數(shù)字控制回路的模擬組件（模擬控制器轉(zhuǎn)向易于編程的數(shù)字控制環(huán)路）

移動(dòng)、汽車和物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 電氣和電子系統(tǒng)的加速部署，加上上市時(shí)間窗口的縮短，導(dǎo)致需要對(duì)支持它們的 IC 進(jìn)行更快速、更低成本的測(cè)試。

移動(dòng)、汽車和物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 電氣和電子系統(tǒng)的加速部署，加上上市時(shí)間窗口的縮短，導(dǎo)致需要對(duì)支持它們的 IC 進(jìn)行更快速、更低成本的測(cè)試。

要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要具有更大靈活性和模塊化的自動(dòng)化IC測(cè)試平臺(tái)，以及減少元件數(shù)量，以節(jié)省成本和空間。

為了滿足這些要求，設(shè)計(jì)人員正在從經(jīng)典的模擬控制器轉(zhuǎn)向易于編程的數(shù)字控制環(huán)路，以實(shí)現(xiàn)環(huán)路穩(wěn)定性。雖然數(shù)字控制器去掉了電阻、電容和開(kāi)關(guān)，但模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的分辨率和精度會(huì)極大地影響數(shù)字控制環(huán)路架構(gòu)的整體精度。

本文簡(jiǎn)要討論數(shù)字控制環(huán)路的優(yōu)點(diǎn)。然后討論實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的挑戰(zhàn)，例如時(shí)序和轉(zhuǎn)換器噪聲誤差源，以及通過(guò)仔細(xì)關(guān)注ADC的吞吐速率和信噪比（SNR）以及DAC的建立時(shí)間和噪聲頻譜密度規(guī)格來(lái)管理這些挑戰(zhàn)。

然后介紹ADI公司的AD4630-24、24位逐次逼近寄存器（SAR）ADC和ADI公司的AD5791電壓輸出DAC。這兩種設(shè)備結(jié)合使用時(shí)，可以構(gòu)成用于精密儀器測(cè)量的高精度和靈活的數(shù)字控制器的基礎(chǔ)。

數(shù)字控制回路

在工程系統(tǒng)中，控制器可確保令人滿意的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)行為。模擬控制器實(shí)現(xiàn)具有模擬輸入和輸出，其中信號(hào)沿連續(xù)時(shí)間間隔存在，值在連續(xù)幅度范圍內(nèi)。傳感器測(cè)量受控變量并將其行為與參考信號(hào)進(jìn)行比較。測(cè)試控制操作使用誤差信號(hào)，即參考值與實(shí)際值之間的差異（圖 1）。

模擬系統(tǒng)電機(jī)控制器的圖像圖 1：模擬系統(tǒng)電機(jī)控制器使用各種放大器 （U1-U5） 以及一組預(yù)定的電阻和電容值。（圖片：Quora）

直觀地說(shuō)，具有連續(xù)系統(tǒng)模擬輸出的控制器似乎優(yōu)于具有采樣輸出值的數(shù)字控制器（圖 2）。

使用數(shù)字控制器配置的測(cè)量系統(tǒng)示意圖圖 2：采用數(shù)字控制器配置的測(cè)量系統(tǒng)，帶有一個(gè) DAC、兩個(gè) ADC、模擬放大器和開(kāi)關(guān)。（圖片：邦妮·貝克）

邏輯將指向模擬控制器中的控制變量或輸出，這些變量或輸出不斷變化，以實(shí)現(xiàn)比數(shù)字結(jié)構(gòu)中周期性變化的測(cè)量更好的控制。

此扣除是有效的。假設(shè)所有其他數(shù)字和模擬控制因素相同，則模擬控制優(yōu)于數(shù)字控制。那么，為什么要將經(jīng)典控制器從模擬改為數(shù)字呢？這五個(gè)原因是準(zhǔn)確性、實(shí)施錯(cuò)誤、靈活性、速度和成本。

準(zhǔn)確性： 模擬信號(hào)的數(shù)字表示形式為零和一，通常多使用 32 位來(lái)表示單個(gè)模擬值（圖 2）。這些轉(zhuǎn)換會(huì)產(chǎn)生需要解決的小數(shù)字量化誤差。另一方面，模擬信號(hào)具有電源漂移和外部噪聲，會(huì)降低模擬信號(hào)的性能。這些模擬溫度和時(shí)間相關(guān)的漂移難以控制且成本高昂，而老化和溫度對(duì)數(shù)字控制器的影響可以忽略不計(jì)。

實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤： 數(shù)字控制器中的實(shí)現(xiàn)誤差可以忽略不計(jì)。這是因?yàn)榭刂菩盘?hào)的數(shù)字處理使用存儲(chǔ)的數(shù)值進(jìn)行加法和乘法功能，而不是模擬元件的溫度漂移誤差，以及電阻器、電容器和電感器不可靠的開(kāi)箱即用精度。此外，數(shù)字控制器的時(shí)間常數(shù)設(shè)置很容易在軟件中修改，而模擬控制器具有固定數(shù)量的可用時(shí)間常數(shù)。數(shù)字控制器的更改可以即時(shí)進(jìn)行，使儀器能夠適應(yīng)各種負(fù)載條件并提高整體測(cè)試效率。

靈活性： 模擬控制器存在靈活性方面的困難。硬件設(shè)計(jì)完成后，對(duì)印刷電路板的修改既耗時(shí)又昂貴。使用數(shù)字控制器，修改很容易實(shí)現(xiàn) - 直至完全代碼替換。此外，對(duì)數(shù)字控制器的形狀或結(jié)構(gòu)沒(méi)有限制，并且可以輕松實(shí)現(xiàn)涉及額外算術(shù)選項(xiàng)的復(fù)雜控制器結(jié)構(gòu)。

速度： 計(jì)算性能繼續(xù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。這種增加使得以非常高的速率采樣和管理信號(hào)成為可能，并且樣本之間的間隔越來(lái)越小?，F(xiàn)代數(shù)字控制器的性能相當(dāng)于連續(xù)模擬監(jiān)控系統(tǒng)。

成本： 由于半導(dǎo)體制造的進(jìn)步，IC的成本持續(xù)下降，使數(shù)字控制器更加經(jīng)濟(jì)，即使對(duì)于小型低成本應(yīng)用也是如此。

數(shù)字控制器的模擬實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn)

ADC和DAC位于模擬域和數(shù)字域的邊界，兩者都具有不同的電氣特性。訣竅是發(fā)現(xiàn)兩個(gè)設(shè)備之間的互補(bǔ)規(guī)格，以便它們可以在同一系統(tǒng)中共存。從系統(tǒng)吞吐量的角度來(lái)看，確定整體傳輸?shù)乃俣群驮肼曁匦灾陵P(guān)重要。

ADC 和 DAC 時(shí)序估計(jì)

ADC的吞吐速率通常有一個(gè)明確的定義，單位為每秒兆采樣數(shù)（MSPS）或每秒千采樣數(shù)（kSPS）。以頻率赫茲為單位的吞吐時(shí)間是以秒為單位的吞吐速率的倒數(shù)。吞吐時(shí)間是轉(zhuǎn)換器采樣、采集、數(shù)字化和準(zhǔn)備后續(xù)轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。此時(shí)間也是連續(xù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用程序中的轉(zhuǎn)換時(shí)間。規(guī)格單位定義完整輸出字的轉(zhuǎn)換速度。例如，如果 ADC 具有數(shù)字串行輸出引腳，而轉(zhuǎn)換器具有 24 位引腳，則模擬輸入的整個(gè) 24 位轉(zhuǎn)換在另一個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)始之前傳輸（圖 3）。

  
圖 3：ADC 時(shí)序圖顯示了轉(zhuǎn)換器接受的數(shù)字代碼數(shù)量。（圖片：ADI公司）

具有2 MSPS規(guī)格的ADC每500納秒（ns）輸出一個(gè)完整的字。遺憾的是，這個(gè)單一的轉(zhuǎn)換樣本并不能描繪出模擬輸入信號(hào)的完整畫(huà)面。根據(jù)奈奎斯特定理，ADC必須產(chǎn)生至少兩個(gè)樣本才能產(chǎn)生模擬輸入信號(hào)。至少，為了滿足奈奎斯特定理，這個(gè)過(guò)程現(xiàn)在需要兩倍500 ns或1微秒（μs）的時(shí)間。這是創(chuàng)建模擬信號(hào)骨架的樣本數(shù)。使用四個(gè)或八個(gè)樣本以數(shù)字方式重新創(chuàng)建模擬信號(hào)。

轉(zhuǎn)到DAC規(guī)格，DAC的輸出電壓建立時(shí)間是輸出電壓在指定電壓變化下建立到指定水平所需的時(shí)間（圖4）。

  
圖 4：DAC 表現(xiàn)出建立時(shí)間誤差，該誤差捕獲達(dá)到終值所需的時(shí)間。壞情況下的建立時(shí)間誤差通常發(fā)生在輸出在 100 000 和 011 111 ...輸入代碼。（圖片：ADI公司）

以圖4為例，DAC在差情況下建立時(shí)間小于1 μs。該值的數(shù)學(xué)倒數(shù)等于1 MHz，也等于1 MSPS。為了符合奈奎斯特標(biāo)準(zhǔn)，DAC必須產(chǎn)生兩個(gè)輸出樣本，需要2倍1 μs或2 μs的時(shí)間，與ADC一樣，樣本越多越好。

現(xiàn)在，關(guān)于奈奎斯特定理的一個(gè)故事。根據(jù)該定理，信號(hào)的再現(xiàn)至少需要兩個(gè)樣本。在這種情況下，定理僅標(biāo)識(shí)信號(hào)頻率。這就是定理需要應(yīng)用常識(shí)的地方。樣本量越大，收集時(shí)間越長(zhǎng)，但它們會(huì)產(chǎn)生更可靠的信號(hào)重建。

ADC 和 DAC 頻率噪聲估計(jì)

噪聲的定義需要了解實(shí)際轉(zhuǎn)換器分辨率和均方根（rms）噪聲。轉(zhuǎn)換器分辨率（如24位、20位或1 ppm）的聲明描述了ADC或DAC輸出或輸入的數(shù)量。例如，24位ADC每次轉(zhuǎn)換產(chǎn)生24個(gè)輸出代碼，20位DAC為轉(zhuǎn)換收集20個(gè)數(shù)字輸入值。但是有了這些值，轉(zhuǎn)換器的頻率精度就沒(méi)有定義。

轉(zhuǎn)換器精度的定義取決于SNR或rms噪聲等噪聲規(guī)格。整個(gè)輸出頻率范圍內(nèi)的噪聲ADC規(guī)格是典型的分貝（dB）SNR值。信噪比使用公式1計(jì)算：

等式 1

ADC或DAC數(shù)據(jù)手冊(cè)定義了器件的輸出范圍。噪聲是轉(zhuǎn)換器頻帶上的累積和方根（RSS）。

均方根分辨率使用公式2計(jì)算：

等式2

對(duì)于SNR為105.7 dB的ADC，均方根分辨率為17.6位，這意味著轉(zhuǎn)換器可以可靠地處理該水平的精度。DAC噪聲規(guī)格通常為頻譜噪聲密度值，因此可以輕松快速轉(zhuǎn)換DAC的實(shí)際均方根分辨率。DAC的輸出噪聲使用公式3計(jì)算：

等式3

例如，如果 20 位 DAC 的頻譜噪聲密度為 7.5 納伏/√Hz （nV/√Hz），帶寬為 500 kHz，則 DAC噪聲等于 5.3 μV （有效值）。根據(jù)該值，DAC在5V輸出范圍內(nèi)的均方根分辨率等于19.8位。

數(shù)字控制器和精密儀器儀表

用于移動(dòng)、汽車和物聯(lián)網(wǎng)測(cè)試電路的數(shù)字控制器器件測(cè)試系統(tǒng)示例包含 9 個(gè)器件和一個(gè)分立電阻器（圖 5）。本電路中的器件包括微處理器、ADC、DAC、驅(qū)動(dòng)器放大器、增益可調(diào)儀表放大器和ADI公司的ADG1236SPDT開(kāi)關(guān)。微處理器管理ADC和DAC之間的數(shù)字接口和數(shù)據(jù)，例如ADI公司的AD4630-24和AD5791。

   
圖 5：數(shù)字控制器使用微處理器來(lái)管理進(jìn)出 ADC 和 DAC 的數(shù)據(jù)。DAC需要一個(gè)增益輸出驅(qū)動(dòng)放大器，ADC需要一個(gè)放大器系統(tǒng)來(lái)衰減信號(hào)。（圖片：ADI公司）

AD4630-24是一款2 MSPS、24位±0.9 ppm積分非線性（INL）ADC，SNR為105.7 dB，產(chǎn)生17.6位（rms）。該ADC的轉(zhuǎn)換速度為2 MSPS，至少需要4個(gè)輸出采樣才能產(chǎn)生模擬信號(hào)。INL表示轉(zhuǎn)換器的直流精度。

AD5791是一款20位±1 LSB、INL 1 μs建立時(shí)間7.5 nV/√Hz頻譜密度DAC，終產(chǎn)生19.8位（rms）。該DAC的速度為1 MSPS，需要4 μs才能準(zhǔn)確生成模擬信號(hào)。

該系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換器還需要運(yùn)算放大器（op amp）接口來(lái)管理輸出驅(qū)動(dòng)和模擬增益。在圖5中，ADI公司的AD8675是一款10 MHz、2.8 nV/√Hz軌到軌輸出運(yùn)算放大器。該放大器的噪聲使DAC系統(tǒng)的位降至19.1 （rms）。但是，10 MHz放大器帶寬超過(guò)了DAC的帶寬。

ADI公司的LTC6373是全差分、可編程增益儀表放大器，可提供增益和一定程度的隔離。如果DAC級(jí)實(shí)現(xiàn)4 V/V的增益，則LTC6373的增益選項(xiàng)之一是0.25 V/V，這使信號(hào)恢復(fù)到原始值。LTC6373 的數(shù)字增益電平的靈活性有助于實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器的動(dòng)態(tài)特性。

結(jié)論

移動(dòng)、汽車和物聯(lián)網(wǎng)電子測(cè)試系統(tǒng)快速發(fā)展的設(shè)計(jì)要求 的 上市 時(shí)間 壓力 和 成本 已經(jīng) 從 傳統(tǒng) 模擬 控制器 轉(zhuǎn)變 到 數(shù)字 控制 環(huán)路。這些環(huán)路提供更高的精度和靈活性以及更低的成本，但需要仔細(xì)注意ADC和DAC的選擇。

如圖所示，通過(guò)將ADI公司的24位SAR ADCAD4630-24與ADI公司的20位電壓輸出DAC5791配對(duì)，可以創(chuàng)建用于精密儀器儀表測(cè)量的高精度、靈活的數(shù)字控制器。