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  一個基本的反饋系統(tǒng)

　　舉例來說，為了驗證最近一個項目是否合格，使用一個可編程反饋網(wǎng)絡(luò)，并且要求收集實際的數(shù)據(jù)，以驗證其是否達(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，組成了一個簡陋的開環(huán)測試系統(tǒng)，其中使用了一個通用接口總線IEEE-488接口板，一個簡單的數(shù)字示波器，一個任意函數(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，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，并以此計算出給定頻率點上的增益。

　　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)的實驗室設(shè)備進(jìn)行開環(huán)測量而超出預(yù)定時間的問題就顯現(xiàn)了出來。高精度的測量需要許多數(shù)據(jù)點，而對于每個數(shù)據(jù)點，僅僅為了在軟件和測試設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)，就需要花費大量的時間。示波器的分辨率也成為其中的一個原因：在輸入幅度很小的時候，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誤樣點(見圖3)。對錯誤樣點進(jìn)行分析，我發(fā)現(xiàn)這些錯誤的樣點是在測試設(shè)備完成更新之前出現(xiàn)的，這實際上是一個系統(tǒng)穩(wěn)定時間的問題。到最后，每個測試不可思議地花費了大約35分鐘的時間。在分析測試中如何使用這些時間的時候，我發(fā)現(xiàn)，對于每個數(shù)據(jù)點，大部分時間是用于主機(jī)與測試設(shè)備之間的通訊，而不是用于實際的測試。

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

　　這就說明，如果用硬件功能來代替軟件程序，那么，執(zhí)行時間將可得到改善。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候就會占用較短的時間。這樣調(diào)整之后，測試環(huán)路中省去了幾個抽象層和命令解釋的操作，結(jié)果是實現(xiàn)了對系統(tǒng)操作精確和直接的控制。

　　那么，實現(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DDS可以給你的設(shè)計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)放大器和一個差分放大器之后，增益的測量就變得非常簡單。而最后一個關(guān)鍵性的采集系統(tǒng)硬件是一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用以取代數(shù)字示波器。利用一個多通道輸入的ADC，比如AD7923或者AD7994將會降低系統(tǒng)的總費用，這樣，我們可以使用其中的兩個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