混合信號(hào)設(shè)計(jì)結(jié)合了模擬與數(shù)字電路的強(qiáng)大功能和優(yōu)點(diǎn)。常用的混合信號(hào)架構(gòu)是其中每個(gè)模塊通過(guò)數(shù)字邏輯電路來(lái)控制。這種設(shè)計(jì)利用數(shù)字邏輯電路的可靠性和運(yùn)算能力控制傳統(tǒng)模擬電路。

由于便于在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中修改，數(shù)字邏輯電路特別適合保持?jǐn)?shù)字邏輯控制環(huán)路的“智能”功能。模擬電路應(yīng)該盡可能簡(jiǎn)單和直接。可能的情況下，解碼、延遲及其它功能應(yīng)采用數(shù)字方式實(shí)施。

與模擬電路不一樣，數(shù)字邏輯電路不受偏差或工藝變量的影響，更便于控制或完全避免抖動(dòng)等現(xiàn)象。某些功能在邏輯電路中配置非常容易，如保持特定不確定值的控制環(huán)路。這種電路基板占用面積小、抗噪聲并易于部署。

圖1，混合信號(hào)反饋環(huán)路框圖。

典型控制策略如圖1所示。輸入信號(hào)進(jìn)入某種類形的模擬信號(hào)處理電路。數(shù)字邏輯電路對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行分析，數(shù)字控制運(yùn)算電路更新模擬電路的行為。增益、偏置、鉗位電流及濾波器中心頻率是這種方式控制的典型量。

舉例

我們以圖2所示自動(dòng)增益控制電路為例加以說(shuō)明。輸入信號(hào)假定為簡(jiǎn)單的正弦波，經(jīng)模擬信號(hào)處理電路進(jìn)行振幅調(diào)整。（DC）增益塊執(zhí)行本例整個(gè)模擬信號(hào)處理過(guò)程。它接收六位代碼，按 ±6dB調(diào)整信號(hào)（DC）增益。

圖2，自動(dòng)增益控制：DC塊執(zhí)行全部模擬信號(hào)處理。

比較器是“數(shù)字信號(hào)分析儀”最簡(jiǎn)單的例子，輸出信號(hào)與1.5V參考電壓進(jìn)行比較。信號(hào)振幅調(diào)整到其最小值剛好開始啟動(dòng)比較器。標(biāo)有IEC_Controller的模塊含有數(shù)字控制運(yùn)算電路。這個(gè)控制器的基本概念很簡(jiǎn)單：

1.測(cè)量時(shí)鐘周期中比較器輸出結(jié)果低的部分。

2.定期比較這部分周期與預(yù)期目標(biāo)值。

3.如果計(jì)數(shù)過(guò)高，下調(diào)DC增益。如果過(guò)低，上調(diào)DC增益。

這個(gè)電路的另一部分是“抖動(dòng)檢測(cè)器”，嵌入IEC_DitherDetector模塊中，用來(lái)確定DC增益值是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定后，鎖定控制環(huán)路的輸出。這樣可以避免電路在代碼之間隨機(jī)漂移。

數(shù)字環(huán)路考慮因素

任何控制環(huán)路必須有一個(gè)目標(biāo)（預(yù)期值或條件），這個(gè)AGC電路的目標(biāo)是每256個(gè)周期1個(gè)比較器高計(jì)數(shù)，或占空周期約為0.4%。

選擇這個(gè)值是因?yàn)楫a(chǎn)生的誤差（0.4%）可以接受。不過(guò)，每種應(yīng)用情況不同，必須認(rèn)真選擇誤差信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。

稱作ComparatorCounter的計(jì)數(shù)器用來(lái)統(tǒng)計(jì)比較器輸出結(jié)果高的時(shí)鐘周期數(shù)。控制環(huán)路生成誤差信號(hào)，稱為Error（誤差），即實(shí)際計(jì)數(shù)減去目標(biāo)值所得結(jié)果。

環(huán)路輸出限制為不上溢或下溢。此外，每次更新事件清零ComparatorCounter，從而開始另一個(gè)256時(shí)鐘周期測(cè)量。

多個(gè)反饋環(huán)路考慮因素

系統(tǒng)僅有一個(gè)控制環(huán)路時(shí)，它的漂移誤差并不重要，但是如果系統(tǒng)有多個(gè)環(huán)路，漂移誤差會(huì)明顯放大。

控制理論指出：當(dāng)系統(tǒng)有多個(gè)環(huán)路時(shí)，系統(tǒng)調(diào)整誤差所需的時(shí)間呈幾何級(jí)增長(zhǎng)，其階數(shù)與環(huán)路數(shù)量一致。

數(shù)字控制環(huán)路的時(shí)間常數(shù)很容易改變。如果環(huán)路輸出寬度為N位，誤差積分器可寬出幾位，如N+2。然后考慮預(yù)留一部分最小有效位不用，有效延緩環(huán)路關(guān)閉。利用一個(gè)很小的附加邏輯，時(shí)間常數(shù)還可以成為動(dòng)態(tài)的，根據(jù)其它環(huán)路的狀態(tài)變化。

抖動(dòng)與穩(wěn)定

抖動(dòng)一詞描述控制環(huán)路在兩個(gè)（或多個(gè)）離散輸出代碼之間來(lái)回?cái)[動(dòng)的情況。這是這類控制環(huán)路的常見現(xiàn)象，某些應(yīng)用中這種現(xiàn)象無(wú)所謂。

在不允許抖動(dòng)的應(yīng)用中，可采用一個(gè)小的附加邏輯電路消除抖動(dòng)。檢測(cè)抖動(dòng)最簡(jiǎn)便的方法是觀察誤差信號(hào)。當(dāng)誤差信號(hào)小時(shí)，環(huán)路接近其預(yù)期目標(biāo)。適當(dāng)時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)保持很小誤差時(shí)，環(huán)路誤差積分器停用，防止進(jìn)一步更新。

圖3，選取和鎖定的波形輸出。

確定誤差信號(hào)在“適當(dāng)時(shí)間”內(nèi)保持很小狀態(tài)需要采用低通濾波。單極IIR（無(wú)限沖激響應(yīng)）濾波器可能是最簡(jiǎn)單的低通濾波器。這種濾波器易于配置在數(shù)字邏輯電路中。

可采用另一（選裝）計(jì)數(shù)器延長(zhǎng)環(huán)路完全穩(wěn)定時(shí)間，即使其過(guò)濾的誤差信號(hào)小到可以接受之后。本例中，這個(gè)計(jì)數(shù)器稱為SettleCounter，每當(dāng)過(guò)濾誤差信號(hào)過(guò)大時(shí)，這個(gè)計(jì)數(shù)器清零。當(dāng)過(guò)濾的誤差信號(hào)小到可接受的程度時(shí)，計(jì)數(shù)器開始累計(jì)，每個(gè)更新事件一次。當(dāng)達(dá)到最大值時(shí)，控制環(huán)路誤差積分器停止工作，環(huán)路輸出不再變化。

環(huán)路本身不間斷持續(xù)運(yùn)行（其誤差信號(hào)必須連續(xù)跟蹤輸入信號(hào)的變化），但輸出值鎖定，從而不能抖動(dòng)。當(dāng)輸入信號(hào)顯著變化時(shí)，過(guò)濾的誤差信號(hào)增加，環(huán)路解鎖并開始重新選取信號(hào)。

結(jié)果

示例電路的動(dòng)作如圖3所示。輸出信號(hào)Vout最初過(guò)大。DCGain值下移，每256個(gè)時(shí)鐘周期下降一個(gè)單位，直到誤差信號(hào)接近零為止。AbsFilteredError信號(hào)滯后于誤差信號(hào)，最終低于重新選取閾值。這時(shí)，重新選取（Reacquire）下降。當(dāng)SettleCounter達(dá)到其最大值后LoopEnable下降，環(huán)路輸出鎖定。

與傳統(tǒng)全模擬控制環(huán)路相比，混合信號(hào)控制環(huán)路具有許多優(yōu)點(diǎn)。它們便于實(shí)施并可保證穩(wěn)定性，特別是與專門設(shè)計(jì)的抖動(dòng)檢測(cè)器配合使用時(shí)。數(shù)字邏輯電路具有獨(dú)特的控制環(huán)路“鎖定”能力，這是一種具有極大實(shí)用價(jià)值的功能。

誤差積分器和環(huán)路誤差濾波器策略使這種構(gòu)件方法適用于解決大量不同的問(wèn)題。可行的情況下，可結(jié)合數(shù)字和模擬設(shè)計(jì)方法各自的優(yōu)勢(shì)開發(fā)小型、可靠、易于實(shí)施的新型控制結(jié)構(gòu)。