在利用反饋的系統中，反饋網絡是針對特定增益和相位關系配置的電路，例如，可調比例-積分-差分（PID）控制器用于操縱環路增益和/或相位以確保穩定性（見圖1）。通常需要在特定配置中測量該反饋網絡的性能，以便對開環行為進行建模。但這種類型的測量通常具有挑戰性。例如，積分器的低頻增益可能非常高，通常超過常規測試和測量設備的測量范圍。這種測量的目標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絡的頻率響應。

圖1.實現反饋的基本系統。

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：為了鑒定最近的設計，我一直在研究可編程反饋網絡，需要收集硬數據來驗證預期的行為。為了收集數據，我評估了可用的測試設備，并使用通用接口總線（GPIB）IEEE-488接口卡，簡單的數字示波器和任意函數發生器拼湊出一個粗略的開環測量系統（見圖2）。

圖2.測試系統的功能模型。

使用可用于 GPIB 接口的開發人員庫，我編寫了軟件來執行波特圖的數據點收集。就像我們在工程學院學到的手工繪制波特圖一樣，函數發生器被設置為以一組頻率逐點輸出正弦波作為系統的“輸入”。然后，示波器測量系統輸入和系統輸出，以計算給定頻率下的增益。

答：結果如何？

Q. 在對被測設備進行多次迭代后，使用標準實驗室設備在預算內執行開環測量的故障變得明顯。高精度需要許多數據點，每個數據點僅消耗大量時間在軟件和測試設備之間交換消息。示波器的分辨率也成為一個因素：在低輸入幅度下，噪聲主導系統，使觸發變得困難。我還觀察到間歇性的流氓數據樣本（見圖3）。經過調查，我發現這些錯誤的樣本發生在測試設備完成其設置更新之前，實際上是系統建立時間問題。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，我發現，對于每個樣品，大部分時間都花在主機和測試設備之間的通信上，而不是實際執行測量。

圖3.在相同配置的三個不同測試中收集的樣本。

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

問：實施此類方案需要哪些硬件設備？

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

圖4.新測試系統的框圖。

Q. 使用對數放大器進行增益測量如何工作？

一.為了響應交流輸入，低成本、易于使用的對數放大器AD8307可產生直流輸出，相當于25歐姆負載的0 mV/dB輸入功率（每十倍頻程電壓5.50 V）。該器件具有 92 dB 的寬動態范圍，允許用戶測量高增益開環電路中遇到的小輸入信號。雖然您實際上不會驅動50歐姆負載，但該標準允許將增益（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：你能更詳細地解釋一下嗎？

答：我們首先簡要回顧一下對數規則：

電功率增益或衰減通常表示為對數比：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表達式。

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。在標準實踐中，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增益。

結合等式8和等式6，

AD8307在0 dB時的固有輸出約為2.0 V。但是，當輸出計算為對數放大器輸出的差值時，常數（校準時）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，從易于應用的儀表放大器（如AD622或AD627）到分立式多運算放大器解決方案，甚至在轉換為數字后的軟件中，可能使用AD7994等多通道ADC。為了獲得最佳精度，設計人員當然必須進行校準，以消除器件之間的增益和失調誤差。ADI公司網站上提供的數據手冊提供了這些信息，以及有關頻率特定問題的出色提示。

問：您提到了直接數字頻率合成器AD5932。什么？

答：AD5932 DDS是一款簡單、可編程、數字控制的波形發生器。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。雖然此設備不具有I2C 接口，I 上的 GPIO 設備2C 總線可以執行位敲擊操作來模擬預期的接口。配置完成后，對 GPIO 設備的單次寫入可以增加輸出頻率。

AD5932的峰峰值輸出為580 mV，在大多數情況下，該值對于開環增益測量來說太大。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，從而產生錯誤的測量結果。如果信號太小，失調誤差和噪聲將主導波形的輸出并導致問題。典型信號從10 mV的幅度開始，然后增加以產生指定的器件輸出值，或者在沒有削波或失真的情況下達到最大值，因為失真會導致測量誤差。

問：你能給我舉個例子來說明它是如何工作的嗎？

A. 如圖4所示組裝電路構建模塊后，您可以先使用單位增益放大器驗證（或校準）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。

圖5.用于鑒定性能的校準增益數據示例。

請注意，1 dB設置的未校準超額增益為+20 dB。

作為另一個例子，一旦獲得對該技術的信心，就可以測試具有已知行為的樣本設備。圖6顯示了一個典型結果，疊加在先前收集的數據上，以驗證該方法與您所描述的方法的準確性。測試結果顯示誤差約為±0.5 dB，表明新系統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.結合新（藍色）和舊（綠色）數據的波特圖數據。

注意傳統系統的“采樣噪聲”。

設備：

NI 卡總線 GPIB 適配器

帶 GPIB 的泰克 TDS3032B

帶 GPIB 的泰克 AFG320

問：相關性看起來不錯，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：每次測試運行在 35 秒內完成。

問：哇！這是大約6000%的改進。

A.是的，此外，設計的簡單性使其易于在嵌入式系統中使用，因為大多數數學運算都由對數放大器管理。聰明的設計人員還可以集成相位測量設備，并將該系統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放大器AD8302獲得適用于高頻應用的一體化解決方案。

審核編輯：郭婷