更好、更快的開環增益測試方法

　　在使用反饋的系統中，反饋網絡是一種經過配置而獲得特定增益和相位關系的電路，比如，一個可調節的比例積分差分(PID)控制器，用于調整環路的增益或相位以保證穩定性(見圖1)。我們往往需要對這個反饋網絡在特定配置下的性能進行測量，以便對它的開環特性建立模型。但這樣的測試通常總是很困難的。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，快速地得到網絡頻率響應的特性。

圖1  一個基本的反饋系統

　　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絡，并且要求收集實際的數據，以驗證其是否達到了所要求的性能。為了收集數據，先估算一下已有的測試設備，然后把它們連接起來，組成了一個簡陋的開環測試系統，其中使用了一個通用接口總線IEEE-488接口板，一個簡單的數字示波器，一個任意函數發生器（見圖2）。
　
圖2  測試系統的功能模型

　　使用了現有的GPIB接口開發軟件庫，寫好了程序，以此來收集繪制伯德圖所用的數據點，這非常象我們在工科大學中學到的手工繪制伯德圖。將函數發生器設置為輸出正弦波，逐漸改變正弦波的頻率，以此作為系統的“輸入”。然后，用示波器測量出系統的輸入和輸出，并以此計算出給定頻率點上的增益。

　　在對被測器件經過反反復復的多次測試之后，利用標準的實驗室設備進行開環測量而超出預定時間的問題就顯現了出來。高精度的測量需要許多數據點，而對于每個數據點，僅僅為了在軟件和測試設備之間交換數據，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，由于噪聲占據了系統的主要成分而使觸發變得非常困難。我也觀察到了間歇性的錯誤樣點(見圖3)。對錯誤樣點進行分析，我發現這些錯誤的樣點是在測試設備完成更新之前出現的，這實際上是一個系統穩定時間的問題。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，我發現，對于每個數據點，大部分時間是用于主機與測試設備之間的通訊，而不是用于實際的測試。

圖3  同一結構的三個不同測試中所采集到的數據樣點

　　這就說明，如果用硬件功能來代替軟件程序，那么，執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。這樣調整之后，測試環路中省去了幾個抽象層和命令解釋的操作，結果是實現了對系統操作精確和直接的控制。

　　那么，實現這樣的測試方式將需要哪些硬件電路呢？使用寬帶直接數字頻率合成器(DDS)，例如AD5932,以取代函數發生器。這個DDS可以給你的設計提供極好的頻率范圍和高品質的正弦波輸出。當使用AD8307對數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。而最后一個關鍵性的采集系統硬件是一個模數轉換器，用以取代數字示波器。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放大器的結果，然后用軟件來完成差值計算。改變之后的測試結構如圖4所示。
　
圖4  新的測試系統框圖