RIGOL技術站 | 3分鐘玩轉示波器的伯德圖功能

“對開關電源電路的測試，經常會使用環路分析方法。環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，然后根據其輸出情況來判斷該電路系統對各個頻率干擾信號的調整能力。

怎樣對開關電源進行環路分析呢？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，以判定其穩定性?！?/p>

什么是伯德圖？

伯德圖是系統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lgω，采用對數分度。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。坐標圖如下：

原理講解

開關電源是一個典型的反饋回路控制系統，其反饋增益模型如下：

在反饋電路系統中，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系統不穩定的條件：當 1+T（s）=0時，系統的干擾波動無限大。這個不穩定條件包含兩個方面：

開環傳遞函數的幅值為 |T（s）|=1=0dB

開環傳遞函數的相位為 ∠T（s）=-180°

如上為理論值，在工程實現上如果要保持電路系統的穩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進入不穩定狀態之前可以增加的相位變化，相位裕度越大，系統越穩定，但系統響應速度會減慢。

●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是穩定的，負增益裕度表明系統是不穩定的。

如下為伯德圖，其中紫色為環路系統增益隨頻率變化的曲線，綠色為環路系統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”。

伯德圖原理簡單，展示直觀運用系統的開環增益來評價閉環系統的穩定性

測試環境搭建

下圖為使用RIGOL的MSO5000系列數字示波器對開關電源進行環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生器輸出的掃頻正弦波信號通過隔離變壓器并聯到注入電阻Rinj兩端

使用連接MSO5000系列數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

戳視頻，3分鐘玩轉示波器的伯德圖功能

操作步驟

小編以RIGOL的MSO5000系列數字示波器為例，為您介紹如何進行環路分析操作——

RIGOL MSO5000系列數字示波器

1啟用伯德圖功能

打開功能導航菜單，點擊“伯德圖”圖標

2設置掃頻信號

按幅/頻設置鍵，通過數字鍵盤對參數進行設置，如圖

3設置輸入輸出源

根據實際電路連接，分別為注入端選擇輸入源使用的模擬通道號，為輸出端選擇輸出源使用的模擬通道號

4啟動環路分析測試

在伯德圖功能設置菜單中運行狀態鍵初始顯示其功能為“啟動”，按運行狀態鍵，彈出Bode Wave窗口開始繪制伯德圖

5查看伯德圖測量結果

伯德圖繪制完成后，可在Bode Wave窗口中查看伯德圖，如圖

6保存伯德圖文件

將環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

　　詳細操作步驟，掃描二維碼獲取應用手冊

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