普源示波器伯德圖原理講解

對開關電源電路的測試，經常會使用環(huán)路分析方法。環(huán)路分析測試方法是指給開關電源電路注入一個頻率不斷變化的正弦波信號作為干擾信號，然后根據(jù)其輸出情況來判斷該電路系統(tǒng)對各個頻率干擾信號的調整能力。

怎樣對開關電源進行環(huán)路分析呢？就是將輸出電壓的增益和相位隨注入信號的頻率變化而產生變化的測量結果繪制成曲線，即伯德圖，然后運用伯德圖來分析開關電源電路的增益裕度和相位裕度，以判定其穩(wěn)定性。

1、什么是伯德圖?

伯德圖是系統(tǒng)頻率響應的一種圖示方法，由荷蘭裔科學家亨Bode，H.W. 在1940年提出。伯德圖由幅頻特性圖和相頻特性圖兩部分組成，兩者的橫軸都是頻率的對數(shù)lgω，采用對數(shù)分度。通常幅頻特性圖和相頻特性圖上下放置，幅頻特性圖在上，相頻特性圖在下，且將縱軸對齊，可以方便的觀察同一頻率的幅值和相位的大小。

2、原理講解

開關電源是一個典型的反饋回路控制系統(tǒng)，其反饋增益模型如下：

在反饋電路系統(tǒng)中，輸出電壓和參考電壓之間的關系如下

由此可以看出這個閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定的條件：當 1+T(s)=0時，系統(tǒng)的干擾波動無限大。這個不穩(wěn)定條件包含兩個方面：

l開環(huán)傳遞函數(shù)的幅值為 |T(s)|=1=0dB

l開環(huán)傳遞函數(shù)的相位為 ∠T(s)=-180°

如上為理論值，在工程實現(xiàn)上如果要保持電路系統(tǒng)的穩(wěn)定還要留出一定的裕量，就涉及到下面兩個重要指標：

●相位裕度 (Phase Margin，PM )

當增益|T(s)|為1時，相位∠T(s) 不能為-180°，此時相位∠T(s) 和 -180°之間的距離就是相位裕度。相位裕度可以看作是系統(tǒng)進入不穩(wěn)定狀態(tài)之前可以增加的相位變化，相位裕度越大，系統(tǒng)越穩(wěn)定，但系統(tǒng)響應速度會減慢。

●增益裕度 (Gain Margin，GM)

當相位∠T(s) 為-180°時，增益|T(s)|不能為1，此時增益|T(s)|和1之間的距離就是增益裕度。增益裕度采用分貝(dB)表示，如果|T(s)|>1，則增益裕度為正值;如果|T(s)|<1，則增益裕度為負值。正增益裕度表明系統(tǒng)是穩(wěn)定的，負增益裕度表明系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。

如下為伯德圖，其中紫色為環(huán)路系統(tǒng)增益隨頻率變化的曲線，綠色為環(huán)路系統(tǒng)相位隨頻率變化的曲線。圖中，當增益為0dB時對應的頻率為“穿越頻率”

3、測試環(huán)境搭建

下圖為使用RIGOL的MSO5000系列數(shù)字示波器對開關電源進行環(huán)路分析測試的電路拓撲圖。包括如下幾個部分：

·將一個5Ω的注入電阻Rinj插到反饋電路中，如圖中紅圈位置所示

·將MSO5000系列數(shù)字示波器的GI接口連接到一個隔離變壓器。將示波器內置波形發(fā)生器輸出的掃頻正弦波信號通過隔離變壓器并聯(lián)到注入電阻Rinj兩端

·使用連接MSO5000系列數(shù)字示波器兩個模擬通道的探頭(例如RIGOL的PVP2350探頭)，對掃頻信號的注入端和輸出端進行測量

4、操作步驟

以RIGOL的MSO5000系列數(shù)字示波器為例，為您介紹如何進行環(huán)路分析操作

MSO5000系列數(shù)字示波器

MSO5000系列數(shù)字示波器

Step1 啟用伯德圖功能

使用觸摸屏功能，按屏幕左下角的功能導航圖標 ，打開功能導航菜單，然后點擊“伯德圖”圖標，進入“伯德圖”功能設置菜單。伯德圖=Bode，后面不做區(qū)分。

Step2 設置掃頻信號

按 幅/頻設置 鍵，進入“幅/頻設置”子菜單，彈出 Bode Set 窗口。您可以用觸摸屏功能觸摸窗口中各項參數(shù)輸入框，通過觸摸彈出的數(shù)字鍵盤，對參數(shù)進行設置。連續(xù)按 幅值可變 鍵，可以打開或關閉設置掃頻信號在不同頻率范圍的電壓幅值。

Step3 設置輸入輸出源

如環(huán)路測試環(huán)境搭建章節(jié)中的電路拓撲圖所示，輸入源通過示波器的模擬通道采集注入信號，輸出源通過示波器模擬通道采集被測設備的輸出信號?？梢酝ㄟ^以下方法為輸入源和輸出源設置對應的通道號。

按輸入源鍵，旋轉多功能旋鈕 選擇所需通道號并按下該旋鈕選中。您也可以使用觸摸屏功

Step4 啟動環(huán)路分析測試

在伯德圖功能設置菜單中 運行狀態(tài) 鍵初始顯示其功能為“啟動”，按 運行狀態(tài) 鍵，彈出

Bode Wave 窗口。Bode Wave 窗口開始繪制伯德圖，此時 運行狀態(tài) 鍵顯示其功能為“停止”。

Step5 查看伯德圖測量結果

伯德圖繪制完成后，運行狀態(tài) 鍵恢復顯示其功能為“啟動”?？稍?Bode Wave 窗口中查看，伯德圖，如下。

Step6 保存伯德圖文件

完成測試后，可以將環(huán)路分析的測試結果按照指定的文件名和文件類型進行保存。

由普源RIGOL 生產的 MSO5000 系列數(shù)字示波器通過控制內置的信號發(fā)生模塊，產生指定頻率范圍內的掃頻信號，注入到開關電源電路進行環(huán)路分析測試。通過測試生成的伯德圖可以直觀展現(xiàn)在不同頻率下系統(tǒng)的增益大小和相位變化，并標識出相位裕度、增益裕度和穿越頻率等重要參數(shù)。伯德圖功能操作簡單，為工程師分析電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供便利手段。

審核編輯黃宇