在利用反饋的系統(tǒng)中，反饋網(wǎng)絡(luò)是針對(duì)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(jiàn)圖1）。通常需要在特定配置中測(cè)量該反饋網(wǎng)絡(luò)的性能，以便對(duì)開(kāi)環(huán)行為進(jìn)行建模。但這種類型的測(cè)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(guò)常規(guī)測(cè)試和測(cè)量設(shè)備的測(cè)量范圍。這種測(cè)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(shí)現(xiàn)反饋的基本系統(tǒng)。

問(wèn)：這是有道理的。我有一個(gè)項(xiàng)目的例子，我歡迎提出建議。

答：跟我說(shuō)說(shuō)吧。

問(wèn)：為了鑒定最近的設(shè)計(jì)，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(lái)驗(yàn)證預(yù)期的行為。為了收集數(shù)據(jù)，我評(píng)估了可用的測(cè)試設(shè)備，并使用通用接口總線（GPIB）IEEE-488接口卡，簡(jiǎn)單的數(shù)字示波器和任意函數(shù)發(fā)生器拼湊出一個(gè)粗略的開(kāi)環(huán)測(cè)量系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）。

圖2.測(cè)試系統(tǒng)的功能模型。

使用可用于 GPIB 接口的開(kāi)發(fā)人員庫(kù)，我編寫(xiě)了軟件來(lái)執(zhí)行波特圖的數(shù)據(jù)點(diǎn)收集。就像我們?cè)诠こ虒W(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(cè)量系統(tǒng)輸入和系統(tǒng)輸出，以計(jì)算給定頻率下的增益。

答：結(jié)果如何？

Q. 在對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行多次迭代后，使用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備在預(yù)算內(nèi)執(zhí)行開(kāi)環(huán)測(cè)量的故障變得明顯。高精度需要許多數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)僅消耗大量時(shí)間在軟件和測(cè)試設(shè)備之間交換消息。示波器的分辨率也成為一個(gè)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(jiàn)圖3）。經(jīng)過(guò)調(diào)查，我發(fā)現(xiàn)這些錯(cuò)誤的樣本發(fā)生在測(cè)試設(shè)備完成其設(shè)置更新之前，實(shí)際上是系統(tǒng)建立時(shí)間問(wèn)題。最后，每次測(cè)試都消耗了令人難以置信的35分鐘。通過(guò)分析測(cè)試的時(shí)間使用情況，我發(fā)現(xiàn)，對(duì)于每個(gè)樣品，大部分時(shí)間都花在主機(jī)和測(cè)試設(shè)備之間的通信上，而不是實(shí)際執(zhí)行測(cè)量。

圖3.在相同配置的三個(gè)不同測(cè)試中收集的樣本。

答：如果要實(shí)現(xiàn)硬件功能來(lái)替換軟件例程，執(zhí)行時(shí)間會(huì)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(shí)間更少。通過(guò)進(jìn)行此更改，您將從測(cè)試循環(huán)中刪除多個(gè)抽象和解釋層，從而對(duì)系統(tǒng)操作進(jìn)行精確和直接的控制。

問(wèn)：實(shí)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(jì)提供出色的頻率范圍和高質(zhì)量的正弦輸出。應(yīng)用一對(duì)對(duì)數(shù)放大器IC（如AD8307）和差動(dòng)放大器，增益測(cè)量變得非常簡(jiǎn)單。采集系統(tǒng)的最后一個(gè)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(gè)可用通道捕獲對(duì)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(cè)試系統(tǒng)的框圖。

Q. 使用對(duì)數(shù)放大器進(jìn)行增益測(cè)量如何工作？

一.為了響應(yīng)交流輸入，低成本、易于使用的對(duì)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(dòng)態(tài)范圍，允許用戶測(cè)量高增益開(kāi)環(huán)電路中遇到的小輸入信號(hào)。雖然您實(shí)際上不會(huì)驅(qū)動(dòng)50歐姆負(fù)載，但該標(biāo)準(zhǔn)允許將增益（以dB為單位）計(jì)算為兩個(gè)AD8307器件輸出的差值，用于測(cè)量信號(hào)輸入和輸出。

問(wèn)：你能更詳細(xì)地解釋一下嗎？

答：我們首先簡(jiǎn)要回顧一下對(duì)數(shù)規(guī)則：

電功率增益或衰減通常表示為對(duì)數(shù)比：由于dB的世界處理交流電壓，在一個(gè)和在B是均方根電壓，因此，P一個(gè)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(hào)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(duì)數(shù)表達(dá)式。

在零dB時(shí)，電壓比是單位。要以dB為單位表示給定的功率電平測(cè)量值，必須將其稱為參考功率電平。在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐中，如果測(cè)得的功率等于1 mW，則絕對(duì)功率電平為0 dBm（或高于一毫瓦的dB）。對(duì)于 50 歐姆負(fù)載，因此，對(duì)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(cè)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(shí)的固有輸出約為2.0 V。但是，當(dāng)輸出計(jì)算為對(duì)數(shù)放大器輸出的差值時(shí)，常數(shù)（校準(zhǔn)時(shí)）會(huì)從公式中消失。

問(wèn)：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(jì)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(cè)提供了這些信息，以及有關(guān)頻率特定問(wèn)題的出色提示。

問(wèn)：您提到了直接數(shù)字頻率合成器AD5932。什么？

答：AD5932 DDS是一款簡(jiǎn)單、可編程、數(shù)字控制的波形發(fā)生器。使用一些簡(jiǎn)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(lái)模擬預(yù)期的接口。配置完成后，對(duì) GPIO 設(shè)備的單次寫(xiě)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(duì)于開(kāi)環(huán)增益測(cè)量來(lái)說(shuō)太大。所需的衰減取決于適合被測(cè)器件在其指定輸出電平下進(jìn)行增益測(cè)量的輸入電平。如果輸入信號(hào)太大，輸出將失真，甚至削波，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。如果信號(hào)太小，失調(diào)誤差和噪聲將主導(dǎo)波形的輸出并導(dǎo)致問(wèn)題。典型信號(hào)從10 mV的幅度開(kāi)始，然后增加以產(chǎn)生指定的器件輸出值，或者在沒(méi)有削波或失真的情況下達(dá)到最大值，因?yàn)槭д鏁?huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。

問(wèn)：你能給我舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)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(yàn)證（或校準(zhǔn)）性能，然后使用增益為10的放大器代替被測(cè)器件。

圖5是一個(gè)測(cè)量示例，顯示單位增益和增益為10，實(shí)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(qǐng)注意，1 dB設(shè)置的未校準(zhǔn)超額增益為+20 dB。

作為另一個(gè)例子，一旦獲得對(duì)該技術(shù)的信心，就可以測(cè)試具有已知行為的樣本設(shè)備。圖6顯示了一個(gè)典型結(jié)果，疊加在先前收集的數(shù)據(jù)上，以驗(yàn)證該方法與您所描述的方法的準(zhǔn)確性。測(cè)試結(jié)果顯示誤差約為±0.5 dB，表明新系統(tǒng)測(cè)量具有相同的測(cè)量特性，但噪聲要低得多，建立時(shí)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(wèn)：相關(guān)性看起來(lái)不錯(cuò)，并且似乎沒(méi)有在早期方法中繪制的異常值。掃描這組測(cè)量值需要多長(zhǎng)時(shí)間？

答：每次測(cè)試運(yùn)行在 35 秒內(nèi)完成。

問(wèn)：哇！這是大約6000%的改進(jìn)。

A.是的，此外，設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性使其易于在嵌入式系統(tǒng)中使用，因?yàn)榇蠖鄶?shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算都由對(duì)數(shù)放大器管理。聰明的設(shè)計(jì)人員還可以集成相位測(cè)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(cè)量對(duì)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