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数字反馈控制广泛应用于管理各种设备，统称为控制设备（DUC），例如电机、温度系统、伺服执行器、系统压力调节器和流量控制器。数字反馈控制设计的目标是确定传感器的模数转换器 （ADC） 和控制器的数模转换器 （DAC） 所需的性能标准。

在经典模拟控制器（图1）中，信号是由基于运算放大器的电路作的比例电压，该电路实现了核心控制环路功能，即增益/乘法、求和/加法、差分/减法、导数和积分。相比之下，数字控制器对数字数据流执行控制计算，控制数学在数字逻辑硬件或在微控制器 （MCU） 或可编程逻辑控制器 （PLC） 上运行的代码中实现。

数字控制器通过合适的数字硬件和软件模拟这种模拟控制器行为。它们要求ADC和DAC性能足以以足够的时间和幅度分辨率捕获和纵DUC的行为。

连续时间DUC信号（图2）由ADC及时采样并量化幅度，从而生成输入到数字控制器的数字数据流。因此，ADC的采样率和分辨率将限制检测和控制DUC的精度。估计适当的ADC采样率通常涉及检查DUC的时域阶跃响应——ADC的幅度分辨率越精细，单位时间内的样本越多，数字系统可实现的控制就越精细。

DUC 测试设置

DUC 的稳定性是控制系统设计中的一个关键属性。反馈控制环路提高了 DUC 的稳定性，但仅限于其带宽内。DUC 中超过控制系统带宽的高频变化仍未得到补偿。

图 3 说明了在没有干扰（例如负载或温度变化）的稳定环境中，固定输入应产生固定 DUC 输出的测试设置。一个例子是压控振荡器 （VCO）。即使具有稳定的模拟输入，固有相位噪声和频率抖动也会导致输出频率变化。

DUC 的直流传递函数是输入（例如电压）和输出（例如频率）之间的关系，决定了所需的 DAC 分辨率（图 4）。通过将系统所需的最小-最大输出精度映射到相应的最小-最大DAC输入值，可以定义DAC所需的最小步长（最低有效位或LSB）。为了实现稳健的设计，建议在所需的精度窗口内有八个或更多 DAC LSB 步进。

测试装置（情况 A）将一系列电压阶跃输入到 DUC，并测量输出频率。输入应来自低噪声直流电源，以完全隔离和测试 DUC 性能。如果初始分辨率不足（如情况B所示），则添加额外的DAC位可提高性能，如图4的情况C所示。

如果多个DAC LSB阶跃包含在系统的精度范围内，则会出现设计裕量，从而保护设计免受小误差或漂移的影响。但是，如果DAC分辨率不够，控制系统可能无法在闭环作中达到所需的DUC精度。

如图5所示，对于固定数字输入，DAC输出理想情况下应保持稳定。一些DAC，尤其是那些使用脉宽调制（PWM）的DAC，会产生纹波，如果输出方差超过DAC的LSB粒度，则LSB分辨率无关紧要。

ADC 的作用

ADC的目的是将DUC的检测电路输出数字化，其分辨率、可重复性和精度超过系统的整体精度要求。使用与DAC相同的方法，ADC分辨率设置为比所需的DUC输出分辨率更精细。

确定ADC的采样率需要仔细注意。虽然控制工程教科书可以将ADC采样率与控制环路的带宽联系起来，但在实践中，参考DUC的阶跃响应是有效的（图6）。

开环阶跃响应反映了 DUC 对突然输入变化的反应，揭示了关键时间常数（过程时间、T过程）。设置采样周期（T样品）以在 T过程中收集至少 10 个样品是一个实用的指导方针。这确保了控制器准确感知系统动态并能够做出适当的反应。

在 DUC 的中点工作范围内应用阶跃输入可确保有意义的表征。例如，对于0至1V DUC输入，施加从450 mV到550 mV的阶跃可以避免极端情况下的非线性。

一旦确定了ADC的最小位深度和采样率，就可以选择合适的转换器，以达到与计算要求相同或更好的性能。然后，所选ADC的最大采样率定义了环路的工作速率。然后可以选择具有匹配或更好分辨率和速度的相应DAC来支持输出侧。

这些方法允许设计人员在数字控制环路中指定ADC和DAC性能，支持各种可能的控制算法——从PID到更复杂或定制的方法。有关嵌入式应用的控制理论、调谐、传感器接口和硬件电路的更多详细信息，请参阅有关应用嵌入式电子学的综合文本，包括作者的书《应用嵌入式电子学 – 鲁棒系统的设计要点》。