间。在这些情况下，可能需要一个二阶滤波器。最终用户需要评估过滤器成本和过滤器性能之间的权衡。可以通过简单地级联越来越多的级来增加滤波器的阶数。对于滤波器的每增加一个阶数，滚降速率将增加陡峭的–20 dB /十倍频程。

有两种方法可以计算滤波器对输入信号的响应：时间分析和频率分析。我更喜欢使用后包络频率分析，并且将重点研究使用频率分析技术来设计一阶和二阶低通滤波器。通常，大多数没有电子背景的人在设计简单滤波器时都比时域方法更好地了解频率方法。

编辑：hfy