2007年9月第41卷

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应用工程师问答—38
更好、更快的开环增益测试方法

By David Hunter [david.hunter@analog.com]

 

在使用反馈的系统中,反馈网络是一种经过配置而获得特定增益和相位关系的电路,比如,一个可调节的比例积分差分(PID)控制器,用于调整环路的增益或相位以保证稳定性(见图1)。我们往往需要对这个反馈网络在特定配置下的性能进行测量,以便对它的开环特性建立模型。但这样的测试通常总是很困难的。例如,积分器的低频增益可以非常高,一般会超出常用测试仪的测量范围。所以,这些测试的目的是,使用现有的工具和少量的专用电路,以最小的工作量,快速地得到网络频率响应的特性。

图1 一个基本的反馈系统

问:您说得有道理。我有一个实际的项目,希望得到您的建议。

答:请讲。

问:为了验证最近一个项目是否合格,我一直在使用一个可编程反馈网络,并且要求收集实际的数据,以验证其是否达到了所要求的性能。为了收集数据,我估算了一下已有的测试设备,然后把它们连接起来,组成了一个简陋的开环测试系统,其中使用了一个通用接口总线IEEE-488接口板,一个简单的数字示波器,一个任意函数发生器(见图2)。

图2 测试系统的功能模型

我使用了现有的GPIB 接口开发软件库,写好了程序,以此来收集绘制伯德图所用的数据点,这非常象我们在工科大学中学到的手工绘制伯德图。将函数发生器设置为输出正弦波,逐渐改变正弦波的频率,以此作为系统的“输入”。然后,用示波器测量出系统的输入和输出,并以此计算出给定频率点上的增益。

答:那么结果怎样?

问:在对被测器件经过反反复复的多次测试之后,利用标准的实验室设备进行开环测量而超出预定时间的问题就显现了出来。高精度的测量需要许多数据点,而对于每个数据点,仅仅为了在软件和测试设备之间交换数据,就需要花费大量的时间。示波器的分辨率也成为其中的一个原因:在输入幅度很小的时候,由于噪声占据了系统的主要成分而使触发变得非常困难。我也观察到了间歇性的错误样点(见图3)。对错误样点进行分析,我发现这些错误的样点是在测试设备完成更新之前出现的,这实际上是一个系统稳定时间的问题。到最后,每个测试不可思议地花费了大约35分钟的时间。在分析测试中如何使用这些时间的时候,我发现,对于每个数据点,大部分时间是用于主机与测试设备之间的通讯,而不是用于实际的测试。

图3 同一结构的三个不同测试中所采集到的数据样点

答:如果用硬件功能来代替软件程序,那么,执行时间将可得到改善。例如,在可编程器件上使用已有的I2C串行总线,那么,在传送ASCII 字符以形成文本式命令消息的时候就会占用较短的时间。这样调整之后,测试环路中省去了几个抽象层和命令解释的操作,结果是实现了对系统操作精确和直接的控制。

问:那么,实现这样的测试方式将需要哪些硬件电路呢?

答:使用宽带直接数字频率合成器(DDS),例如AD59321以取代函数发生器。这个DDS可以给你的设计提供极好的频率范围和高品质的正弦波输出。当使用AD83072对数放大器和一个差分放大器之后,增益的测量就变得非常简单。而最后一个关键性的采集系统硬件是一个模数转换器,用以取代数字示波器。利用一个多通道输入的ADC,比如AD79923或者AD79944将会降低系统的总费用,这样,我们可以使用其中的两个已有通道来采集对数放大器的结果,然后用软件来完成差值计算。改变之后的测试结构如图4 所示。

图4 新的测试系统框图

问:采用对数放大器的增益测量方法是如何进行的?

答:在ac输入的情况下,低成本和使用方便的对数放大器AD8307会在50欧姆的负载上产生一个dc输出,该输出等价于25mV/dB的输入功率(0.5V每十倍电压)。AD8307具有92 dB的动态范围,可以用来测量高增益开环电路中存在的非常小的输入信号。当你实际上不是去驱动50 欧姆负载的时候,这个方案将允许你使用两个AD8307器件的输出之间的差值来计算增益(以dB计算),而这两个放大器所测试的是信号的输入和输出。

问:你可否对此作更为详细的解释?

答:我们简单地回顾一下对数的计算方法:

(1)

(2)

(3)

 

功率的增益或衰减典型地表示为比值的对数:dB是用来描述交流电压的,所以,VAVBrms(均方根)电压,因而,PAPB表示了平均功率的大小。

(4)

 

当阻抗之比等于1 时,log1=0。因此,在电阻负载相等的条件下,

(5)

对于高阻抗的电压放大器电路,主要的关注点是信号的增益,而不是功率的增益。所以,dB是一种输出幅度与输入幅度之比的对数表示法。在零dB的时候,电压之比等于1。

为了用dB来表示给定功率的测量值,我们就必须以某个基准功率为参照。标准的做法是,如果测得的功率等于1 mW,那么,绝对功率值就是0 dBm(或者表示为超过1毫瓦的dB 数)。对于一个50 欧姆的负载,就可得到。

(6)

 

当使用一个低失真的正弦波时,Vrms和平均功率,对于一个50 欧姆系统来说,可以用等式7 和8 来计算:

(7)

(8)

 

因此,对于0 dBm,或者1 mW,输入电压的幅度为316.2 mV(或223.6 mVrms)。如果这是输入信号的幅度,而被测器件的输出幅度是3.162 V(2.236V rms,增益等于10),那么,从等式6 可知,输出功率为+20 dBm,这与使用等式5 中的比率来表示电压增益时所得到的结果是一样的。只要基准值是一致的,这些数值也将是一致的。这样,我们就可以容易地找出系统的增益。

把等式8和6结合起来,我们可以得到,

(9)

利用对数放大器的25 mV/dB的转换增益:

(10)

利用等式1,并使用两个AD8307 对数放大器来测量输出和输入,再计算出两者之差,就是一种非常容易的增益测试方法。

(11)

AD8307固有的0 dB输出大约为2.0 V。但是,当把输出计算为两个对数放大器输出之间的差值时,这些(在校准时的)常量就会从等式中消除。

问:您如何找出这个差值?

答:有许多种方法得到这个差值,从使用非常方便的仪表放大器,比如AD6225AD6276到使用分离的多运放的方法,或者在转换成数字量之后使用软件的方法,这里可以使用AD7994多通道ADC。如果想得到最好的精度,设计者必须进行校准,以消除器件之间的增益和失调误差。在Analog Devices 网站上给出的技术说明书提供了这些信息,同时还给出与频率相关问题的极好的提示。

问:你刚才提到了AD5932直接数字频率合成器。那是一个什么样的器件?

答:AD5932直接数字频率合成器是一种简单的、可编程的和数字控制的波形发生器。用户只要使用几个简单的命令就可以生成各种正弦波,比如,构成一个完整的频率和相位特性曲线。虽然AD5932没有I5C 接口,但一个连接在I5C总线上的GPIO 器件可以执行位操作,以模仿所需的接口功能。在配置完成之后,只要对GPIO 器件执行一次写操作,就可以使输出频率递增。

AD5932的输出峰峰值是580 mV,当把这样一个数值用作开环增益测量的输入时,在大多数情况下是太大了。所需的衰减取决于在增益测量时被测器件达到规定的输出电压所需的恰当的输入电平。如果输入信号太大,那么,输出将会失真,甚至于被钳位,因而得出错误的测量结果。如果信号太小,那么,失调误差和噪声将会占据输出波形中的主要成分,因而产生问题。一个典型的信号是从10 mV开始,然后增加幅度以产生规定的器件输出值,或者使输出增加到不产生钳位或失真的可能最大值,因为失真是会引起测量误差的。

问:你能不能举一个例子说明这是怎样工作的?

A. 答:在把各个电路模块如图4那样连接起来之后,你就可以验证(或校准)它的性能,首先使用一个单位增益放大器,然后使用一个增益等于10 的放大器,来代替被测器件。

图5是一个测试实例,它表示了单位增益和增益等于10,实际上大约高出1 dB,而变化范围很好地保持在±1 dB以内。

图5 为了验证性能而进行增益校准数据的实例。
可以看出,当设置为20-dB 时的未校准超额增益为+1 dB

作为另一个例子,一旦我们对这一技术有信心之后,我们就可以对一个已知特性的样品器件进行测试。图6是一个典型的结果,重叠于前面采集到的数据之上,以验证这个方法与已经描述过的那个方法的测试精度。测试的结果显示了一个大约±0.5 dB 的误差,表明新系统具有相同的测试性能,但具有低得多的噪声和更快的稳定时间。

图6 波特图的数据中包含了新 (蓝色)数据和旧(绿色)数据。
图中可以看出传统系统中的“采样噪声”

设备:

  1. National Instruments公司的Cardbus GPIB 适配器
  2. Tektronix TDS3032B,带有GPIB接口
  3. Tektronix AFG320,带有GPIB 接口

问:相关性看来很好,而且看不出在以前方法中很大的偏离。完成这一组测试总共用了多长时间?

答:每一次测试所用的时间在35 秒以内。

问:这几乎是6000%的改善。

A. 答:是的,除此之外,这个设计的简单性可以使它容易地用于嵌入式系统,因为大部分的数学运算是用对数放大器完成的。一个聪明的设计者也可以构成一个相位测量设备,从而把这个系统变换成一个真正的波特图绘图仪。此外,对于高频应用,有一个解决方案,就是使用实现增益与相位测量的单片AD83027对数放大器。

 

参考文献——从2007年11月开始有效

1 ADI website: www.analog.com (Search) AD5932

2 ADI website: www.analog.com (Search) AD8307

3 ADI website: www.analog.com (Search) AD7992

4 ADI website: www.analog.com (Search) AD7994

5 ADI website: www.analog.com (Search) AD622

6 ADI website: www.analog.com (Search) AD627

7 ADI website: www.analog.com (Search) AD8302

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