数字集成电路需要注意的十个要点：采样频率和同步采样

上一篇我讨论了与模拟和代码生成相关的更一般的问题。但今天我想把焦点转向模数转换器。ADC 是数字控制应用中最关键的外设之一，因为它构成了模拟世界和数字世界之间的纽带。它也是最容易被误解的外围设备之一。对于 ADC，许多工程师只满足于知道位数和转换速度。但在数字控制应用中，如果我们想要获得满意的结果，就必须更深入地研究 ADC 规范。

采样频率

与模拟控制系统不同，数字控制器只能及时获取离散的时刻来观察和响应系统的行为。如果您的采样频率太低，这会降低系统性能。想象一下一边开车一边发短信，你每 10 秒只抬头一次来观察周围的环境!您的电机控制处理器也会产生同样的效果。如果它太忙于执行其他任务，并且没有足够频繁地查看您的电机反馈信号，您的电机就会崩溃!对于位置和速度环路，最小采样频率由系统的机械极点决定。位置和速度环以大约 2-5 KHz 的采样频率运行是很常见的。但是，大多数电机控制设计还包括电流环路。电极比机械极高得多，因此电流环路的采样频率通常在 10-20 KHz 之间。对于低电感电机，这个数字可能更高!作为一般经验法则，您应该将特定控制环路的采样频率设置为至少比该控制环路开环响应的单位增益频率高一个数量级。如果这样做，采样和保持效应的相位滞后贡献在单位增益频率下将小于 18 度，如下所示。在大多数情况下这是可以管理的。更高采样频率的唯一缺点是它需要更多的 MIPS。不过别担心。吃掉你想要的所有 MIPS!我们会赚更多!:-) 对于低电感电机，这个数字可能更高!作为一般经验法则，您应该将特定控制环路的采样频率设置为至少比该控制环路开环响应的单位增益频率高一个数量级。如果这样做，采样和保持效应的相位滞后贡献在单位增益频率下将小于 18 度，如下所示。在大多数情况下这是可以管理的。更高采样频率的唯一缺点是它需要更多的 MIPS。不过别担心。吃掉你想要的所有 MIPS!我们会赚更多!:-) 对于低电感电机，这个数字可能更高!作为一般经验法则，您应该将特定控制环路的采样频率设置为至少比该控制环路开环响应的单位增益频率高一个数量级。如果这样做，采样和保持效应的相位滞后贡献在单位增益频率下将小于 18 度，如下所示。在大多数情况下这是可以管理的。更高采样频率的唯一缺点是它需要更多的 MIPS。不过别担心。吃掉你想要的所有 MIPS!我们会赚更多!:-) 您应该将特定控制回路的采样频率设置为至少比该控制回路的开环响应的单位增益频率高一个数量级。如果这样做，采样和保持效应的相位滞后贡献在单位增益频率下将小于 18 度，如下所示。在大多数情况下这是可以管理的。更高采样频率的唯一缺点是它需要更多的 MIPS。不过别担心。吃掉你想要的所有 MIPS!我们会赚更多!:-) 您应该将特定控制回路的采样频率设置为至少比该控制回路的开环响应的单位增益频率高一个数量级。如果这样做，采样和保持效应的相位滞后贡献在单位增益频率下将小于 18 度，如下所示。在大多数情况下这是可以管理的。更高采样频率的唯一缺点是它需要更多的 MIPS。不过别担心。

同步采样

通常需要控制器对多个信号进行采样，以全面了解电机中发生的情况。其中一些信号(如电流)变化非常快。要准确了解电机在那一刻发生的情况，您需要尽可能靠近地对所有这些信号进行采样。想象一下，试图通过在不同时间拍摄球场的不同部分，然后将它们拼接在一起来捕捉一场足球比赛。结果可能是对实际戏剧的非常不准确的描述。但是将同时拍摄的图像拼接在一起会得到更好的照片。同样的事情也适用于具有多个输入的控制系统。这就是为什么大多数为数字控制设计的 TI 处理器都包含具有多个通道的 ADC，这些通道可以同时采样。此外，如果您的系统使用编码器或解析器，同样的要求也适用于它。如果您要通过 Park 变换来转换当前读数，则必须在与当前读数完全相同的时间获取捕获的角度信息。否则，计算出的当前空间向量将存在空间相位误差。这个问题在更高的电机速度下更加严重。计算出的当前空间矢量会存在空间相位误差。这个问题在更高的电机速度下更加严重。计算出的当前空间矢量会存在空间相位误差。这个问题在更高的电机速度下更加严重。

现在让我们讨论为什么同步采样如此重要。大多数电机控制系统利用 PWM 信号来驱动电机。这会导致您的输入信号受到由 PWM 载波频率的整数谐波组成的噪声的污染。幸运的是，在许多情况下，您可以通过明智地将采样间隔与 PWM 波形同步来“混叠”掉所有这些噪声谐波。下面显示了一个常见示例，其中在使用中心对齐 PWM 时对电流波形进行采样。就在 PWM 信号的 ON 脉冲或 OFF 脉冲的中心，电流波形将过渡到该 PWM 周期的理论平均值。尝试通过软件准确计时这一时刻是极其困难的。这就是为什么大多数 TI 专为数字控制应用设计的微控制器都允许 ADC 由 PWM 模块选择性触发的原因。我将在本系列的稍后部分对此进行更多说明。