更好、更快的開環(huán)增益測試方法

　　在使用反饋的系統(tǒng)中，反饋網(wǎng)絡(luò)是一種經(jīng)過配置而獲得特定增益和相位關(guān)系的電路，比如，一個(gè)可調(diào)節(jié)的比例積分差分(PID)控制器，用于調(diào)整環(huán)路的增益或相位以保證穩(wěn)定性(見圖1)。我們往往需要對這個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)在特定配置下的性能進(jìn)行測量，以便對它的開環(huán)特性建立模型。但這樣的測試通?？偸呛芾щy的。例如，積分器的低頻增益可以非常高，一般會(huì)超出常用測試儀的測量范圍。所以，這些測試的目的是，使用現(xiàn)有的工具和少量的專用電路，以最小的工作量，快速地得到網(wǎng)絡(luò)頻率響應(yīng)的特性。

圖1  一個(gè)基本的反饋系統(tǒng)

　　舉例來說，為了驗(yàn)證最近一個(gè)項(xiàng)目是否合格，使用一個(gè)可編程反饋網(wǎng)絡(luò)，并且要求收集實(shí)際的數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證其是否達(dá)到了所要求的性能。為了收集數(shù)據(jù)，先估算一下已有的測試設(shè)備，然后把它們連接起來，組成了一個(gè)簡陋的開環(huán)測試系統(tǒng)，其中使用了一個(gè)通用接口總線IEEE-488接口板，一個(gè)簡單的數(shù)字示波器，一個(gè)任意函數(shù)發(fā)生器（見圖2）。
　
圖2  測試系統(tǒng)的功能模型

　　使用了現(xiàn)有的GPIB接口開發(fā)軟件庫，寫好了程序，以此來收集繪制伯德圖所用的數(shù)據(jù)點(diǎn)，這非常象我們在工科大學(xué)中學(xué)到的手工繪制伯德圖。將函數(shù)發(fā)生器設(shè)置為輸出正弦波，逐漸改變正弦波的頻率，以此作為系統(tǒng)的“輸入”。然后，用示波器測量出系統(tǒng)的輸入和輸出，并以此計(jì)算出給定頻率點(diǎn)上的增益。

　　在對被測器件經(jīng)過反反復(fù)復(fù)的多次測試之后，利用標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行開環(huán)測量而超出預(yù)定時(shí)間的問題就顯現(xiàn)了出來。高精度的測量需要許多數(shù)據(jù)點(diǎn)，而對于每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，僅僅為了在軟件和測試設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)，就需要花費(fèi)大量的時(shí)間。示波器的分辨率也成為其中的一個(gè)原因：在輸入幅度很小的時(shí)候，由于噪聲占據(jù)了系統(tǒng)的主要成分而使觸發(fā)變得非常困難。我也觀察到了間歇性的錯(cuò)誤樣點(diǎn)(見圖3)。對錯(cuò)誤樣點(diǎn)進(jìn)行分析，我發(fā)現(xiàn)這些錯(cuò)誤的樣點(diǎn)是在測試設(shè)備完成更新之前出現(xiàn)的，這實(shí)際上是一個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間的問題。到最后，每個(gè)測試不可思議地花費(fèi)了大約35分鐘的時(shí)間。在分析測試中如何使用這些時(shí)間的時(shí)候，我發(fā)現(xiàn)，對于每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，大部分時(shí)間是用于主機(jī)與測試設(shè)備之間的通訊，而不是用于實(shí)際的測試。

圖3  同一結(jié)構(gòu)的三個(gè)不同測試中所采集到的數(shù)據(jù)樣點(diǎn)

　　這就說明，如果用硬件功能來代替軟件程序，那么，執(zhí)行時(shí)間將可得到改善。例如，在可編程器件上使用已有的I2C串行總線，那么，在傳送ASCII字符以形成文本式命令消息的時(shí)候就會(huì)占用較短的時(shí)間。這樣調(diào)整之后，測試環(huán)路中省去了幾個(gè)抽象層和命令解釋的操作，結(jié)果是實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)操作精確和直接的控制。

　　那么，實(shí)現(xiàn)這樣的測試方式將需要哪些硬件電路呢？使用寬帶直接數(shù)字頻率合成器(DDS)，例如AD5932,以取代函數(shù)發(fā)生器。這個(gè)DDS可以給你的設(shè)計(jì)提供極好的頻率范圍和高品質(zhì)的正弦波輸出。當(dāng)使用AD8307對數(shù)放大器和一個(gè)差分放大器之后，增益的測量就變得非常簡單。而最后一個(gè)關(guān)鍵性的采集系統(tǒng)硬件是一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用以取代數(shù)字示波器。利用一個(gè)多通道輸入的ADC，比如AD7923或者AD7994將會(huì)降低系統(tǒng)的總費(fèi)用，這樣，我們可以使用其中的兩個(gè)已有通道來采集對數(shù)放大器的結(jié)果，然后用軟件來完成差值計(jì)算。改變之后的測試結(jié)構(gòu)如圖4所示。
　
圖4  新的測試系統(tǒng)框圖