更好、更快的開(kāi)環(huán)增益測(cè)試方法

在使用反饋的系統(tǒng)中，反饋網(wǎng)絡(luò)是一種經(jīng)過(guò)配置而獲得特定增益和相位關(guān)系的電路，比如，一個(gè)可調(diào)節(jié)的比例積分差分(PID)控制器，用于調(diào)整環(huán)路的增益或相位以保證穩(wěn)定性(見(jiàn)圖1)。我們往往需要對(duì)這個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)在特定配置下的性能進(jìn)行測(cè)量，以便對(duì)它的開(kāi)環(huán)特性建立模型。但這樣的測(cè)試通?？偸呛芾щy的。例如，積分器的低頻增益可以非常高，一般會(huì)超出常用測(cè)試儀的測(cè)量范圍。所以，這些測(cè)試的目的是，使用現(xiàn)有的工具和少量的專(zhuān)用電路，以最小的工作量，快速地得到網(wǎng)絡(luò)頻率響應(yīng)的特性。

圖1 一個(gè)基本的反饋系統(tǒng)

問(wèn)：您說(shuō)得有道理。我有一個(gè)實(shí)際的項(xiàng)目，希望得到您的建議。

答：請(qǐng)講。

問(wèn)：為了驗(yàn)證最近一個(gè)項(xiàng)目是否合格，我一直在使用一個(gè)可編程反饋網(wǎng)絡(luò)，并且要求收集實(shí)際的數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證其是否達(dá)到了所要求的性能。為了收集數(shù)據(jù)，我估算了一下已有的測(cè)試設(shè)備，然后把它們連接起來(lái)，組成了一個(gè)簡(jiǎn)陋的開(kāi)環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，其中使用了一個(gè)通用接口總線(xiàn)IEEE-488接口板，一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字示波器，一個(gè)任意函數(shù)發(fā)生器(見(jiàn)圖2)。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)的功能模型

我使用了現(xiàn)有的GPIB 接口開(kāi)發(fā)軟件庫(kù)，寫(xiě)好了程序，以此來(lái)收集繪制伯德圖所用的數(shù)據(jù)點(diǎn)，這非常象我們?cè)诠た拼髮W(xué)中學(xué)到的手工繪制伯德圖。將函數(shù)發(fā)生器設(shè)置為輸出正弦波，逐漸改變正弦波的頻率，以此作為系統(tǒng)的“輸入”。然后，用示波器測(cè)量出系統(tǒng)的輸入和輸出，并以此計(jì)算出給定頻率點(diǎn)上的增益。

答：那么結(jié)果怎樣？

問(wèn)：在對(duì)被測(cè)器件經(jīng)過(guò)反反復(fù)復(fù)的多次測(cè)試之后，利用標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行開(kāi)環(huán)測(cè)量而超出預(yù)定時(shí)間的問(wèn)題就顯現(xiàn)了出來(lái)。高精度的測(cè)量需要許多數(shù)據(jù)點(diǎn)，而對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，僅僅為了在軟件和測(cè)試設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)，就需要花費(fèi)大量的時(shí)間。示波器的分辨率也成為其中的一個(gè)原因：在輸入幅度很小的時(shí)候，由于噪聲占據(jù)了系統(tǒng)的主要成分而使觸發(fā)變得非常困難。我也觀(guān)察到了間歇性的錯(cuò)誤樣點(diǎn)(見(jiàn)圖3)。對(duì)錯(cuò)誤樣點(diǎn)進(jìn)行分析，我發(fā)現(xiàn)這些錯(cuò)誤的樣點(diǎn)是在測(cè)試設(shè)備完成更新之前出現(xiàn)的，這實(shí)際上是一個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間的問(wèn)題。到最后，每個(gè)測(cè)試不可思議地花費(fèi)了大約35分鐘的時(shí)間。在分析測(cè)試中如何使用這些時(shí)間的時(shí)候，我發(fā)現(xiàn)，對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，大部分時(shí)間是用于主機(jī)與測(cè)試設(shè)備之間的通訊，而不是用于實(shí)際的測(cè)試。

圖3 同一結(jié)構(gòu)的三個(gè)不同測(cè)試中所采集到的數(shù)據(jù)樣點(diǎn)

答：如果用硬件功能來(lái)代替軟件程序，那么，執(zhí)行時(shí)間將可得到改善。例如，在可編程器件上使用已有的I²C串行總線(xiàn)，那么，在傳送ASCII 字符以形成文本式命令消息的時(shí)候就會(huì)占用較短的時(shí)間。這樣調(diào)整之后，測(cè)試環(huán)路中省去了幾個(gè)抽象層和命令解釋的操作，結(jié)果是實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)操作精確和直接的控制。

問(wèn)：那么，實(shí)現(xiàn)這樣的測(cè)試方式將需要哪些硬件電路呢？

答：使用寬帶直接數(shù)字頻率合成器(DDS)，例如AD5932¹以取代函數(shù)發(fā)生器。這個(gè)DDS可以給你的設(shè)計(jì)提供極好的頻率范圍和高品質(zhì)的正弦波輸出。當(dāng)使用AD8307²對(duì)數(shù)放大器和一個(gè)差分放大器之后，增益的測(cè)量就變得非常簡(jiǎn)單。而最后一個(gè)關(guān)鍵性的采集系統(tǒng)硬件是一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用以取代數(shù)字示波器。利用一個(gè)多通道輸入的ADC，比如AD7992³或者AD7994⁴將會(huì)降低系統(tǒng)的總費(fèi)用，這樣，我們可以使用其中的兩個(gè)已有通道來(lái)采集對(duì)數(shù)放大器的結(jié)果，然后用軟件來(lái)完成差值計(jì)算。改變之后的測(cè)試結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 新的測(cè)試系統(tǒng)框圖

問(wèn)：采用對(duì)數(shù)放大器的增益測(cè)量方法是如何進(jìn)行的？

答：在ac輸入的情況下，低成本和使用方便的對(duì)數(shù)放大器AD8307會(huì)在50歐姆的負(fù)載上產(chǎn)生一個(gè)dc輸出，該輸出等價(jià)于25mV/dB的輸入功率(0.5V每十倍電壓)。AD8307具有92 dB的動(dòng)態(tài)范圍，可以用來(lái)測(cè)量高增益開(kāi)環(huán)電路中存在的非常小的輸入信號(hào)。當(dāng)你實(shí)際上不是去驅(qū)動(dòng)50 歐姆負(fù)載的時(shí)候，這個(gè)方案將允許你使用兩個(gè)AD8307器件的輸出之間的差值來(lái)計(jì)算增益(以dB計(jì)算)，而這兩個(gè)放大器所測(cè)試的是信號(hào)的輸入和輸出。

問(wèn)：你可否對(duì)此作更為詳細(xì)的解釋?zhuān)?/p>

答：我們簡(jiǎn)單地回顧一下對(duì)數(shù)的計(jì)算方法：