应用工程师咨询—38：更好、更快的开环增益测量

在利用反馈的系统中，反馈网络是针对特定增益和相位关系配置的电路，例如，可调比例-积分-差分（PID）控制器用于操纵环路增益和/或相位以确保稳定性（见图1）。通常需要在特定配置中测量该反馈网络的性能，以便对开环行为进行建模。但这种类型的测量通常具有挑战性。例如，积分器的低频增益可能非常高，通常超过常规测试和测量设备的测量范围。这种测量的目标是使用可用的工具和少量的特殊电路，以最小的努力快速表征网络的频率响应。

图1.实现反馈的基本系统。

问：这是有道理的。我有一个项目的例子，我欢迎提出建议。

答：跟我说说吧。

问：为了鉴定最近的设计，我一直在研究可编程反馈网络，需要收集硬数据来验证预期的行为。为了收集数据，我评估了可用的测试设备，并使用通用接口总线（GPIB）IEEE-488接口卡，简单的数字示波器和任意函数发生器拼凑出一个粗略的开环测量系统（见图2）。

图2.测试系统的功能模型。

使用可用于 GPIB 接口的开发人员库，我编写了软件来执行波特图的数据点收集。就像我们在工程学院学到的手工绘制波特图一样，函数发生器被设置为以一组频率逐点输出正弦波作为系统的“输入”。然后，示波器测量系统输入和系统输出，以计算给定频率下的增益。

答：结果如何？

Q. 在对被测设备进行多次迭代后，使用标准实验室设备在预算内执行开环测量的故障变得明显。高精度需要许多数据点，每个数据点仅消耗大量时间在软件和测试设备之间交换消息。示波器的分辨率也成为一个因素：在低输入幅度下，噪声主导系统，使触发变得困难。我还观察到间歇性的流氓数据样本（见图3）。经过调查，我发现这些错误的样本发生在测试设备完成其设置更新之前，实际上是系统建立时间问题。最后，每次测试都消耗了令人难以置信的35分钟。通过分析测试的时间使用情况，我发现，对于每个样品，大部分时间都花在主机和测试设备之间的通信上，而不是实际执行测量。

图3.在相同配置的三个不同测试中收集的样本。

答：如果要实现硬件功能来替换软件例程，执行时间会缩短。例如，利用可用的 I2C串行总线 在可编程设备上，发送ASCII字符以形成基于文本的命令消息所花费的时间更少。通过进行此更改，您将从测试循环中删除多个抽象和解释层，从而对系统操作进行精确和直接的控制。

问：实施此类方案需要哪些硬件设备？

A. 使用宽带直接数字频率合成器（DDS）IC（如AD5932）代替函数发生器。该DDS为您的设计提供出色的频率范围和高质量的正弦输出。应用一对对数放大器IC（如AD8307）和差动放大器，增益测量变得非常简单。采集系统的最后一个关键部分是模数转换器IC，以取代数字示波器。使用AD7992或AD7994等多输入ADC可利用两个可用通道捕获对数放大器的结果并在软件中执行差分运算，从而降低系统总成本。修改后的排列如图 4 所示。

图4.新测试系统的框图。

Q. 使用对数放大器进行增益测量如何工作？

一.为了响应交流输入，低成本、易于使用的对数放大器AD8307可产生直流输出，相当于25欧姆负载的0 mV/dB输入功率（每十倍频程电压5.50 V）。该器件具有 92 dB 的宽动态范围，允许用户测量高增益开环电路中遇到的小输入信号。虽然您实际上不会驱动50欧姆负载，但该标准允许将增益（以dB为单位）计算为两个AD8307器件输出的差值，用于测量信号输入和输出。

问：你能更详细地解释一下吗？

答：我们首先简要回顾一下对数规则：

电功率增益或衰减通常表示为对数比：由于dB的世界处理交流电压，在一个和在B是均方根电压，因此，P一个和PB是平均功率水平。在高阻抗电压放大器电路中，重点是信号增益，而不是功率增益。所以dB是输出幅度与输入幅度之比的对数表达式。

在零dB时，电压比是单位。要以dB为单位表示给定的功率电平测量值，必须将其称为参考功率电平。在标准实践中，如果测得的功率等于1 mW，则绝对功率电平为0 dBm（或高于一毫瓦的dB）。对于 50 欧姆负载，因此，对于0 dBm或1 mW，输入电压幅度为316.2 mV（或223.6 mV rms）。如果这是输入电平，并且被测器件的输出幅度为3.162 V（增益为10，均方根幅度为2.236 V），则根据公式6，输出功率为+20 dBm，与从公式5中的比率表示的电压增益中获得的功率相同。只要引用一致，这些值就是一致的。因此，我们可以很容易地找到系统增益。

结合等式8和等式6，

 

 

AD8307在0 dB时的固有输出约为2.0 V。但是，当输出计算为对数放大器输出的差值时，常数（校准时）会从公式中消失。

问：您如何找到差异？

答：获得差异有多种选择，从易于应用的仪表放大器（如AD622或AD627）到分立式多运算放大器解决方案，甚至在转换为数字后的软件中，可能使用AD7994等多通道ADC。为了获得最佳精度，设计人员当然必须进行校准，以消除器件之间的增益和失调误差。ADI公司网站上提供的数据手册提供了这些信息，以及有关频率特定问题的出色提示。

问：您提到了直接数字频率合成器AD5932。什么？

答：AD5932 DDS是一款简单、可编程、数字控制的波形发生器。使用一些简单的指令，用户可以配置正弦波，例如，具有完整的频率和相位曲线。虽然此设备不具有I2C 接口，I 上的 GPIO 设备2C 总线可以执行位敲击操作来模拟预期的接口。配置完成后，对 GPIO 设备的单次写入可以增加输出频率。

AD5932的峰峰值输出为580 mV，在大多数情况下，该值对于开环增益测量来说太大。所需的衰减取决于适合被测器件在其指定输出电平下进行增益测量的输入电平。如果输入信号太大，输出将失真，甚至削波，从而产生错误的测量结果。如果信号太小，失调误差和噪声将主导波形的输出并导致问题。典型信号从10 mV的幅度开始，然后增加以产生指定的器件输出值，或者在没有削波或失真的情况下达到最大值，因为失真会导致测量误差。

问：你能给我举个例子来说明它是如何工作的吗？

A. 如图4所示组装电路构建模块后，您可以先使用单位增益放大器验证（或校准）性能，然后使用增益为10的放大器代替被测器件。

图5是一个测量示例，显示单位增益和增益为10，实际高约1 dB，变化保持在±1 dB以内。

图5.用于鉴定性能的校准增益数据示例。

请注意，1 dB设置的未校准超额增益为+20 dB。

作为另一个例子，一旦获得对该技术的信心，就可以测试具有已知行为的样本设备。图6显示了一个典型结果，叠加在先前收集的数据上，以验证该方法与您所描述的方法的准确性。测试结果显示误差约为±0.5 dB，表明新系统测量具有相同的测量特性，但噪声要低得多，建立时间更快。

图6.结合新（蓝色）和旧（绿色）数据的波特图数据。

注意传统系统的“采样噪声”。

设备：

NI 卡总线 GPIB 适配器

带 GPIB 的泰克 TDS3032B

带 GPIB 的泰克 AFG320

问：相关性看起来不错，并且似乎没有在早期方法中绘制的异常值。扫描这组测量值需要多长时间？

答：每次测试运行在 35 秒内完成。

问：哇！这是大约6000%的改进。

A.是的，此外，设计的简单性使其易于在嵌入式系统中使用，因为大多数数学运算都由对数放大器管理。聪明的设计人员还可以集成相位测量设备，并将该系统变成真正的波特绘图仪。而且，您可以使用单芯片增益和相位测量对数放大器AD8302获得适用于高频应用的一体化解决方案。

审核编辑：郭婷