泰克示波器的頻率響應(yīng)分析應(yīng)用

作者：admin 更新時(shí)間：2023-10-18 點(diǎn)擊數(shù)：

通常，我們使用波特圖來(lái)分析系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。這類圖表以圖形的方式展示一定頻率范圍內(nèi)的幅度和相位，可用于分析和理解電路行為。總的來(lái)說(shuō)，波特圖可以清晰且直觀地展示電路頻率響應(yīng)特性，進(jìn)而有助于電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和故障排除，是一種強(qiáng)大的電路分析輔助工具。

波特圖可以通過(guò)收集不同輸入信號(hào)頻率下的幅度和相位值數(shù)據(jù)手動(dòng)生成——將所有得到的數(shù)值手動(dòng)繪制在坐標(biāo)紙上即可。若收集的數(shù)據(jù)點(diǎn)較多，可借助Excel、MATLAB或Python等軟件來(lái)繪制座標(biāo)圖。

2系列混合信號(hào)示波器提供2-SOURCE或2-ULTIMATE可選，可支持內(nèi)置函數(shù)發(fā)生器和波特圖功能。

對(duì)于4/5/6系列混合信號(hào)示波器而言，波特圖功能需要使用功率測(cè)量和分析選項(xiàng)（PWR）。功率測(cè)量和分析結(jié)果可通過(guò)控制回路響應(yīng)測(cè)量得出。

部分泰克示波器提供內(nèi)置函數(shù)發(fā)生器和波特圖功能，用戶可以更加輕松、準(zhǔn)確地分析和拓展他們的電路設(shè)計(jì)。這一內(nèi)置功能支持用戶根據(jù)自己的選擇自動(dòng)更改函數(shù)發(fā)生器的輸出頻率，捕捉輸入和輸出信號(hào)，并生成波特圖。

波特圖簡(jiǎn)介

波特圖由兩張圖組成：幅頻響應(yīng)（增益）圖和相頻響應(yīng)圖。這兩張圖可以顯示系統(tǒng)響應(yīng)不同頻率的方式，并提供有關(guān)系統(tǒng)增益和相位特性的見(jiàn)解。

增益圖以對(duì)數(shù)標(biāo)度表示，指示系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)與頻率的函數(shù)關(guān)系。使用對(duì)數(shù)標(biāo)度，頻率軸可以跨越幾個(gè)數(shù)量級(jí)，且不會(huì)降低分辨率。對(duì)數(shù)標(biāo)度將較高的頻率壓縮到圖的右側(cè)，從而更加均勻地表示整個(gè)頻率范圍。

相位圖則以度數(shù)表示，指示相移的量和方向。相位響應(yīng)范圍為-180°F至180°F，相位圖可顯示系統(tǒng)影響不同頻率信號(hào)時(shí)序和同步的方法。相位圖還為幅度圖進(jìn)行了一定的補(bǔ)充，包含系統(tǒng)頻率響應(yīng)的整體視圖。

泰克示波器的頻率響應(yīng)分析應(yīng)用(圖2)

波特圖作用

波特圖可為電路分析提供多種見(jiàn)解，包括：

1.增益和衰減
波特圖可以顯示電路在不同頻率下的增益或衰減情況。幅度圖展示了電路放大或衰減不同頻率信號(hào)的方式。此類信息對(duì)于了解電路的整體增益或損耗，以及識(shí)別其頻率響應(yīng)特性而言至關(guān)重要。

2.頻寬
頻寬是指電路有效工作的頻率范圍。通過(guò)檢查幅度圖，可以確定增益在指定范圍內(nèi)（例如-3dB）的頻率范圍，代表了電路的可用頻寬。
3.濾波器分析
波特圖可為低通、高通、帶通和帶阻濾波器等濾波器電路提供寶貴的見(jiàn)解，能夠顯示截止頻率、滾降率和通帶 / 阻帶特性。波特圖有助于直觀展示電路選擇性地允許或拒絕某些頻率分量的方式，進(jìn)而助力濾波器設(shè)計(jì)和分析。
4.相位響應(yīng)
波特圖還能夠展示電路的相位響應(yīng)情況。相位圖能夠展示電路在不同頻率下引入的相移。在分析具有時(shí)間延遲的系統(tǒng)或?qū)ο辔幻舾械膽?yīng)用（如音頻信號(hào)處理和反饋控制系統(tǒng)）時(shí)，上述信息至關(guān)重要。
5.穩(wěn)定性分析
波特圖可用于分析反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性分析中的斷開(kāi)循環(huán)，俗稱“開(kāi)環(huán)”或“開(kāi)反饋環(huán)”，是一種通過(guò)僅考慮開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)來(lái)簡(jiǎn)化復(fù)雜控制系統(tǒng)分析的技術(shù)。這在使用波特圖進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)尤其有用。工程師可以通過(guò)檢查開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的幅度圖和相位圖來(lái)確定（增益和相位的）穩(wěn)定裕度。穩(wěn)定裕度代表系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及對(duì)抗干擾和變化時(shí)的穩(wěn)定程度。

圖2：增益和相位裕度

6.共振和頻率選擇性
波特圖有助于識(shí)別電路中的諧振頻率和頻率選擇性，尤其是在包含電容和電感等電抗元件的系統(tǒng)中。幅度圖表示峰值或諧振頻率，而相位圖表示這些頻率相關(guān)的相移。
使用2系列混合信號(hào)示波器生成波特圖
圖片
以下示例將使用一個(gè)簡(jiǎn)單的一階低通濾波器演示如何在2系列混合信號(hào)示波器上生成波特圖。該濾波器為無(wú)源濾波器，僅由一個(gè)電容和一個(gè)電阻串聯(lián)而成。
RC網(wǎng)絡(luò)使用10Ω電阻和1μF電容。

圖3：配備RC網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)單無(wú)源低通濾波器

使用下列公式計(jì)算截止頻率。

截止頻率約為 16kHz。
如需要在2系列混合信號(hào)示波器中啟動(dòng)波特圖，請(qǐng)按下測(cè)量按鈕添加新的測(cè)量值。波特圖位于FRA選項(xiàng)卡下。參見(jiàn)圖3。

圖4：通過(guò)添加新的測(cè)量值來(lái)啟動(dòng)波特圖

使用內(nèi)置AFG或外置泰克AFG（AFG31000）配置波特圖。參見(jiàn)圖4。內(nèi)置AFG支持高達(dá)50MHz的信號(hào)。

圖5：使用內(nèi)置AFG進(jìn)行波特圖配置

圖6：低通濾波器截止頻率為16kHz時(shí)的波特圖

設(shè)置開(kāi)始和停止頻率，配置掃描頻率范圍。“點(diǎn)數(shù)/10 倍頻”代表數(shù)據(jù)的間隔或密度。“點(diǎn)數(shù)/10倍頻”的合理范圍在5到10之間。默認(rèn)設(shè)置是10點(diǎn)數(shù)/10倍頻。

完成所有設(shè)置后，按下預(yù)設(shè)按鈕，應(yīng)用AFG的設(shè)置并初始化示波器。

請(qǐng)按下前面板上的運(yùn)行/停止按鈕，或單擊位于屏幕右下角的運(yùn)行/停止?fàn)顟B(tài)按鈕開(kāi)始采集和繪制數(shù)據(jù)。

圖7：使用光標(biāo)和結(jié)果表來(lái)查找數(shù)據(jù)的更多詳細(xì)信息

使用光標(biāo)和結(jié)果表從波特圖中獲得更多詳細(xì)信息。在圖7中，對(duì)于具有10Ω電阻和1μF電容的簡(jiǎn)單RC網(wǎng)絡(luò)（如前所述），截止頻率約為16kHz，與我們的計(jì)算結(jié)果相符，相位圖顯示約為-40°F，接近該截止頻率的理想相位角-45°F。您還可以從增益圖中檢測(cè)到截止頻率有較高的滾降。