混合信號設計結合了模擬與數字電路的強大功能和優點。常用的混合信號架構是其中每個模塊通過數字邏輯電路來控制。這種設計利用數字邏輯電路的可靠性和運算能力控制傳統模擬電路。

由于便于在整個設計過程中修改，數字邏輯電路特別適合保持數字邏輯控制環路的“智能”功能。模擬電路應該盡可能簡單和直接。可能的情況下，解碼、延遲及其它功能應采用數字方式實施。

與模擬電路不一樣，數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，混合信號反饋環路框圖。

典型控制策略如圖1所示。輸入信號進入某種類形的模擬信號處理電路。數字邏輯電路對輸出信號進行分析，數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，經模擬信號處理電路進行振幅調整。（DC）增益塊執行本例整個模擬信號處理過程。它接收六位代碼，按 ±6dB調整信號（DC）增益。

圖2，自動增益控制：DC塊執行全部模擬信號處理。

比較器是“數字信號分析儀”最簡單的例子，輸出信號與1.5V參考電壓進行比較。信號振幅調整到其最小值剛好開始啟動比較器。標有IEC_Controller的模塊含有數字控制運算電路。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果低的部分。

2.定期比較這部分周期與預期目標值。

3.如果計數過高，下調DC增益。如果過低，上調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增益值是否處于穩定狀態。穩定后，鎖定控制環路的輸出。這樣可以避免電路在代碼之間隨機漂移。

數字環路考慮因素

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

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

稱作ComparatorCounter的計數器用來統計比較器輸出結果高的時鐘周期數。控制環路生成誤差信號，稱為Error（誤差），即實際計數減去目標值所得結果。

環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。

多個反饋環路考慮因素

系統僅有一個控制環路時，它的漂移誤差并不重要，但是如果系統有多個環路，漂移誤差會明顯放大。

控制理論指出：當系統有多個環路時，系統調整誤差所需的時間呈幾何級增長，其階數與環路數量一致。

數字控制環路的時間常數很容易改變。如果環路輸出寬度為N位，誤差積分器可寬出幾位，如N+2。然后考慮預留一部分最小有效位不用，有效延緩環路關閉。利用一個很小的附加邏輯，時間常數還可以成為動態的，根據其它環路的狀態變化。

抖動與穩定

抖動一詞描述控制環路在兩個（或多個）離散輸出代碼之間來回擺動的情況。這是這類控制環路的常見現象，某些應用中這種現象無所謂。

在不允許抖動的應用中，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。當誤差信號小時，環路接近其預期目標。適當時間長度內保持很小誤差時，環路誤差積分器停用，防止進一步更新。

圖3，選取和鎖定的波形輸出。

確定誤差信號在“適當時間”內保持很小狀態需要采用低通濾波。單極IIR（無限沖激響應）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字邏輯電路中。

可采用另一（選裝）計數器延長環路完全穩定時間，即使其過濾的誤差信號小到可以接受之后。本例中，這個計數器稱為SettleCounter，每當過濾誤差信號過大時，這個計數器清零。當過濾的誤差信號小到可接受的程度時，計數器開始累計，每個更新事件一次。當達到最大值時，控制環路誤差積分器停止工作，環路輸出不再變化。

環路本身不間斷持續運行（其誤差信號必須連續跟蹤輸入信號的變化），但輸出值鎖定，從而不能抖動。當輸入信號顯著變化時，過濾的誤差信號增加，環路解鎖并開始重新選取信號。

結果

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SettleCounter達到其最大值后LoopEnable下降，環路輸出鎖定。

與傳統全模擬控制環路相比，混合信號控制環路具有許多優點。它們便于實施并可保證穩定性，特別是與專門設計的抖動檢測器配合使用時。數字邏輯電路具有獨特的控制環路“鎖定”能力，這是一種具有極大實用價值的功能。

誤差積分器和環路誤差濾波器策略使這種構件方法適用于解決大量不同的問題。可行的情況下，可結合數字和模擬設計方法各自的優勢開發小型、可靠、易于實施的新型控制結構。