更好、更快的开环增益测试方法

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：