如何定制數(shù)字控制回路的模擬組件

移動、汽車和物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 電氣和電子系統(tǒng)的加速部署，加上上市時間窗口的縮短，導(dǎo)致需要對支持它們的 IC 進(jìn)行更快速、更低成本的測試。

要實現(xiàn)這些目標(biāo)，需要具有更大靈活性和模塊化的自動化IC測試平臺，以及減少元件數(shù)量，以節(jié)省成本和空間。

為了滿足這些要求，設(shè)計人員正在從經(jīng)典的模擬控制器轉(zhuǎn)向易于編程的數(shù)字控制環(huán)路，以實現(xiàn)環(huán)路穩(wěn)定性。雖然數(shù)字控制器去掉了電阻、電容和開關(guān)，但模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的分辨率和精度會極大地影響數(shù)字控制環(huán)路架構(gòu)的整體精度。

本文簡要討論數(shù)字控制環(huán)路的優(yōu)點。然后討論實現(xiàn)過程中的挑戰(zhàn)，例如時序和轉(zhuǎn)換器噪聲誤差源，以及通過仔細(xì)關(guān)注ADC的吞吐速率和信噪比（SNR）以及DAC的建立時間和噪聲頻譜密度規(guī)格來管理這些挑戰(zhàn)。

然后介紹ADI公司的AD4630-24、24位逐次逼近寄存器（SAR）ADC和ADI公司的AD5791電壓輸出DAC。這兩種設(shè)備結(jié)合使用時，可以構(gòu)成用于精密儀器測量的高精度和靈活的數(shù)字控制器的基礎(chǔ)。

數(shù)字控制回路

在工程系統(tǒng)中，控制器可確保令人滿意的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)行為。模擬控制器實現(xiàn)具有模擬輸入和輸出，其中信號沿連續(xù)時間間隔存在，值在連續(xù)幅度范圍內(nèi)。傳感器測量受控變量并將其行為與參考信號進(jìn)行比較。測試控制操作使用誤差信號，即參考值與實際值之間的差異（圖 1）。

圖 1：模擬系統(tǒng)電機控制器使用各種放大器 （U1-U5） 以及一組預(yù)定的電阻和電容值。（圖片來源：Quora）

直觀地說，具有連續(xù)系統(tǒng)模擬輸出的控制器似乎優(yōu)于具有采樣輸出值的數(shù)字控制器（圖 2）。

圖 2：采用數(shù)字控制器配置的測量系統(tǒng)，帶有一個 DAC、兩個 ADC、模擬放大器和開關(guān)。（圖片來源：邦妮·貝克）

邏輯將指向模擬控制器中的控制變量或輸出，這些變量或輸出不斷變化，以實現(xiàn)比數(shù)字結(jié)構(gòu)中周期性變化的測量更好的控制。

此扣除是有效的。假設(shè)所有其他數(shù)字和模擬控制因素相同，則模擬控制優(yōu)于數(shù)字控制。那么，為什么要將經(jīng)典控制器從模擬改為數(shù)字呢？這五個原因是準(zhǔn)確性、實施錯誤、靈活性、速度和成本。

準(zhǔn)確性： 模擬信號的數(shù)字表示形式為零和一，通常最多使用 32 位來表示單個模擬值（圖 2）。這些轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生需要解決的小數(shù)字量化誤差。另一方面，模擬信號具有電源漂移和外部噪聲，會降低模擬信號的性能。這些模擬溫度和時間相關(guān)的漂移難以控制且成本高昂，而老化和溫度對數(shù)字控制器的影響可以忽略不計。

實現(xiàn)錯誤： 數(shù)字控制器中的實現(xiàn)誤差可以忽略不計。這是因為控制信號的數(shù)字處理使用存儲的數(shù)值進(jìn)行加法和乘法功能，而不是模擬元件的溫度漂移誤差，以及電阻器、電容器和電感器不可靠的開箱即用精度。此外，數(shù)字控制器的時間常數(shù)設(shè)置很容易在軟件中修改，而模擬控制器具有固定數(shù)量的可用時間常數(shù)。數(shù)字控制器的更改可以即時進(jìn)行，使儀器能夠適應(yīng)各種負(fù)載條件并提高整體測試效率。

靈活性： 模擬控制器存在靈活性方面的困難。硬件設(shè)計完成后，對印刷電路板的修改既耗時又昂貴。使用數(shù)字控制器，修改很容易實現(xiàn) - 直至完全代碼替換。此外，對數(shù)字控制器的形狀或結(jié)構(gòu)沒有限制，并且可以輕松實現(xiàn)涉及額外算術(shù)選項的復(fù)雜控制器結(jié)構(gòu)。

速度： 計算性能繼續(xù)呈指數(shù)級增長。這種增加使得以非常高的速率采樣和管理信號成為可能，并且樣本之間的間隔越來越小?，F(xiàn)代數(shù)字控制器的性能相當(dāng)于連續(xù)模擬監(jiān)控系統(tǒng)。

成本： 由于半導(dǎo)體制造的進(jìn)步，IC的成本持續(xù)下降，使數(shù)字控制器更加經(jīng)濟(jì)，即使對于小型低成本應(yīng)用也是如此。

數(shù)字控制器的模擬實現(xiàn)挑戰(zhàn)

ADC和DAC位于模擬域和數(shù)字域的邊界，兩者都具有不同的電氣特性。訣竅是發(fā)現(xiàn)兩個設(shè)備之間的互補規(guī)格，以便它們可以在同一系統(tǒng)中共存。從系統(tǒng)吞吐量的角度來看，確定整體傳輸?shù)乃俣群驮肼曁匦灾陵P(guān)重要。

ADC 和 DAC 時序估計

ADC的吞吐速率通常有一個明確的定義，單位為每秒兆采樣數(shù)（MSPS）或每秒千采樣數(shù)（kSPS）。以頻率赫茲為單位的吞吐時間是以秒為單位的吞吐速率的倒數(shù)。吞吐時間是轉(zhuǎn)換器采樣、采集、數(shù)字化和準(zhǔn)備后續(xù)轉(zhuǎn)換所需的時間。此時間也是連續(xù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用程序中的最小轉(zhuǎn)換時間。規(guī)格單位定義完整輸出字的轉(zhuǎn)換速度。例如，如果 ADC 具有數(shù)字串行輸出引腳，而轉(zhuǎn)換器具有 24 位引腳，則模擬輸入的整個 24 位轉(zhuǎn)換在另一個轉(zhuǎn)換開始之前傳輸（圖 3）。

圖 3：ADC 時序圖顯示了轉(zhuǎn)換器接受的數(shù)字代碼數(shù)量。（圖片來源：ADI公司）

具有2 MSPS規(guī)格的ADC每500納秒（ns）輸出一個完整的字。遺憾的是，這個單一的轉(zhuǎn)換樣本并不能描繪出模擬輸入信號的完整畫面。根據(jù)奈奎斯特定理，ADC必須產(chǎn)生至少兩個樣本才能產(chǎn)生模擬輸入信號。至少，為了滿足奈奎斯特定理，這個過程現(xiàn)在需要兩倍500 ns或1微秒（μs）的時間。這是創(chuàng)建模擬信號骨架的最小樣本數(shù)。最好使用四個或八個樣本以數(shù)字方式重新創(chuàng)建模擬信號。

轉(zhuǎn)到DAC規(guī)格，DAC的輸出電壓建立時間是輸出電壓在指定電壓變化下建立到指定水平所需的時間（圖4）。

圖 4：DAC 表現(xiàn)出建立時間誤差，該誤差捕獲達(dá)到最終值所需的時間。最壞情況下的建立時間誤差通常發(fā)生在輸出在 100 000 和 011 111 ...輸入代碼。（圖片來源：ADI公司）

以圖4為例，DAC在最差情況下建立時間小于1 μs。該值的數(shù)學(xué)倒數(shù)等于1 MHz，也等于1 MSPS。為了符合奈奎斯特標(biāo)準(zhǔn)，DAC必須產(chǎn)生兩個輸出樣本，需要2倍1 μs或2 μs的時間，與ADC一樣，樣本越多越好。

現(xiàn)在，關(guān)于奈奎斯特定理的最后一個故事。根據(jù)該定理，信號的再現(xiàn)至少需要兩個樣本。在這種情況下，定理僅標(biāo)識信號頻率。這就是定理需要應(yīng)用常識的地方。樣本量越大，收集時間越長，但它們會產(chǎn)生更可靠的信號重建。

ADC 和 DAC 頻率噪聲估計

噪聲的定義需要了解實際轉(zhuǎn)換器分辨率和均方根（rms）噪聲。轉(zhuǎn)換器分辨率（如24位、20位或1 ppm）的聲明描述了ADC或DAC輸出或輸入的數(shù)量。例如，24位ADC每次轉(zhuǎn)換產(chǎn)生24個輸出代碼，20位DAC為一次轉(zhuǎn)換收集20個數(shù)字輸入值。但是有了這些值，轉(zhuǎn)換器的頻率精度就沒有定義。

轉(zhuǎn)換器精度的定義取決于SNR或rms噪聲等噪聲規(guī)格。整個輸出頻率范圍內(nèi)的噪聲ADC規(guī)格是典型的分貝（dB）SNR值。信噪比使用公式1計算：

等式 1

ADC或DAC數(shù)據(jù)手冊定義了器件的輸出范圍。噪聲是轉(zhuǎn)換器頻帶上的累積和方根（RSS）。

均方根分辨率使用公式2計算：

等式2

對于SNR為105.7 dB的ADC，均方根分辨率為17.6位，這意味著轉(zhuǎn)換器可以可靠地處理該水平的精度。DAC噪聲規(guī)格通常為頻譜噪聲密度值，因此可以輕松快速轉(zhuǎn)換DAC的實際均方根分辨率。DAC的輸出噪聲使用公式3計算：

等式3

例如，如果 20 位 DAC 的頻譜噪聲密度為 7.5 納伏/√Hz （nV/√Hz），帶寬為 500 kHz，則 DAC噪聲等于 5.3 μV （有效值）。根據(jù)該值，DAC在5V輸出范圍內(nèi)的均方根分辨率等于19.8位。

數(shù)字控制器和精密儀器儀表

用于移動、汽車和物聯(lián)網(wǎng)測試電路的數(shù)字控制器器件測試系統(tǒng)示例包含 9 個器件和一個分立電阻器（圖 5）。本電路中的器件包括微處理器、ADC、DAC、驅(qū)動器放大器、增益可調(diào)儀表放大器和ADI公司的ADG1236SPDT開關(guān)。微處理器管理ADC和DAC之間的數(shù)字接口和數(shù)據(jù)，例如ADI公司的AD4630-24和AD5791。

圖 5：數(shù)字控制器使用微處理器來管理進(jìn)出 ADC 和 DAC 的數(shù)據(jù)。DAC需要一個增益輸出驅(qū)動放大器，ADC需要一個放大器系統(tǒng)來衰減信號。（圖片來源：ADI公司）

AD4630-24是一款2 MSPS、24位±0.9 ppm積分非線性（INL）ADC，SNR為105.7 dB，產(chǎn)生17.6位（rms）。該ADC的轉(zhuǎn)換速度為2 MSPS，至少需要4個輸出采樣才能產(chǎn)生模擬信號。INL表示轉(zhuǎn)換器的直流精度。

AD5791是一款20位±1 LSB、INL 1 μs建立時間7.5 nV/√Hz頻譜密度DAC，最終產(chǎn)生19.8位（rms）。該DAC的速度為1 MSPS，需要4 μs才能準(zhǔn)確生成模擬信號。

該系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換器還需要運算放大器（op amp）接口來管理輸出驅(qū)動和模擬增益。在圖5中，ADI公司的AD8675是一款10 MHz、2.8 nV/√Hz軌到軌輸出運算放大器。該放大器的噪聲使DAC系統(tǒng)的位降至19.1 （rms）。但是，10 MHz放大器帶寬超過了DAC的帶寬。

ADI公司的LTC6373是全差分、可編程增益儀表放大器，可提供增益和一定程度的隔離。如果DAC級實現(xiàn)4 V/V的增益，則LTC6373的增益選項之一是0.25 V/V，這使信號恢復(fù)到原始值。LTC6373 的數(shù)字增益電平的靈活性有助于實現(xiàn)數(shù)字控制器的動態(tài)特性。

結(jié)論

移動、汽車和物聯(lián)網(wǎng)電子測試系統(tǒng)快速發(fā)展的設(shè)計要求 的 上市 時間 壓力 和 成本 已經(jīng) 從 傳統(tǒng) 模擬 控制器 轉(zhuǎn)變 到 數(shù)字 控制 環(huán)路。這些環(huán)路提供更高的精度和靈活性以及更低的成本，但需要仔細(xì)注意ADC和DAC的選擇。

如圖所示，通過將ADI公司的24位SAR ADCAD4630-24與ADI公司的20位電壓輸出DAC5791配對，可以創(chuàng)建用于精密儀器儀表測量的高精度、靈活的數(shù)字控制器。

審核編輯 黃昊宇