應(yīng)用工程師咨詢—38：更好、更快的開環(huán)增益測量

在利用反饋的系統(tǒng)中，反饋網(wǎng)絡(luò)是針對特定增益和相位關(guān)系配置的電路，例如，可調(diào)比例-積分-差分（PID）控制器用于操縱環(huán)路增益和/或相位以確保穩(wěn)定性（見圖1）。通常需要在特定配置中測量該反饋網(wǎng)絡(luò)的性能，以便對開環(huán)行為進(jìn)行建模。但這種類型的測量通常具有挑戰(zhàn)性。例如，積分器的低頻增益可能非常高，通常超過常規(guī)測試和測量設(shè)備的測量范圍。這種測量的目標(biāo)是使用可用的工具和少量的特殊電路，以最小的努力快速表征網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)。

圖1.實現(xiàn)反饋的基本系統(tǒng)。

問：這是有道理的。我有一個項目的例子，我歡迎提出建議。

答：跟我說說吧。

問：為了鑒定最近的設(shè)計，我一直在研究可編程反饋網(wǎng)絡(luò)，需要收集硬數(shù)據(jù)來驗證預(yù)期的行為。為了收集數(shù)據(jù)，我評估了可用的測試設(shè)備，并使用通用接口總線（GPIB）IEEE-488接口卡，簡單的數(shù)字示波器和任意函數(shù)發(fā)生器拼湊出一個粗略的開環(huán)測量系統(tǒng)（見圖2）。

圖2.測試系統(tǒng)的功能模型。

使用可用于 GPIB 接口的開發(fā)人員庫，我編寫了軟件來執(zhí)行波特圖的數(shù)據(jù)點(diǎn)收集。就像我們在工程學(xué)院學(xué)到的手工繪制波特圖一樣，函數(shù)發(fā)生器被設(shè)置為以一組頻率逐點(diǎn)輸出正弦波作為系統(tǒng)的“輸入”。然后，示波器測量系統(tǒng)輸入和系統(tǒng)輸出，以計算給定頻率下的增益。

答：結(jié)果如何？

Q. 在對被測設(shè)備進(jìn)行多次迭代后，使用標(biāo)準(zhǔn)實驗室設(shè)備在預(yù)算內(nèi)執(zhí)行開環(huán)測量的故障變得明顯。高精度需要許多數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個數(shù)據(jù)點(diǎn)僅消耗大量時間在軟件和測試設(shè)備之間交換消息。示波器的分辨率也成為一個因素：在低輸入幅度下，噪聲主導(dǎo)系統(tǒng)，使觸發(fā)變得困難。我還觀察到間歇性的流氓數(shù)據(jù)樣本（見圖3）。經(jīng)過調(diào)查，我發(fā)現(xiàn)這些錯誤的樣本發(fā)生在測試設(shè)備完成其設(shè)置更新之前，實際上是系統(tǒng)建立時間問題。最后，每次測試都消耗了令人難以置信的35分鐘。通過分析測試的時間使用情況，我發(fā)現(xiàn)，對于每個樣品，大部分時間都花在主機(jī)和測試設(shè)備之間的通信上，而不是實際執(zhí)行測量。

圖3.在相同配置的三個不同測試中收集的樣本。

答：如果要實現(xiàn)硬件功能來替換軟件例程，執(zhí)行時間會縮短。例如，利用可用的 I2C串行總線 在可編程設(shè)備上，發(fā)送ASCII字符以形成基于文本的命令消息所花費(fèi)的時間更少。通過進(jìn)行此更改，您將從測試循環(huán)中刪除多個抽象和解釋層，從而對系統(tǒng)操作進(jìn)行精確和直接的控制。

問：實施此類方案需要哪些硬件設(shè)備？

A. 使用寬帶直接數(shù)字頻率合成器（DDS）IC（如AD5932）代替函數(shù)發(fā)生器。該DDS為您的設(shè)計提供出色的頻率范圍和高質(zhì)量的正弦輸出。應(yīng)用一對對數(shù)放大器IC（如AD8307）和差動放大器，增益測量變得非常簡單。采集系統(tǒng)的最后一個關(guān)鍵部分是模數(shù)轉(zhuǎn)換器IC，以取代數(shù)字示波器。使用AD7992或AD7994等多輸入ADC可利用兩個可用通道捕獲對數(shù)放大器的結(jié)果并在軟件中執(zhí)行差分運(yùn)算，從而降低系統(tǒng)總成本。修改后的排列如圖 4 所示。

圖4.新測試系統(tǒng)的框圖。

Q. 使用對數(shù)放大器進(jìn)行增益測量如何工作？

一.為了響應(yīng)交流輸入，低成本、易于使用的對數(shù)放大器AD8307可產(chǎn)生直流輸出，相當(dāng)于25歐姆負(fù)載的0 mV/dB輸入功率（每十倍頻程電壓5.50 V）。該器件具有 92 dB 的寬動態(tài)范圍，允許用戶測量高增益開環(huán)電路中遇到的小輸入信號。雖然您實際上不會驅(qū)動50歐姆負(fù)載，但該標(biāo)準(zhǔn)允許將增益（以dB為單位）計算為兩個AD8307器件輸出的差值，用于測量信號輸入和輸出。

問：你能更詳細(xì)地解釋一下嗎？

答：我們首先簡要回顧一下對數(shù)規(guī)則：

電功率增益或衰減通常表示為對數(shù)比：由于dB的世界處理交流電壓，在一個和在B是均方根電壓，因此，P一個和PB是平均功率水平。在高阻抗電壓放大器電路中，重點(diǎn)是信號增益，而不是功率增益。所以dB是輸出幅度與輸入幅度之比的對數(shù)表達(dá)式。

在零dB時，電壓比是單位。要以dB為單位表示給定的功率電平測量值，必須將其稱為參考功率電平。在標(biāo)準(zhǔn)實踐中，如果測得的功率等于1 mW，則絕對功率電平為0 dBm（或高于一毫瓦的dB）。對于 50 歐姆負(fù)載，因此，對于0 dBm或1 mW，輸入電壓幅度為316.2 mV（或223.6 mV rms）。如果這是輸入電平，并且被測器件的輸出幅度為3.162 V（增益為10，均方根幅度為2.236 V），則根據(jù)公式6，輸出功率為+20 dBm，與從公式5中的比率表示的電壓增益中獲得的功率相同。只要引用一致，這些值就是一致的。因此，我們可以很容易地找到系統(tǒng)增益。

結(jié)合等式8和等式6，

AD8307在0 dB時的固有輸出約為2.0 V。但是，當(dāng)輸出計算為對數(shù)放大器輸出的差值時，常數(shù)（校準(zhǔn)時）會從公式中消失。

問：您如何找到差異？

答：獲得差異有多種選擇，從易于應(yīng)用的儀表放大器（如AD622或AD627）到分立式多運(yùn)算放大器解決方案，甚至在轉(zhuǎn)換為數(shù)字后的軟件中，可能使用AD7994等多通道ADC。為了獲得最佳精度，設(shè)計人員當(dāng)然必須進(jìn)行校準(zhǔn)，以消除器件之間的增益和失調(diào)誤差。ADI公司網(wǎng)站上提供的數(shù)據(jù)手冊提供了這些信息，以及有關(guān)頻率特定問題的出色提示。

問：您提到了直接數(shù)字頻率合成器AD5932。什么？

答：AD5932 DDS是一款簡單、可編程、數(shù)字控制的波形發(fā)生器。使用一些簡單的指令，用戶可以配置正弦波，例如，具有完整的頻率和相位曲線。雖然此設(shè)備不具有I2C 接口，I 上的 GPIO 設(shè)備2C 總線可以執(zhí)行位敲擊操作來模擬預(yù)期的接口。配置完成后，對 GPIO 設(shè)備的單次寫入可以增加輸出頻率。

AD5932的峰峰值輸出為580 mV，在大多數(shù)情況下，該值對于開環(huán)增益測量來說太大。所需的衰減取決于適合被測器件在其指定輸出電平下進(jìn)行增益測量的輸入電平。如果輸入信號太大，輸出將失真，甚至削波，從而產(chǎn)生錯誤的測量結(jié)果。如果信號太小，失調(diào)誤差和噪聲將主導(dǎo)波形的輸出并導(dǎo)致問題。典型信號從10 mV的幅度開始，然后增加以產(chǎn)生指定的器件輸出值，或者在沒有削波或失真的情況下達(dá)到最大值，因為失真會導(dǎo)致測量誤差。

問：你能給我舉個例子來說明它是如何工作的嗎？

A. 如圖4所示組裝電路構(gòu)建模塊后，您可以先使用單位增益放大器驗證（或校準(zhǔn)）性能，然后使用增益為10的放大器代替被測器件。

圖5是一個測量示例，顯示單位增益和增益為10，實際高約1 dB，變化保持在±1 dB以內(nèi)。

圖5.用于鑒定性能的校準(zhǔn)增益數(shù)據(jù)示例。

請注意，1 dB設(shè)置的未校準(zhǔn)超額增益為+20 dB。

作為另一個例子，一旦獲得對該技術(shù)的信心，就可以測試具有已知行為的樣本設(shè)備。圖6顯示了一個典型結(jié)果，疊加在先前收集的數(shù)據(jù)上，以驗證該方法與您所描述的方法的準(zhǔn)確性。測試結(jié)果顯示誤差約為±0.5 dB，表明新系統(tǒng)測量具有相同的測量特性，但噪聲要低得多，建立時間更快。

圖6.結(jié)合新（藍(lán)色）和舊（綠色）數(shù)據(jù)的波特圖數(shù)據(jù)。

注意傳統(tǒng)系統(tǒng)的“采樣噪聲”。

設(shè)備：

NI 卡總線 GPIB 適配器

帶 GPIB 的泰克 TDS3032B

帶 GPIB 的泰克 AFG320

問：相關(guān)性看起來不錯，并且似乎沒有在早期方法中繪制的異常值。掃描這組測量值需要多長時間？

答：每次測試運(yùn)行在 35 秒內(nèi)完成。

問：哇！這是大約6000%的改進(jìn)。

A.是的，此外，設(shè)計的簡單性使其易于在嵌入式系統(tǒng)中使用，因為大多數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算都由對數(shù)放大器管理。聰明的設(shè)計人員還可以集成相位測量設(shè)備，并將該系統(tǒng)變成真正的波特繪圖儀。而且，您可以使用單芯片增益和相位測量對數(shù)放大器AD8302獲得適用于高頻應(yīng)用的一體化解決方案。

審核編輯：郭婷