获取未知电路波特图的实用方法

电器工程 波特图
2022-01-18 11:50:26

我想使用一种实用的方法/方式,我可以大致获得系统的波特图,尤其是滤波器。这当然可以通过使用复杂的数学或在 SPICE 模拟器中实现电路来完成。但这需要了解每个组件的电路图和确切参数。

但是假设我们不知道黑匣子中滤波器的电路图,我们也没有时间或可能获得电路模型。这意味着我们有过滤器,我们只能访问它的输入和输出。(我也排除了通过对输入施加脉冲来获得过滤器传递函数的想法,我想这是不切实际的(?))

在此处输入图像描述

但是如果我们有一个两通道示波器和一个函数发生器,我们可以看到特定正弦输入的滤波器的输入和输出。

例如,通过使用函数发生器,我们可以将输入设置为具有 10mV pk-pk 的 1Hz 正弦波或将其称为 Vin。在这种情况下,我们可以得到具有相移 φ1 的 V1 pk-pk 的输出。我们通过再次将输入设置为 10Hz 正弦波和 Vin pk-pk 来重复同样的事情。在这种情况下,我们可以得到具有相移 φ2 的 V2 pk-pk 的输出。因此,通过保持 Vin 相同的幅度并平均增加频率,我们可以获得以下几点:

Vin f1 ---> V1, f1, φ1

Vin f2 ---> V2, f2, φ2

Vin f3 ---> V3, f3, φ3

...

Vin fn ---> Vn, fn, φn

这意味着我们可以相对于 fn 绘制 Vn/Vin;我们还可以绘制关于 fn 的 φn。因此我们可以粗略地获得波特图。

但是这种方法有一些缺点。首先,因为它将用笔和纸记录,所以我不能以小间隔增加 fn。这太花时间了。另一个最重要的问题是在示波器屏幕上准确读取幅度和相移。

我的问题是:假设我们还有一个基于 PC 的数据采集系统,是否有一种实用且更快的方法来粗略地获得幅度和相移的波特图点?(点可以作为幅度和相移或单个复数获得号也是)

4个回答

您可以使用 DAQ 设备注入一些输入信号,然后捕获输出信号,将所有数据收集到表/矩阵中。

信号处理的正确章节是系统识别/估计。各种方法中,递归最小二乘法被广泛使用。您需要注入这种随着时间推移不可重复的信号,因为任何算法都必须区分激励信号的哪一部分导致了输出响应的哪一部分。因此,如果自相关,激励信号将产生一个脉冲的结果,这也意味着输入和输出信号之间的相关将给出一个精确的峰值(锁定)。

这种信号被命名为 PRBS(伪随机二进制序列)。您可以注入这个,然后通过计算(和关联)系统系数来使用可用的系统识别工具。

根据您的说法,您最好的选择可能是时域传输 (TDT) 测量。

这类似于众所周知的时域反射仪 (TDR) 测量,但您测量的是被测设备 (DUT) 的传输特性而不是反射特性。

您在评论中链接的 DAQ 系统每秒采样 50,000 个样本,但由于您感兴趣的频带是 0 - 1 kHz,这足以测试您的设备。您可以使用数字输出通道(可能已衰减)来生成刺激。测量的准确性可能取决于 DAQ 的采样时钟的一致性。

本质上,您将阶跃输入功能应用于 DUT 并使用示波器测量输出。还可以使用相同的采样器测量输入信号。然后对输入和输出信号进行傅里叶变换,然后除以另一个得到频率响应。在进行转换时,您需要进行一些研究和试验以选择一个好的窗口函数。

由于阶跃函数谱下降为 \$1/f\$,因此该技术在高频下往往变得不太精确。

您的函数发生器可以由计算机控制吗?例如 GPIB

您的示波器可以与计算机对话吗?

如果是这样,您可能可以自动化现有的工作流程。

好吧,我有一个类似的问题,如何在不花费大量资金的情况下制作一个实用的用于闭环分析的波特图仪。我已经组装了一个涵盖 10Hz 到 50Khz 的基本系统,它满足了我的简单需求,它扫描频率,并在 CRT 上绘制增益和相位。

它使用两个相当过时但仍然有用的预算设备,以及两者之间的简单接口。第一项是惠普增益相位计 3575A,你应该花几百美元就能买到。它有两个相同的通道,工作频率从 1Hz 到 13Mhz,动态范围约为 +/-50dbdb(每个通道的动态范围为 200uV 到 20V rms),并且可以在略高于 360 度的范围内连续测量相位。它在前面板上具有 0.1db 和 0.1 度分辨率的数字读数,并且直流输出可在后面从外部使用。那是我的测量“前端”。

大约相同年份的另一台设备是 HP 频谱分析仪型号 3580A,它的工作频率从零到 50Khz,并具有跟踪发生器输出。如果幸运的话,你可以花 500 美元买到其中一个。它有一个数字存储器,因此您可以存储一个波形,同时测量另一个波形以进行直接比较。也能够驱动一个古老的伺服式笔式绘图仪,虽然我不使用那个功能。

无论如何,跟踪发生器的输出 (2v rms) 将成为您正在测试的任何扫频源。现在的问题是增益/相位计输出直流电压,而频谱分析仪希望看到它正在扫描的确切频率的交流信号。

这可以通过使用模拟乘法器来克服。一个乘法器输入由跟踪发生器驱动。经过一些缩放后,另一个乘法器输入来自增益/相位计的直流电压。乘法器输出进入频谱分析仪输入。

来自增益/相位计的直流值控制来自乘法器的射频幅度,从而控制频谱分析仪在频率扫描时显示的幅度。

当设置为线性垂直刻度(不是 db)时,频谱分析仪将绘制增益与频率(以 db 为单位)或相位与频率作为基线上方的垂直偏转。分贝到电压的转换在增益/相位计中进行,频谱分析仪以直接线性模式运行。

频率需要扫描两次,其中一条迹线存储在内存中。然后你再次点击单次扫描,然后在屏幕上显示另一个信号,然后你可以同时看到增益和相位。

唯一真正的限制是频率标度是线性的而不是对数的,但是如果您只对某个特定的十年感兴趣,那么您很快就会习惯。首先进行真正的宽带扫描,然后对最感兴趣的部分进行另一次扫描以将其扩展。

为了获得更高的相位、频率和增益裕度读数的分辨率,HP3580A 允许手动频率调谐,因此您只需调整 0db 增益,并直接从相位计读取相位至 0.1 度分辨率。然后您可以手动调谐-180度相位,并以0.1分贝的分辨率从数字显示器读取增益裕度,数字频率读数为1Hz分辨率。

CRT 上的迹线很小,但它确实很好地指示了整体形状,通常为每格 10db,垂直每格 45 度。数字读数提供了曲线上任何特定兴趣点所需的所有分辨率。

它是一个真正的预算系统,有点像米老鼠,但它是一个非常有用的工具,可以让我做我以前从未做过的事情。将它们放在一起非常简单。

3575A 增益/相位计上的两个输入通道允许对开关电源进行闭环测量,并且低频 1000:1 电流互感器可从跟踪发生器中制作出低成本的注入变压器。

我尝试了几种不同的电流互感器,然后我发现一个看起来非常平坦,在 50Khz 时仅下降了大约 0.5%。