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DIY一款简易的伯德图分析仪

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boy59
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  • 2018-9-21 21:07:32
   在之前的一个帖子中发现了一种绘制电路bode的简易方法,这次准备试做一个看看实际效果。
boy59
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  • 2018-9-21 21:09:19
 
环路分析仪.jpg                                  
                                  1-1  环路分析测试连接图
环路分析仪的使用如上图所示,其中相当于包含了一个信号发生器、一台示波器及信号运算单元等。(关于环路分析仪更专业的帖子:【揭秘】深入环路分析的测试对比和解析 http://www.dianyuan.com/bbs/2423448.html
这里所采用的方法是:1、是让电源发生持续震荡替代信号发生器  ;2、采用手算替代内部的运算单元。最终就只需使用一台示波器了。

st.you
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  • 2018-9-26 17:25:08
 
自激振荡?会不会不小心电源自己把自己给振挂了啊?
boy59
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  • 2018-9-26 20:38:55
 
应该不会,开关电源都有限流或过流保护,某些应用电路是不允许自激振荡。仿真时自激震荡的振幅都还比较小,等电路做好了实测一下。
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  • 2018-9-21 21:20:57
 
在传统的补偿环节中相位和增益一般都是相互关联的,改变其中任意一个变量时都将影响另一个或多个变量使调试变得复杂。这里的简易式伯德图分析仪的核心是将增益调节和相位调节分离开来,改变其中任意一个变量时另外的变量不受影响。

boy59
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  • 2018-9-21 21:40:27
 
  增益项,可通过比例电路来实现(如PID中的P),因为电路是由纯阻性构成,所以信号经由比例电路后相位不发生任何改变。
  相位项,根据右半平面零点和左半平面极点的特性,如果将二者合二为一则可以实现增益恒为1相位0~-180可调的电路特性。
等增益变相位.jpg
                        1-2 增益不变、相位0~-180可调的bode
当电路具备了上述两项功能就可以实现增益和相位的单独调节,这对于电路参数设置来说是极为方便。

boy59
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  • 2018-9-21 22:29:51
 
由右半平面零点和左半平面极点构成的相位调节电路用软件仿真得出的结果是ok的,不过实际电路的效果才是这次DIY的成败所在。
先给出一个右半平面零点+左半平面极点构成的电路原理图(或许有更简洁的电路方式)。
实验电路原理图.jpg
                                  1-3 实验电路原理图
  按上述电路将手上的一块空PCB板做了改装,
实验电路.jpg
                              1-4 改装的实验电路
得出的实验波形如下:
输入输出.jpg
                            1-5 实验波形
1-5中黄色波形为输入信号,蓝色波形为输出信号。
当频率从低到高变化时实验结果没有达到预期值,实验中采用的运放为LM358(非轨到轨)、电阻的精度5%0.1%的电阻需经由库房领取)、电容为普通贴片电容,后续将进一步分析由理想元件构成的仿真电路及对电路中的相关元件进行优化。

boy59
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  • 2018-9-23 07:15:23
 
在图1-3的实验电路中包含一个微分电路,微分电路的特性是随着输入信号频率的升高增益也逐渐增加,当频率增加到一定程度后运放达到饱和。在实验板也发现了这一现象,仿真结果如下:
饱和波形.jpg
                               1-6 微分电路引起的饱和现象

boy59
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  • 2018-9-23 07:24:36
 
1-3的实验电路中还包含一个RC积分电路,RC电路的特性随着频率的升高增益逐渐降低,理论上可与微分互相抵消避免电路饱和。然而在实验板中搞错了先后顺序导致这种效果没有发挥出来,重新绘制的原理图如下:
实验电路原理图2.jpg
                                1-7 实验电路原理图2
1-7中含有一个双联电容,调节时这两个电容要同时变化,如果能将此电路改进成只需一个可变电容其效果应当是更理想。

joezzhang
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  • 2018-9-24 18:49:29
 
google来的。用这个简单的电路试试,调电阻比调电容简单点。

1111.PNG
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  • 2018-9-25 08:32:53
 
多谢兄台,这个电路在理论上是可行的,我先仿真一下。
boy59
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  • 2018-9-25 10:10:14
 
参照这个电路设置的各参数如下:
简洁电路.jpg
                        图1-8-1 简洁版等幅调相电路
利用Saber的tdsa扫频获得的bode图同理论计算结果对比如下:
简洁电路扫频.jpg
                           图1-8-2 简洁版扫频结果对比
如上图所示二者结果一致,这样就不需要双联电阻或电容了。因零、极点频率是电阻倒数的关系,如果有非线性的可调电阻效果应当更好一些(有了解的麻烦推荐一下,这款分析仪目前还不打算采用单片机来实现)。

lovelee
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  • 2018-9-25 13:10:19
 
很不错。继续更新
greendot
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  • 2018-9-25 14:56:18
 
这个电路R1和C1互换位置也可以,相位从低到高频由0到-180度变化。
VR 除了线性型外,有Log型和Anti-log型,音响里常用。
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  • 2018-9-25 16:45:30
 
非常感谢!之前只知道有这样的VR不清楚叫什么名字。
从网上查到的资料:直线性变化型、对数变化型、指数变化型(对应型号A、B、C)
三种可调电阻.jpg
               图1-8-3 三种型号电位器示意图
其中对数型的应该跟1/R的变化规律较接近(是否有将1/R线性化转换的电路?),这里是想采用分立器件收音机的方式采用机械指针来直接读取数据,如果电路的线性度不好就只能在刻度上做文章了。

boy59
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  • 2018-9-25 17:11:36
 
图1-8-1电路的实测结果如下:
简洁电路测试结果.jpg
                              图1-8-4 简洁版电路实测结果
图1-8-4中蓝色曲线为输入信号、黄色曲线为输出信号,分别测10Hz、100Hz、1kHz、10kHz时的输入、输出波形(手上的这款LM358频率>1kHz后波形发生了畸变)。
此参数下的理论值如下:
理论计算结果.jpg
                           图1-8-5 理论计算结果
上述实验结果验证了这种电路的可行性,剩下的还有一些细节问题:
1、        如果用于开关电源测量需增加低通滤波器来滤除开关噪声(多档选择)。
2、        如果采用单片机处理还需搭配一款显示屏。
3、        采用纯模拟电路需做好线性化处理或者是非线性刻度处理。
4、        增加拨挡开管可兼容多种输出电压(如3.3V、5V、12V、24V)。

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  • 2018-9-26 14:38:05
 
尝试采用压控电阻来实现线性化处理,电路如下图
压控电阻.jpg
                         图1-9-1 压控电阻电路
压控电阻波形.jpg
                         图1-9-2 不同控制电压下的电压、电流波形
图1-9-1右侧的公式看压控电阻和控制电压Vc不是线性关系,从仿真结果看电阻的调节范围有限。这种机械与电路同步线性化的要求或许比较难实现,准备采用指示灯+机械标尺的方式来实现相位参数的读取。
greendot
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  • 2018-9-27 13:47:54
 
怎么电路里的相移和理论计算差这么多?
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  • 2018-9-27 15:02:17
 
理论计算结果2.jpg
电路中用的电阻实为1k欧姆(5%精度),粗心大意了,电容值实测大概114nF。
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  • 2018-9-27 22:27:19
 
由于增益及X标尺都是以对数(Log)方式显示的,之前在设计线性化显示时考虑不周到,如果选用指数电位器后电路将跟最初设想的一样简洁。
指数电位器.jpg
                                        1-10 指数电位器及其对数显示

greendot
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  • 2018-9-28 18:48:34
 
一般所谓的Log/Anti-log 只是Piecewise Linear近似的,真正的 Log/Anti-log 不知难否找到。
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  • 2018-9-28 19:43:11
 
也怀疑过这个Log/Alog不会那么理想,准备先买两个回来测一下,如果偏差能容忍就直接采用,如果偏差太大就采用第二种方案选用双联电阻通过指示灯把值显示出来,不过电路要复杂一些,读取相位值时也多了一个步骤。
greendot
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  • 2018-9-28 20:05:34
 
可以用一个固定电阻并联一个线性的VR去模拟Log/Alog 。看看是否可用。 Modifying Pot Response.pdf (121.79 KB, 下载次数: 6)
boy59
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  • 2018-9-29 09:17:56
 
谢谢,试着按电阻分压方式来描述曲线如下:
指数1.jpg
左图Y轴是线性分布右图Y轴是对数分布,包含三条曲线,线性电位器、理想指数电位器、组合式电位器。从右图看中间一段(0.02-0.8)的线性度还可以。
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  • 2018-9-29 09:21:15
 
也尝试了不同的组合方式,如下
指数2.jpg
假设采用的是三联线性电位器,效果会好一些,不过低端还是不够理想。
greendot
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  • 2018-9-29 12:01:21
 
是不是不可行了,电路里要的是电阻,不是分压。
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  • 2018-9-29 14:19:16
 
按资料中电阻并联的方式曲线就不是这样的了,在网上拍了一个指数电位器和一个步进式电位器等回来看看效果 步进电位器.jpg

nc965
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  • 2018-9-21 22:03:52
 
等待一个PCB
lpqlwan
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  • 2018-9-25 14:52:33
 
小发明,小创造,楼主的不断学习精神值得大家的学习。
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  • 2018-9-26 22:08:34
 
初步设想的功能及外观如下:
外观.jpg
                                     2-1 bode图分析仪外观
右上角旋钮为比例旋钮,最下一排指示灯为X标尺参考位置(粗调),右侧中间位置的指示灯为模拟量显示作为X标尺的细调参考。根据示波器上的震荡频率调节Y标尺,读取Y标尺与仪器上伯德图曲线的交点其对应的刻度既为相位值。左侧有x1x1k两个档位,将频率范围设置为1~1kHz1kHz~1MHz两个频段。X标尺和Y标尺的数值都经过换算处理,直接读取的就是被测电路bode图的相位和增益参数。

电子仔
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本网技师
  • 2018-9-29 11:58:07
 
支持支持 学习了
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  • 2018-9-29 14:20:29
 
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  • 2018-9-30 15:06:42
 
考虑到机械运动部件较难加工(如果有专业加工设备这种机械标尺结构的易读性会更好),还准备了一套指示灯的方案。
购买的步进型电位器有约21个档位可以与移向电容C构成约21种相位曲线,这里取20条曲线通过“查表”的方式读取相位数据代替之前的机械标尺移动,效果如下图:
led显示.jpg
                                      图3-1相位曲线查询卡
当旋转步进电位器时图3-1上相应的LED指示灯会点亮示意为当前选中的曲线,调节增益电位器使电路发生震荡,结合震荡频率和选中的这条曲线就可以查询出电路在此频率下的相位值。
这种方式还有另外两个好处:
1、扩展测量范围,通过增加一个拨挡开管改变移向电容C的值就可以实现测量频率的扩展,如预设0.1Hz~100Hz,100Hz~100KHz,10kHz~10MHz三个档位。只需把X轴的坐标变换一下即可无需硬件改动。
2、到目前为止还未将低通滤波器考虑进去,如果加入低通滤波器后会对高频段的相位产生影响,如果在相位曲线查询卡片上直接将高频段的相位加进去那么在硬件上也无需其它改动。
最终这台仪器的功能扩展都将依赖于这张卡片上,降低了硬件开销。
greendot
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  • 2018-10-3 14:36:52
 
电阻不是连续可调的话,那么像下面的情况(相位= -100度,频率=10KHz),落在两曲线之间,无处可依。
151924tlc5thlelcttaccf.jpg.thumb.bmp

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  • 2018-10-4 07:38:56
 
是这样的,采用不连续电阻是有很多点测不到,只能测落在曲线上的点。通常测出几个点就能描出曲线趋势,所以这只会对测量精度有些影响。
greendot
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  • 2018-10-4 18:15:28
 
随便找了个LoopGain的Phase曲线,把它倒转,放在您的调相图里,就可以看到那些点是能测得到的:
151924tlc5thlelcttaccf.bmp

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  • 2018-10-7 06:23:46
 
大概就是这样的效果,这个图有点类似电压模式的Buck电路,采用这种不连续的模式在双极点处(曲线变化剧烈)的精度较低,所幸多数情况下穿越频率不会设在双极点附近。(连续模式的更理想看实测效果)
相位曲线图有做倒转处理(-180-补偿相位),发觉之前的移相电路相位从0~-180变化的频率范围有些宽所以又增加了一级,上图实为两级移相(0~360)及倒转处理后的图。
电路如下:
原理图.jpg
                       图3-2 电路原理图Rev01
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  • 2018-10-8 15:52:02
 
哦,加了个Multi Feedback LP,也引入了额外的相移。
这个电路插入待测机子后,会不会影响Vout的DC反馈值? 或Vout的值?
(38楼的是VCM CCM Buck)
boy59
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  • 2018-10-8 16:42:13
 
LP.jpg
如果穿越频率在拐点频率前,对DC反馈值的影响应该是可以忽略的(此图不是原理图中的参数,是否有相位不变的LP电路?)。
当比例调的比较小输出Vout可能会偏差的较多,有考虑把基准电压变成可微调的。
boy59
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  • 2018-10-8 17:05:02
 
买回三款指数电位器
指数VR.jpg
                              
                                        图3-3 三款指数型电位器
这三款电位器的实测结果都不是很理想,比如最左侧的直滑指数电位器的测试数据:
直滑式指数电位器曲线.jpg
                                       图3-4 直滑式指数电位器测试图

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  • 2018-10-8 18:08:40
 
DC反馈我说的不只是这个LP,是整个图3.2 ,从Vout到Vcont,因为不知电路是如何插入的,所以有此一问。
Bessel filter ,最小 phase shift 的了。
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  • 2018-10-8 18:52:17
 
整个电路图3.2是替代电源中的Type Ⅱ或者Type Ⅲ补偿器接入电路的。
greendot
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  • 2018-10-9 16:04:56
 
原来这样的。Vcont就接PWM的输入? Vout突然变高,Vcont应该变低变高? U2B输出点的电平和Vcont的电平一样?
boy59
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  • 2018-10-10 08:42:40
 
这个电路图是有问题的,初始设计时没考虑低通滤波器,后来加上单运放LP滤波器后相位会偏差180度左右,或者应加上双运放LP滤波器。还在纠结要不要加这个LP滤波器所以电路图也没做修改只是用了个红框框起来。

greendot
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  • 2018-10-10 11:18:28
 
。。。。
joezzhang
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  • 2018-10-3 19:21:12
 
搞简易模拟的,最好不要弄什么步进。步进代表离散,模拟信号还是连续的靠谱

不行就上MCU吧
boy59
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  • 2018-10-4 07:48:25
 
实现目前的功能用模拟电路就足够了,原本的设计思路就是离散测量,问题就是要处理好非线性显示。
下一版可以采用MCU实现智能化,比如可以自动识别自激振荡频率从而不依赖示波器……
nc965
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  • 2018-10-8 17:25:11
 
不能直接得到bode图?
boy59
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  • 2018-10-8 20:08:06
 
目前设想的还只是个简易款的,从低频到高频分别测几个点(如38楼的效果,如果有双极点的可在双极点处多测几个点)然后在空白的bode图中将曲线趋势绘制出来。
boy59
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  • 2018-10-26 22:41:48
 
虽然指数电位器离预期的效果相差很远,不过还是计划做一个出来看看实际效果,说不定碰到的一些问题是有办法解决的。

boy59
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  • 2018-10-26 22:42:42
 
首先要精确描绘出指数电位器的阻值-位置曲线图,此时需要一块面板来固定电位器并标记好刻度。
装配1.jpg
                               4-1-1 装配1
如上图,找来一块易于加工的纸板来作为面板,另一块洞洞板作为底板,后期的电路都将安装在洞洞板上。

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  • 2018-10-26 22:44:57
 
为了便于后期的组装将电位器都安装到前面板上。
装配2.jpg
                                 4-1-2 装配2
旋转电位器自带固定螺母在面板上挖两个洞即可安装,直滑电位器通过一块小底板固定到面板上。

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  • 2018-10-26 22:46:15
 
安装后的侧视图如下:
装配3.jpg
                                        4-1-3 装配3

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  • 2018-10-26 22:47:27
 
前面板上的电位器通过导线和底板上的电路连接。
装配4.jpg
                                        4-1-4 装配4

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  • 2018-10-26 22:49:03
 
装配好并绘制好刻度标识的效果如下:
装配5.jpg
                                           4-1-5 装配5

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  • 2018-11-1 17:15:24
 
因为指数电位器不够理想所以就想在刻度盘上做文章了,实际操作了一下效果还不算太差,见下图。
非线性刻度.jpg                   
                              图4-1-6 非线性刻度盘
上图左边的相位曲线和右边的增益刻度都是根据电位器的实测值绘制出来的,刻度盘上的不同值之间是还能够分辨出来的,这样就不需要指示灯了可以同最初的设想一样简洁。
z443233785
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  • 2018-11-1 17:21:50
 
误差和精度都是一个问题,因为一个小小的误差都会让人误判,导致影响整个电路的分析结果
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  • 2018-11-2 08:50:25
 
精度是个问题,1、量程太宽,2、刻度盘非线性,3、刻度盘的制作精度等问题。
一般开关电源的穿越频率都设置在1kHz~20kHz之间,功率级电路的增益0~-20dB,在这段区域精度的问题还稍微好一些。
pualdelis
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  • 2018-11-3 21:39:30
 
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  • 2018-11-23 17:22:38
 
按之前的构思将电路搭建起来,首先进行了初步测试:
初步测试.jpg 初步测试曲线.jpg                        
                                                 图4-1-1 初步测试1
由信号发生器提供1Khz峰值200mV的正弦波信号,经过分析仪后增益扩大10dB,当前状态相移零度(-180度相移由比例电路引起)。
boy59
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  • 2018-11-23 17:34:26
 
初步测试2.jpg 初步测试曲线2.jpg      
                                                 图4-1-2 初步测试2
测试2增益设置为20dB,相移动-90度,目前选用的运放为AD8609带宽400Khz。因最大增益为10倍理论上频率40Khz以下都可有处理。
图中从圆盘刻度读取被测电路增益数值(dB),直滑电位器结合当前的震荡频率读取被测电路的相位值。
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  • 2018-11-23 17:54:12
 
其次用线性电路对分析仪的测试功能进行验证,这里选用Type Ⅱ电路来进行验证参数如下:
Type2.jpg

图4-2-1 验证用Type Ⅱ电路
将环路测试仪和Type Ⅱ电路首尾相连构成一个环路,
闭环测量.jpg

                      图4-2-2 Type线性电路闭环测量
上图中一块PCB为分析仪电路一块PCB为Type Ⅱ电路。
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  • 2018-11-23 18:14:46
 
测试过程首先将直滑电位器调到最右端,再调节增益旋钮,逐渐向左调节直滑电位器直至出现震荡为止。
-20db.jpg -20db曲线.jpg
                                
                                      图4-3-1 预设-20dB测试
在从右向左推动直滑电位器时,电路从无震荡到轻微震荡再到大幅震荡最后饱和震荡(方波),如果在测试时注意一点的话可以避免电路大幅震荡引发某些电路的损坏(无保护功能)。

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  • 2018-11-23 18:19:49
 
                                
-16db.jpg -16db曲线.jpg
                                                  图4-3-2 预设-16dB测试
重复图4-3-1的步奏,将增益设置为-16dB的测试如上。在调节直滑电位器发生自激震荡时可任选某个震荡状态,不同的振幅对应不同的震荡频率,最终的结果是唯一的非多值。

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  • 2018-11-23 18:35:47
 
重复图4-3-1的步奏,设置不同的增益直至得出足够描述曲线趋势的点,将Type Ⅱ理论值同实测结果的进行对比如下:
理论实测对比.jpg
                              
                                     图4-3-3 Type Ⅱ电路理论与实测对比
如上图,由于刻度盘的制作精度不足,实测值同理论值有些偏差,量程上也有所限制(图中实线为理论值,三角标记为实测值)。
下一步就准备在开关电源上实测了,由于开关电源为非线性系统自带开关噪声所以还需设计一个低通滤波器……

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  • 2018-11-30 18:08:26
 
找到一个5V3A的适配器做测试
开关电源测试.jpg                         
                                   图5-1 开关电源环路测试
对电路原理图做了一点小调整,原来的电路无法处理直流分量。另外在基准处增加了一个滑动变阻器变成可变基准,由于在测试过程中增益未小于0dB所以基本没有用到。
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  • 2018-11-30 18:27:25
 
同之前测试Type Ⅱ电路一样的操作(尚未增加滤波器),测试效果也差不多列举几个测试点:
0dB测试曲线.jpg                         
                                        图5-2-1 增益0dB测试结果
-5dB测试结果.jpg
                                         图5-2-2 增益-5dB测试结果
-10dB测试结果.jpg
                                         图5-2-3 增益-10dB测试结果
上述自激震荡的振幅和震荡频率都可以灵活调整。
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  • 2018-11-30 18:34:07
 
一共测试了5个点,放到伯德图中的效果如下:
幅频相频测试结果.jpg                            
                               图5-3 反激5V3A相频、幅频测试结果
这个测试结果准确度如何还有待验证(非理想指数电位器的影响还是比较大的),准备将被测的适配器参数测出来后反算一下。
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  • 2018-11-30 19:46:37
  • 倒数10
 
只是功率级还是....
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  • 倒数9
 
只是功率级的
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  • 2018-12-3 12:06:35
  • 倒数5
 
拓扑是DCM Flyback? 或是电流模式?
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  • 2018-12-3 19:39:31
  • 倒数4
 
实验电路5V3A.jpg
电路图绘制出来大概如上图,其中采样电阻实测1.4Ω左右。可惜再上电时电源不工作了,这种规格也有可能采用QR模式。
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  • 2018-12-1 14:16:16
  • 倒数8
 
                              
5V3APCB反.jpg                                    
                                  图5-4 5V3A电源PCB背面
被测适配器的背面如上图,根据图中参数绘制出输出部分的原理图如下:
测试图及补偿参数.jpg
              图5-5 被测适配器补偿参数及测试连接方式
测试时拆下电阻R10、电容C7或R7,将测试仪的输入、输出线连入电源如图中所示,此时测试仪将取代原电路补偿器功能。

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  • 2018-12-1 14:29:41
  • 倒数7
 
原电路中采用的是PI补偿,根据其参数绘制的bode图如下:
原补偿级bode图.jpg
                 图5-5 原电路PI补偿bode
其中R22=1.1K,R12=3.32K,C22=48nF(实测)。

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  • 倒数6
 
从测试仪获得的功率级bode加上原电路PI补偿级bode可以得出总的开环bode图如下:
总开环bode图.jpg                            
                                图5-6 5V3A适配器总开环bode
从图5-6可以大致判断出此适配器的穿越频率设计在1kHz~2kHz之间,相位余量在80度左右。
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  • 2018-12-5 21:09:55
  • 倒数3
 
之前电路用的运放AD8609最高供电电压5V,用在输出大于5V(譬如12V)的场合可能不适用,因而在电路中增加了431运放使其可以兼容其它测试电压。
电路安装.jpg
                                         6-1 电路板安装
原本想打样一块PCB,又想了想,做块PCB吧就要配个外壳,外壳有了就要机加工开槽,开完槽了又要做丝印,考虑成本和时间还是算了,反正电路也简单飞飞线搞定……

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  • 2018-12-5 21:17:47
  • 倒数2
 
飞线的小PCB板不知是哪位工程师留下的刚好上下两边可以各放一根排针,也给面板电位器的连线提供了安装点。
PCB连线.jpg
                                    6-2 上面板连线

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  • 2018-12-5 21:33:54
  • 倒数1
 
最终安装好后的正反面如下:
正反面.jpg
                           6-3 伯德图分析仪安装好后的正反面
分析仪的供电为4~5V的直流电压,输入端口接被测电源的输出和地,输出端口接光耦或者控制芯片的FB端(分析仪将替代Type型或PI型补偿器工作),背面增加了拨码开关根据被测电压的大小来选择,目前只支持5V12V两种选择。
明天准备再测试一下另一款12V的反激电源,如果结果也在合理范围内的话,这款简易测试仪以后就可以留着自用了。

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