什么是频率响应分析（波特图）

什么是频率响应分析（波特图）

应用指南

频率响应分析（波特图）- 使用 Keysight InfiniiVision X 系列示波器

对于当今的许多电子设计，通常需要执行频率响应分析来确保其满足性能要求。 通过这个信号表征域，您可以观察电路设计的输出在不同频率输入下的响应。 如果不执行此分析，可能会导致设计和产品出现问题。 频率响应分析 (FRA) 在无源和有源滤波器、放大器以及开关模式电源的负反馈网络等设备（闭环响应）中至关重要。在本应用指南中，您将了解到什么是 FRA，并通过三个不同的测量示例了解如何使用该应用。

 

什么是频率响应分析？

如果对频率响应测量不熟悉，记得回顾您的电气工程大学时代，创建波特图是那时候的必修课。 波特图是系统输出相对输入的增益和相位频率（即频率响应）的理论线性近似值。 波特图基于电路传递函数的极点和零点。 比如，串联 R-L-C 无源电路（图 1）的传递函数 T(jω)包含 2 个极点和 1 个零点（0 Hz 时）。 

 

假设 R = 50 Ω、L = 10 µH、C = 1 µF，则 fPole1 理论上出现在 3.2 kHz 时，fPole2 理论上出现在 800 kHz 时。 这两个频率就是 ± 20 dB/10 倍频线性近似值与 0 dB 相交之处，如图 2 所示。 但是，如果对这个无源电路进行测试，就会发现实际的增益和相位轨迹并不是完美的直线，尤其是在这些极点频率附近。您会发现，在这两个极点频率下，增益下降约 3dB、相位约为 ±45°。那么，相对于理论性能，该如何测试一项设计以验证其实际性能呢？

 

自动频率响应分析

除非您有幸使用专用的频率响应分析仪 (FRA) 或矢量网络分析仪(VNA)，否则这种分析就是一项使用示波器和函数发生器作为正弦波输入源的枯燥无味的测量练习。 这项练习涉及了大量手动执行的幅值和定时测量，以确定多个频率设置下的增益 (A = 20LogVOUT/VIN) 和相位。这是当今大多数 电子工程 学生所使用的方法。 然而，是德科技频率响应分析 (FRA) 应用的问世彻底改变了这种情况。 第一次，您可以使用示波器的内置波形发生器作为正弦波输入源，结合示波器内的自动 FRA 软件，执行自动频率响应测量。在执行频率响应测试以生成增益和相位波特图之前，应先对 InfiniiVision 示波器 FRA “Settings”（设置）菜单（图 3）中的测试参数有个基本了解。

 

  • 频率模式：
    • 扫频 – 在从指定的起始频率到指定的停止频率范围内，示波器执行多次增益和相位测量。 这种模式生成叠加的对数增益和线性相位-频率的关系图。 也可以在表格中查看测量结果。
    • 定频 – 示波器仅在一个指定频率下执行增益和相位测量，仅生成数字增益和相位测试结果（无曲线图）。
  • 频率（起始、停止）：指定的起始频率就是初始测试点，最低可设为 10 Hz。 指定的停止频率就是最终测试点，最高可设为 20 MHz。
  • 点数：指定的整个“起始/停止”扫频范围内待测试频率的数量（1 到 1000）。 测试点数量越多，分辨率越高；不过，绘制所有数据需要的时间也越长。
  • 源（输入、输出）： 指定的示波器输入源（通道 1、通道 2、通道 3 或通道 4）和指定的输出源（通道1、通道 2、通道 3 或通道 4）。
  • WaveGen（Amp、Imp）：指定的测试幅值和负载阻抗。 对于线性系统来说，测试幅值越高，测量值的动态范围通常就越大。 但是，在测试可能达到饱和、而后表现出非线性特征的系统（例如反馈放大器电路）时，测试幅值设置过高可能会导致波形失真和测试结果不准。
  • 幅值曲线：如果开启，就可以指定测试幅值按 10 倍频线性增高或降低，而不是在整个“起始/停止”扫频范围内使用固定的测试幅值。 在测试不时展现出非线性特征的系统时，就可以使用这种模式优化动态范围。 注意，1000 X 系列示波器中不提供幅值曲线绘制功能。

 

图 4 和图 5 显示的是图 1 中 R-L-C 系列带通滤波器在 100 Hz 至 20 MHz 范围内扫频所得的波特图和表格化结果。 使用示波器的双踪增益和相位游标，可以看到 -3 dB 截止频率下限出现在 3.8 kHz 处，-3 dB 频率上限出现在 750 kHz 处。 理论上的截止频率与实际的截止频率之间有差异是因为现实中存在缺陷，如器件公差和导线电感。 这进一步说明了执行真实测试的重要性。

 

基于是德科技示波器的 FRA 测试解决方案有一个优点，即在扫频期间可以查看 VIN 和 VOUT 时域波形。 这一点很重要，有两个原因。 第一，它提供了待测电路在测试期间的工作状况的良好视觉反馈。 第二，可以通过它监视波形形状，以实时了解由于过驱动有源电路而可能出现的非线性行为。 这是使用独立的单箱频率响应分析仪所不能实现的。 图 6 显示了使用 200 mVPP 测试振幅时的 VIN 和 VOUT 正常正弦波波形示例。图 7 显示了在 1 Vpp 下测试时的失真/非正弦波波形示例。 重要的是，VIN 和 VOUT 在整个扫频期间保持正弦才能避免增益和相位误差。

 

请下载此文档以了解更多信息。