數(shù)字集成電路需要注意的十個要點：采樣頻率和同步采樣

上一篇我討論了與模擬和代碼生成相關(guān)的更一般的問題。但今天我想把焦點轉(zhuǎn)向模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADC 是數(shù)字控制應(yīng)用中最關(guān)鍵的外設(shè)之一，因為它構(gòu)成了模擬世界和數(shù)字世界之間的紐帶。它也是最容易被誤解的外圍設(shè)備之一。對于 ADC，許多工程師只滿足于知道位數(shù)和轉(zhuǎn)換速度。但在數(shù)字控制應(yīng)用中，如果我們想要獲得滿意的結(jié)果，就必須更深入地研究 ADC 規(guī)范。

采樣頻率

與模擬控制系統(tǒng)不同，數(shù)字控制器只能及時獲取離散的時刻來觀察和響應(yīng)系統(tǒng)的行為。如果您的采樣頻率太低，這會降低系統(tǒng)性能。想象一下一邊開車一邊發(fā)短信，你每 10 秒只抬頭一次來觀察周圍的環(huán)境!您的電機控制處理器也會產(chǎn)生同樣的效果。如果它太忙于執(zhí)行其他任務(wù)，并且沒有足夠頻繁地查看您的電機反饋信號，您的電機就會崩潰!對于位置和速度環(huán)路，最小采樣頻率由系統(tǒng)的機械極點決定。位置和速度環(huán)以大約 2-5 KHz 的采樣頻率運行是很常見的。但是，大多數(shù)電機控制設(shè)計還包括電流環(huán)路。電極比機械極高得多，因此電流環(huán)路的采樣頻率通常在 10-20 KHz 之間。對于低電感電機，這個數(shù)字可能更高!作為一般經(jīng)驗法則，您應(yīng)該將特定控制環(huán)路的采樣頻率設(shè)置為至少比該控制環(huán)路開環(huán)響應(yīng)的單位增益頻率高一個數(shù)量級。如果這樣做，采樣和保持效應(yīng)的相位滯后貢獻(xiàn)在單位增益頻率下將小于 18 度，如下所示。在大多數(shù)情況下這是可以管理的。更高采樣頻率的唯一缺點是它需要更多的 MIPS。不過別擔(dān)心。吃掉你想要的所有 MIPS!我們會賺更多!:-) 對于低電感電機，這個數(shù)字可能更高!作為一般經(jīng)驗法則，您應(yīng)該將特定控制環(huán)路的采樣頻率設(shè)置為至少比該控制環(huán)路開環(huán)響應(yīng)的單位增益頻率高一個數(shù)量級。如果這樣做，采樣和保持效應(yīng)的相位滯后貢獻(xiàn)在單位增益頻率下將小于 18 度，如下所示。在大多數(shù)情況下這是可以管理的。更高采樣頻率的唯一缺點是它需要更多的 MIPS。不過別擔(dān)心。吃掉你想要的所有 MIPS!我們會賺更多!:-) 對于低電感電機，這個數(shù)字可能更高!作為一般經(jīng)驗法則，您應(yīng)該將特定控制環(huán)路的采樣頻率設(shè)置為至少比該控制環(huán)路開環(huán)響應(yīng)的單位增益頻率高一個數(shù)量級。如果這樣做，采樣和保持效應(yīng)的相位滯后貢獻(xiàn)在單位增益頻率下將小于 18 度，如下所示。在大多數(shù)情況下這是可以管理的。更高采樣頻率的唯一缺點是它需要更多的 MIPS。不過別擔(dān)心。吃掉你想要的所有 MIPS!我們會賺更多!:-) 您應(yīng)該將特定控制回路的采樣頻率設(shè)置為至少比該控制回路的開環(huán)響應(yīng)的單位增益頻率高一個數(shù)量級。如果這樣做，采樣和保持效應(yīng)的相位滯后貢獻(xiàn)在單位增益頻率下將小于 18 度，如下所示。在大多數(shù)情況下這是可以管理的。更高采樣頻率的唯一缺點是它需要更多的 MIPS。不過別擔(dān)心。吃掉你想要的所有 MIPS!我們會賺更多!:-) 您應(yīng)該將特定控制回路的采樣頻率設(shè)置為至少比該控制回路的開環(huán)響應(yīng)的單位增益頻率高一個數(shù)量級。如果這樣做，采樣和保持效應(yīng)的相位滯后貢獻(xiàn)在單位增益頻率下將小于 18 度，如下所示。在大多數(shù)情況下這是可以管理的。更高采樣頻率的唯一缺點是它需要更多的 MIPS。不過別擔(dān)心。

同步采樣

通常需要控制器對多個信號進(jìn)行采樣，以全面了解電機中發(fā)生的情況。其中一些信號(如電流)變化非?？?。要準(zhǔn)確了解電機在那一刻發(fā)生的情況，您需要盡可能靠近地對所有這些信號進(jìn)行采樣。想象一下，試圖通過在不同時間拍攝球場的不同部分，然后將它們拼接在一起來捕捉一場足球比賽。結(jié)果可能是對實際戲劇的非常不準(zhǔn)確的描述。但是將同時拍攝的圖像拼接在一起會得到更好的照片。同樣的事情也適用于具有多個輸入的控制系統(tǒng)。這就是為什么大多數(shù)為數(shù)字控制設(shè)計的 TI 處理器都包含具有多個通道的 ADC，這些通道可以同時采樣。此外，如果您的系統(tǒng)使用編碼器或解析器，同樣的要求也適用于它。如果您要通過 Park 變換來轉(zhuǎn)換當(dāng)前讀數(shù)，則必須在與當(dāng)前讀數(shù)完全相同的時間獲取捕獲的角度信息。否則，計算出的當(dāng)前空間向量將存在空間相位誤差。這個問題在更高的電機速度下更加嚴(yán)重。計算出的當(dāng)前空間矢量會存在空間相位誤差。這個問題在更高的電機速度下更加嚴(yán)重。計算出的當(dāng)前空間矢量會存在空間相位誤差。這個問題在更高的電機速度下更加嚴(yán)重。

現(xiàn)在讓我們討論為什么同步采樣如此重要。大多數(shù)電機控制系統(tǒng)利用 PWM 信號來驅(qū)動電機。這會導(dǎo)致您的輸入信號受到由 PWM 載波頻率的整數(shù)諧波組成的噪聲的污染。幸運的是，在許多情況下，您可以通過明智地將采樣間隔與 PWM 波形同步來“混疊”掉所有這些噪聲諧波。下面顯示了一個常見示例，其中在使用中心對齊 PWM 時對電流波形進(jìn)行采樣。就在 PWM 信號的 ON 脈沖或 OFF 脈沖的中心，電流波形將過渡到該 PWM 周期的理論平均值。嘗試通過軟件準(zhǔn)確計時這一時刻是極其困難的。這就是為什么大多數(shù) TI 專為數(shù)字控制應(yīng)用設(shè)計的微控制器都允許 ADC 由 PWM 模塊選擇性觸發(fā)的原因。我將在本系列的稍后部分對此進(jìn)行更多說明。