混合信號設(shè)計：模擬信號鏈的數(shù)式控制的優(yōu)點

　　比較器是“數(shù)字信號分析儀”的最簡單例子，它以1.5伏參考電壓來比較輸出信號。信號將會被調(diào)幅，以便其最低值剛好可以開始解扣比較器。標(biāo)記為IEC_Controller的塊包含數(shù)字控制算法。該控制器背后的基本思路是簡單的：

　　1. 測量時鐘周期中比較器輸出為低的部分。

　　2. 周期性地將該部分與理想目標(biāo)值進(jìn)行比較。

　　3. 如果總數(shù)過高，則下調(diào)直流增益。如果過低，則上調(diào)直流增益。

　　該電路的其余部分是一個“顫振檢波器”，具體化于IEC_DitherDetector 塊中，它能夠確定直流增益值實現(xiàn)穩(wěn)定的時間。穩(wěn)定化過后，控制回路的輸出被鎖定。這可以防止電路在代碼間隨機(jī)漫游。

　　數(shù)字回路考慮

　　任何控制回路都必須有一個目標(biāo)(值或試圖達(dá)到的條件)，該AGC電路是按照每256個時鐘周期11個高比較器總數(shù)，或者約0.4%的占空比的明確目標(biāo)來設(shè)計的。

　　只所以選擇該值是因為由此產(chǎn)生的誤差(0.4%)被認(rèn)為是可以接受的。但由于應(yīng)用情況各不相同，所以必須慎重選擇誤差信號的動態(tài)范圍。

　　使用稱為ComparatorCounter的計數(shù)器來進(jìn)行比較器為高時的時鐘周期計數(shù)?？刂苹芈吠ㄟ^用實際計數(shù)總數(shù)減去目標(biāo)值來創(chuàng)建稱為Error的誤差信號。

　　回路輸出限制于不溢流或下溢。此外，每個更新事件都會清空ComparatorCounter，從而開始另一個256時鐘周期測量。

　　多反饋回路考慮

　　當(dāng)控制回路是系統(tǒng)中的唯一控制回路時，其轉(zhuǎn)換行為在某種程度上是無關(guān)緊要的，但當(dāng)其可能干擾多個其他回路時就會變得非常重要而必須加以考慮。

　　控制理論的一個眾所周知的結(jié)論是，當(dāng)同時使用多個控制回路時，它們應(yīng)當(dāng)有不同數(shù)量級的時間常數(shù)，以便最小化它們之間的相互作用。

　　數(shù)字控制回路的時間常數(shù)非常容易改變。例如，如果回路輸出是N位寬，則誤差積分器可設(shè)計為若干位寬，比如N+2位。然后，最低有效位被視為小數(shù)且留下不用，從而有效地使回路慢下來。再使用一點額外邏輯還可以使時間常數(shù)動態(tài)化，亦即隨著其他回路的狀態(tài)而變化。

　　顫振和恢復(fù)

　　“顫振”一詞描述了控制回路在兩個(或更多)離散輸出碼之間來回振蕩的情形。這對這些類型的控制回路是正常行為，在一些應(yīng)用中沒有什么重要意義。

　　在不容忍顫振的應(yīng)用中，可以使用一點額外邏輯予以消除。檢測顫振最容易的方法是看回路的誤差信號。當(dāng)誤差信號小時，回路接近其目標(biāo)。當(dāng)誤差信號在適合的時間長度內(nèi)一直保持小，則可禁用回路的誤差積分器，以防止進(jìn)一步更新。

　　確定誤差信號何時在“合適的時間”內(nèi)一直保持小意味著某種低通濾波。最簡單的低通濾波器是單極IIR(無限脈沖響應(yīng))濾波器。這些濾波器易于以數(shù)字邏輯實現(xiàn)。

　　可使用另一個(可選)計數(shù)器來給予回路更多時間以便充分恢復(fù)，即使在其經(jīng)濾波的誤差信號變小程度已經(jīng)可接受之后。在本例中，該計數(shù)器稱為SettleCounter，無論何時，只要經(jīng)濾波的誤差信號過大，其就會被清空。當(dāng)經(jīng)濾波的誤差信號小得可接受時，計數(shù)器向上計數(shù)，每個更新事件計一次。當(dāng)計數(shù)器達(dá)到最大值時，控制回路的誤差積分器停止，回路的輸出不再變化。

　　回路本身繼續(xù)全時間運(yùn)行(其誤差信號必須繼續(xù)跟蹤輸入信號中的變化)，但輸出值被鎖定，因此其無法顫振。當(dāng)輸入信號大幅變化時，經(jīng)濾波的誤差信號將會增大，導(dǎo)致回路被解鎖并開始重新采集信號。

　　結(jié)果

　　示例電路的行為如圖3所示。輸出信號Vout一開始時過大。DCGain值以每256個時鐘周期一個減幅的速度向下偏移，直至Error信號接近零。AbsFilteredError信號落后于誤差信號，最終降至重新采集閾值以下。然后Reacquire走低。在SettleCounter達(dá)到其最大值時，LoopEnable走低，回路輸出被鎖定。

　　圖3：顯示采集和鎖定的波形輸出

　　與傳統(tǒng)的完全模擬控制回路相比，混合信號控制回路具有許多優(yōu)點。它們易于實現(xiàn)并提供穩(wěn)定性保證，特別是在與設(shè)計合理的顫振檢波器結(jié)合使用之時。“鎖定”控制回路的能力為數(shù)字邏輯所獨有并且是一個極大的優(yōu)點。

　　誤差積分器和回路誤差濾波策略代表可用于許多不同問題的模塊方案。在可能時，可將數(shù)字和模擬設(shè)計方法論的優(yōu)勢結(jié)合起來，以便設(shè)計小、健壯且易于實現(xiàn)的新穎控制結(jié)構(gòu)。

　　作者簡介

　　Warren Craddock是Intersil公司的混合信號設(shè)計工程師。他從事的工作領(lǐng)域是控制系統(tǒng)、數(shù)字信號處理和設(shè)計自動化。他于2001年從弗吉尼亞理工大學(xué)獲得電子工程學(xué)士學(xué)位。

　　Tamara Schmitz是Intersil公司的資深首席應(yīng)用工程師和全球技術(shù)培訓(xùn)師。她擁有斯坦福大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位、電子工程碩士學(xué)位及博士學(xué)位(RF CMOS設(shè)計)。