混合信號設(shè)計(jì)結(jié)合了模擬和數(shù)字電路最強(qiáng)大的功能和優(yōu)勢。一種常見的混合信號架構(gòu)是一系列模擬信號模塊，每個(gè)模塊都由數(shù)字邏輯控制。這些設(shè)計(jì)利用數(shù)字邏輯的穩(wěn)定性和算法功能來控制傳統(tǒng)的模擬電路。
　　由于數(shù)字邏輯可以在整個(gè)設(shè)計(jì)周期中輕松修改，因此通常最好將控制環(huán)路的大部分“智能”保留在數(shù)字邏輯中。模擬電路應(yīng)該盡可能簡單和直接。解碼器、延遲和其他功能應(yīng)盡可能以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)。
　　與模擬電路一樣，數(shù)字邏輯不會受到漂移或工藝變化的影響。振蕩等現(xiàn)象更容易控制或完全預(yù)防。某些功能（例如可以無限期地保持特定值的控制循環(huán)）變得非常容易在邏輯中實(shí)現(xiàn)。 這種電路面積小、抗噪聲、易于實(shí)現(xiàn)。
　　典型的控制策略如圖 1所示。輸入信號通過某種形式的模擬信號處理電路。輸出信號由數(shù)字邏輯分析，數(shù)字控制算法更新模擬電路的行為。增益、偏移、鉗位電流和濾波器中心頻率是通常以這種方式控制的量。
　　　圖 1：混合信號反饋環(huán)路的概念視圖。
　　作為一個(gè)具體的例子，我們將使用圖2所示的自動增益控制電路。假設(shè)輸入信號是簡單的正弦波，其幅度由模擬信號處理電路調(diào)整。 (DC) 增益模塊執(zhí)行本示例的整個(gè)模擬信號處理。它接受六位代碼，并將信號的 (DC) 增益調(diào)整 ± 6 dB。
　　　圖 2：自動增益控制：DC 模塊執(zhí)行所有模擬信號處理
　　比較器是“數(shù)字信號分析儀”的最簡單示例，它將輸出信號與 1.5 V 參考電壓進(jìn)行比較。需要調(diào)整信號的幅度，使其最低值開始觸發(fā)比較器。標(biāo)有IEC_Controller的塊 包含數(shù)字控制算法。該控制器背后的中心思想很簡單：
　　1. 測量比較器輸出為低電平的時(shí)鐘周期的比例。
　　2. 定期將該分?jǐn)?shù)與所需的目標(biāo)值進(jìn)行比較。
　　3. 如果計(jì)數(shù)太高，則向下調(diào)整直流增益。如果太低，則向上調(diào)整直流增益。
　　電路的其余部分是“抖動檢測器”，包含在IEC_DitherDetector 塊中，它能夠確定直流增益值何時(shí)穩(wěn)定。穩(wěn)定后，控制環(huán)路的輸出被鎖定。這可以防止電路在代碼之間隨機(jī)漂移。
　　數(shù)字環(huán)路注意事項(xiàng)
　　任何控制環(huán)路都必須有一個(gè)目標(biāo)——所尋求的值或條件——并且該 AGC 電路的設(shè)計(jì)明確目標(biāo)是每 256 個(gè)時(shí)鐘周期 1 個(gè)高比較器計(jì)數(shù)，或約 0.4% 的占空比。
　　選擇該值是因?yàn)樗a(chǎn)生的誤差 – 0.4% – 被認(rèn)為是可以接受的。然而，每個(gè)應(yīng)用都是不同的，因此必須仔細(xì)選擇誤差信號的動態(tài)范圍。
　　稱為ComparatorCounter的計(jì)數(shù)器 用于計(jì)算比較器為高電平時(shí)的時(shí)鐘周期數(shù)?？刂蒲h(huán)通過從實(shí)際計(jì)數(shù)中減去目標(biāo)來創(chuàng)建一個(gè)稱為Error的錯誤信號。
　　循環(huán)輸出被限制為不上溢或下溢。此外，每個(gè)更新事件都會清除ComparatorCounter，從而開始另一個(gè) 256 個(gè)時(shí)鐘周期的測量。
　　多重反饋回路注意事項(xiàng)
　　當(dāng)控制環(huán)路是系統(tǒng)中唯一的控制環(huán)路時(shí)，它的回轉(zhuǎn)行為有點(diǎn)無關(guān)緊要，但當(dāng)它可能與其他幾個(gè)環(huán)路相互作用時(shí)，考慮它就變得更加重要。
　　控制理論的一個(gè)眾所周知的結(jié)果是，當(dāng)多個(gè)控制環(huán)路一起使用時(shí)，它們應(yīng)該具有不同數(shù)量級的時(shí)間常數(shù)，以最大限度地減少它們的相互作用。
　　數(shù)字控制環(huán)路的時(shí)間常數(shù)很容易改變。如果環(huán)路輸出為 N 位寬，則誤差積分器可以加寬幾個(gè)位，也許是 N+2。然后，最低有效位被視為小數(shù)并保留未使用，從而有效地減慢循環(huán)速度。通過一些額外的邏輯，時(shí)間常數(shù)也可以是動態(tài)的，根據(jù)其他循環(huán)的狀態(tài)而變化。
　　抖動和穩(wěn)定
　　抖動一詞 描述了控制環(huán)路在兩個(gè)（或多個(gè)）離散輸出代碼之間來回振蕩的情況。對于此類控制循環(huán)來說，這是正常行為，在某些應(yīng)用中這并不重要。
　　在不能容忍抖動的應(yīng)用中，可以使用一些額外的邏輯來消除它。檢測抖動的最簡單方法是查看循環(huán)的錯誤信號。當(dāng)誤差信號小時(shí)，環(huán)路接近其目標(biāo)。當(dāng)誤差在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)保持較小時(shí)，可以禁用循環(huán)的誤差積分器，從而防止進(jìn)一步更新。
　　確定誤差信號何時(shí)在“合適的時(shí)間”內(nèi)較小意味著某種形式的低通濾波。最簡單的低通濾波器是單極 IIR（無限脈沖響應(yīng)）濾波器。這些濾波器很容易在數(shù)字邏輯中實(shí)現(xiàn)。
　　另一個(gè)（可選）計(jì)數(shù)器可用于為環(huán)路提供更多時(shí)間來完全穩(wěn)定，即使在其濾波后的誤差信號變得可以接受的小值之后也是如此。在此示例中，該計(jì)數(shù)器稱為SettleCounter，只要過濾后的錯誤信號太大，它就會被清除。當(dāng)過濾后的誤差信號小到可以接受時(shí)，它會向上計(jì)數(shù)，每個(gè)更新事件一次。當(dāng)它達(dá)到最大值時(shí)，控制環(huán)路的誤差積分器停止，環(huán)路的輸出不再改變。
　　循環(huán)本身始終持續(xù)運(yùn)行——其誤差信號必須繼續(xù)跟蹤輸入信號的變化——但輸出值被鎖定，因此無法抖動。當(dāng)輸入信號發(fā)生大幅變化時(shí)，濾波后的誤差信號將增大，導(dǎo)致環(huán)路解鎖并開始重新采集信號。
　　結(jié)果
　　圖 3展示了示例電路的行為。輸出信號Vout最初太大。DCGain值 向下擺動，每 256 個(gè)時(shí)鐘周期遞減 1，直到誤差信號接近零。AbsFilteredError信號 滯后于錯誤信號，最終降至重新捕獲閾值以下。重新獲取 然后變低。SettleCounter 達(dá)到最大值后， LoopEnable 變低，循環(huán)輸出被鎖定。
　　　圖 3：顯示采集和鎖定的波形輸出
　　與傳統(tǒng)的全模擬控制環(huán)路相比，混合信號控制環(huán)路具有許多優(yōu)勢。它們易于實(shí)施并提供穩(wěn)定性保證，特別是與正確設(shè)計(jì)的抖動檢測器結(jié)合使用時(shí)。 “鎖定”控制環(huán)路的能力是數(shù)字邏輯所獨(dú)有的，并且是一項(xiàng)巨大的資產(chǎn)。
　　誤差積分器和環(huán)路誤差濾波器策略代表了可應(yīng)用于許多不同問題的構(gòu)建塊方法。如果可能的話，可以將數(shù)字和模擬設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢結(jié)合起來，創(chuàng)建小型、穩(wěn)健且易于實(shí)現(xiàn)的新型控制結(jié)構(gòu)。