Understanding Bode plots

Запас по фазе измеряется на частоте, на которой усиление равно 0 дБ. Она обычно называется «частотой перехода (среза)». Запас по фазе — это мера расстояния от измеренной фазы до фазового сдвига -180°. Другими словами, этот параметр показывает, на сколько градусов нужно уменьшить фазу, чтобы достичь значения -180°.

Запас по усилению, с другой стороны, измеряется на частоте, на которой фазовый сдвиг равен -180°. Запас по усилению показывает расстояние в дБ от измеренного усиления до усиления 0 дБ. Эти значения — 0 дБ и -180° — имеют особое значение, потому что при их совпадении система становится неустойчивой.

Запасы по усилению и фазе представляют собой расстояние от точек, в которых может возникнуть неустойчивость. Чем больше это расстояние или запас, тем лучше, потому что более высокие запасы по усилению и фазе означают большую устойчивость системы. Контур с запасом по усилению, равным нулю или даже меньше, будет устойчивым лишь условно и легко может стать неустойчивым при изменении значения усиления. Типичное целевое значение запаса по фазе составляет не менее 45 градусов, а в более ответственных прикладных задачах желательны даже более высокие значения.

Помимо соображений безопасности, на рабочие характеристики системы также влияют значения, которые можно определить по диаграммам Боде. Например, более высокая частота перехода 0 дБ обычно означает более быструю реакцию на изменения нагрузки. А меньшее усиление на более высоких частотах означает лучшую помехоустойчивость или меньший уровень пульсаций на выходе.

Диаграмма Боде в сравнении с измерением переходных процессов при изменении нагрузки и переходных характеристик

Существуют и другие распространенные способы количественной оценки или измерения устойчивости источников питания, такие как измерение переходных процессов при изменении нагрузки или переходных характеристик. Хотя этот метод хорошо известен и широко используется, достаточно сложно создать схему для формирования быстрого скачка нагрузки, особенно если между источником питания и генератором ступенчатой нагрузки присутствует индуктивность.

Диаграммы Боде обеспечивают несколько важных преимуществ, которых нет в данном методе:

• Переходная характеристика описывает только крупномасштабное поведение системы, тогда как диаграммы Боде способны отобразить ее поведение в более мелком масштабе.
• Диаграммы Боде могут быть легко построены для различных уровней нагрузки или рабочих точек. Это важно, потому что устойчивость контура часто зависит от выбранной рабочей точки. Источник питания может показаться устойчивым, но будет приближается к области неустойчивости при различных условиях нагрузки.

Измерение устойчивости замкнутого контура с помощью диаграмм Боде

Чтобы лучше описать применение диаграмм Боде, устойчивость замкнутого контура источника питания с преобразователем постоянного тока измеряется путем определения частотной характеристики замкнутого контура. Устойчивость можно проверить, используя метод инжекции напряжения. Данный метод добавляет в цепь (контур) обратной связи очень маленький резистор — обычно порядка 10 Ом. Точку следует выбирать так, чтобы полное сопротивление (импеданс) в направлении цепи обратной связи было намного больше, чем импеданс в обратном направлении. Затем через резистор подается (инжектируется) небольшой сигнал помехи. Обычно это делается с помощью так называемого вольтодобавочного (инжекционного) трансформатора, чтобы избежать влияния на контур. После этого измеряется частотная характеристика и строятся диаграммы Боде.

Приборы для измерения частотной характеристики замкнутого контура

При измерении частотной характеристики замкнутого контура можно использовать две различные категории приборов. К первой категории относится векторный анализатор цепей или ВАЦ. ВАЦ обычно обладает очень широким динамическим диапазоном, что позволяет проводить очень точные измерения импеданса. Одним из недостатков использования векторного анализатора цепей, помимо стоимости и сложности, является то, что он лучше всего подходит для определения характеристик компонентов с сопротивлением 50 Ом. С другой же стороны, осциллографы широко используются при разработке источников питания и позволяют напрямую определять характеристики шума и пульсаций на выходе. Осциллографы теперь также могут выполнять измерения устойчивости, т.е. таких параметров как запас по усилению и по фазе, коэффициент подавления помех от источника питания и его переходная характеристика.

Схема проведения испытания: как измерить частотную характеристику контура управления с помощью осциллографа

Чтобы измерить частотную характеристику контура источника питания с преобразователем постоянного тока, в контур должен быть добавлен помеховый сигнал. Для этого следует выбрать точку, в которой полное сопротивление (импеданс) в направлении цепи обратной связи намного больше, чем импеданс в обратном направлении. В точку инжекции помещается небольшой резистор, и напряжение помех подается на инжекционный резистор с помощью широкополосного вольтодобавочного трансформатора. Помеховый сигнал формируется внутренним генератором осциллографа. Два канала осциллографа подключаются с обеих сторон от точки инжекции. На основе измеренных значений осциллограф формирует и отображает диаграммы Боде.

При измерении частотной характеристики замкнутого контура важно использовать подходящие пробники. На некоторых тестовых частотах размах амплитуды в точках измерения может быть очень небольшим. По этой причине рекомендуется использовать пассивные пробники с коэффициентом ослабления 1x вместо более распространенных пробников с коэффициентом ослабления 10x. Если отношение сигнала к шуму увеличивается, это также улучшает динамический диапазон измерений частотной характеристики. Также важно использовать заземляющую пружину или очень короткий заземляющий провод, чтобы уменьшить влияние наведенных шумов коммутации и индуктивных контуров заземления.