混合信號設(shè)計結(jié)合了模擬與數(shù)字電路的強大功能和優(yōu)點。常用的混合信號架構(gòu)是其中每個模塊通過數(shù)字邏輯電路來控制。這種設(shè)計利用數(shù)字邏輯電路的可靠性和運算能力控制傳統(tǒng)模擬電路。

由于便于在整個設(shè)計過程中修改，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，混合信號反饋環(huán)路框圖。

典型控制策略如圖1所示。輸入信號進(jìn)入某種類形的模擬信號處理電路。數(shù)字邏輯電路對輸出信號進(jìn)行分析，數(shù)字控制運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所示自動增益控制電路為例加以說明。輸入信號假定為簡單的正弦波，經(jīng)模擬信號處理電路進(jìn)行振幅調(diào)整。（DC）增益塊執(zhí)行本例整個模擬信號處理過程。它接收六位代碼，按 ±6dB調(diào)整信號（DC）增益。

圖2，自動增益控制：DC塊執(zhí)行全部模擬信號處理。

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

1.測量時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.如果計數(shù)過高，下調(diào)DC增益。如果過低，上調(diào)DC增益。

這個電路的另一部分是“抖動檢測器”，嵌入IEC_DitherDetector模塊中，用來確定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漂移。

數(shù)字環(huán)路考慮因素

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

選擇這個值是因為產(chǎn)生的誤差（0.4%）可以接受。不過，每種應(yīng)用情況不同，必須認(rèn)真選擇誤差信號的動態(tài)范圍。

稱作ComparatorCounter的計數(shù)器用來統(tǒng)計比較器輸出結(jié)果高的時鐘周期數(shù)。控制環(huán)路生成誤差信號，稱為Error（誤差），即實際計數(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256時鐘周期測量。

多個反饋環(huán)路考慮因素

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

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

數(shù)字控制環(huán)路的時間常數(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。利用一個很小的附加邏輯，時間常數(shù)還可以成為動態(tài)的，根據(jù)其它環(huán)路的狀態(tài)變化。

抖動與穩(wěn)定

抖動一詞描述控制環(huán)路在兩個（或多個）離散輸出代碼之間來回擺動的情況。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)象無所謂。

在不允許抖動的應(yīng)用中，可采用一個小的附加邏輯電路消除抖動。檢測抖動最簡便的方法是觀察誤差信號。當(dāng)誤差信號小時，環(huán)路接近其預(yù)期目標(biāo)。適當(dāng)時間長度內(nèi)保持很小誤差時，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。

確定誤差信號在“適當(dāng)時間”內(nèi)保持很小狀態(tài)需要采用低通濾波。單極IIR（無限沖激響應(yīng)）濾波器可能是最簡單的低通濾波器。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）計數(shù)器延長環(huán)路完全穩(wěn)定時間，即使其過濾的誤差信號小到可以接受之后。本例中，這個計數(shù)器稱為SettleCounter，每當(dāng)過濾誤差信號過大時，這個計數(shù)器清零。當(dāng)過濾的誤差信號小到可接受的程度時，計數(shù)器開始累計，每個更新事件一次。當(dāng)達(dá)到最大值時，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)運行（其誤差信號必須連續(xù)跟蹤輸入信號的變化），但輸出值鎖定，從而不能抖動。當(dāng)輸入信號顯著變化時，過濾的誤差信號增加，環(huán)路解鎖并開始重新選取信號。

結(jié)果

示例電路的動作如圖3所示。輸出信號Vout最初過大。DCGain值下移，每256個時鐘周期下降一個單位，直到誤差信號接近零為止。AbsFilteredError信號滯后于誤差信號，最終低于重新選取閾值。這時，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，混合信號控制環(huán)路具有許多優(yōu)點。它們便于實施并可保證穩(wěn)定性，特別是與專門設(shè)計的抖動檢測器配合使用時。數(shù)字邏輯電路具有獨特的控制環(huán)路“鎖定”能力，這是一種具有極大實用價值的功能。

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題。可行的情況下，可結(jié)合數(shù)字和模擬設(shè)計方法各自的優(yōu)勢開發(fā)小型、可靠、易于實施的新型控制結(jié)構(gòu)。