背景知識(shí)

 

負(fù)反饋常用于控制系統(tǒng)中。圖1顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的負(fù)反饋系統(tǒng)。

 

圖1. 負(fù)反饋系統(tǒng)。

 

其中輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系如下所示：

 

 

這個(gè)關(guān)系式被稱(chēng)作閉環(huán)傳遞函數(shù)。T(s)被稱(chēng)為環(huán)路增益，由該環(huán)路上所有增益得出，在本例中，T(s) = G(s) × H(s)。

 

有了環(huán)路增益，我們可以利用奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)來(lái)確定增益和相位裕量，以及確定閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

 

系統(tǒng)的環(huán)路增益可從系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型中得出。這類(lèi)模型往往不會(huì)考慮現(xiàn)實(shí)中可能存在的寄生和有害影響。但這些模型對(duì)于測(cè)量負(fù)反饋系統(tǒng)的環(huán)路增益是極為有用的。

 

環(huán)路增益測(cè)量:

 

電壓注入法是測(cè)量負(fù)反饋系統(tǒng)環(huán)路增益的一種方法。以下部分 將詳細(xì)說(shuō)明如何實(shí)施電壓注入法，以及為了獲得正確的結(jié)果應(yīng) 注意什么。通過(guò)使用合適的注入變壓器(如ADALP2000 模擬套件中包含的 HPH1-1400L），我們可以在系統(tǒng)反饋環(huán)路合適的注入點(diǎn)注入測(cè)試電壓。然后

 

圖2顯示了使用電壓注入法測(cè)量反饋系統(tǒng)環(huán)路增益時(shí)的設(shè)置。在反饋環(huán)路的注入點(diǎn)插入一個(gè)額定值較低的電阻，注入變壓器二次繞組跨接在注入電阻兩端，以施加測(cè)試電壓。這種連接方法可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試電壓注入的同時(shí)，不改變系統(tǒng)的直流偏置工作點(diǎn)。

 

圖2. 電壓注入方法。

 

通過(guò)電壓探針，將網(wǎng)絡(luò)分析儀輸入連接至注入電阻的兩端。然后，通過(guò)測(cè)量從點(diǎn)A到B的復(fù)雜電壓增益來(lái)測(cè)量環(huán)路增益：

 

 

其中T(s)表示測(cè)量得出的環(huán)路增益， V_SIG 和 V_REF 表示網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量得出的電壓。

 

如果滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件，則得出的環(huán)路增益T(S)約等于實(shí)際的環(huán)路增益。

 

條件1

 

反饋環(huán)路上注入點(diǎn)處的前向電阻（H(s)部分的 (ZIN(s) 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于從注入點(diǎn)處后向的電阻 (G(s)部分ZOUT(s))。

 

 

條件2

 

為保證測(cè)量得出的環(huán)路增益約等于實(shí)際的環(huán)路增益，必須滿(mǎn)足的第二個(gè)條件是：

 

 

從這些條件我們可以看出，需要選擇一個(gè)滿(mǎn)足條件的注入點(diǎn)，是非常重要。

 

第一個(gè)條件通常運(yùn)算放大器的輸出端可以滿(mǎn)足，一般情況下輸出端是低阻抗。其他合適的注入點(diǎn)通常位于高阻抗輸入端，例如運(yùn)算放大器的輸入。

 

第二個(gè)條件的檢測(cè)難度較大，尤其是對(duì)于小環(huán)路增益時(shí)。當(dāng)測(cè) 量結(jié)果高于交越頻率時(shí)，需要仔細(xì)檢查。

 

同時(shí)應(yīng)盡量將注入電壓的量級(jí)保持在最低水平，以避免信號(hào)產(chǎn)生較大影響，例如飽和度或其他會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果非線性度的問(wèn)題。

 

如果注入電阻的阻值相對(duì)較小，則不會(huì)直接影響到測(cè)量結(jié)果。電阻阻值一般可以設(shè)置為50Ω或小于50Ω。

 

變壓器的頻率響應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)分析儀的動(dòng)態(tài)范圍會(huì)限制環(huán)路增益的測(cè)量結(jié)果。在以下實(shí)驗(yàn)設(shè)置中，我們會(huì)使用HPH1-1400L變壓器，它具備約10 kHz到5 MHz的可用頻率響應(yīng)范圍。如果要測(cè)量更低頻率的環(huán)路響應(yīng)，則需要使用繞組電感更高的變壓器。將運(yùn)放連接為反相放大電路，電阻比設(shè)置為H(s)，使用類(lèi)似HPH1-1400L 的寬帶變壓器（例如T1-6T (Mini-Circuits)或WB1010 (Coilcraft)）足以觀測(cè)ADALP2000模擬套件中的某些運(yùn)算放大器的環(huán)路響應(yīng)近單位 增益(0 dB)。

 

材料

 

● ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

● 面包板和跳線

● 2個(gè)10Ω電阻

● 1個(gè)100Ω電阻

● 2個(gè)1 kΩ電阻

● 1個(gè)10 kΩ電阻

● 1個(gè)OP27運(yùn)算放大器

● 1個(gè)OP37運(yùn)算放大器

● 1個(gè)OP97運(yùn)算放大器

● 1個(gè)HPH1-1400L變壓器（或者其他變壓器，例如Mini-Circuits的 T1-6T，或者Coilcraft的WB1010）

● 2個(gè)0.1 μF電容（用于Vp和Vn電源的去耦）

 

指導(dǎo)

 

如圖3所示構(gòu)建測(cè)量設(shè)置。注意Vn、Vp電源需要做去耦處理，需要在運(yùn)算放大器電源引腳（引腳7為+5 V，引腳4為–5 V）增加 0.1μF的電容（為簡(jiǎn)化示意圖，該部分未在示意圖中顯示）。如果T1處使用的是HPH1-1400L變壓器，應(yīng)將六個(gè)繞組中的三個(gè)在串聯(lián)起來(lái)作為原邊，將剩余的三個(gè)繞組串聯(lián)起來(lái)作為副邊（查看變壓器組上的操作，了解更多詳細(xì)信息）。電阻R1設(shè)置為1 kΩ， 為了測(cè)量三個(gè)運(yùn)算放大器的不同環(huán)路增益，電阻R2設(shè)置為1 kΩ或10 kΩ，使用R4和R5進(jìn)行分壓的目的有兩個(gè)：第一，R4的電阻 為10Ω與反饋環(huán)路中插入的電阻R3的阻抗匹配。ADALM2000中的 AWG無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)R4，100Ω電阻R5的引入可以增加負(fù)載電阻，使 AWG可以安全驅(qū)動(dòng)。第二，R4、R5可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的衰減，我們可以將AWG的幅度設(shè)置地足夠高，以提供低噪聲信號(hào)，同時(shí)保證向環(huán)路注入的信號(hào)足夠小。

 

圖3. 環(huán)路增益測(cè)量設(shè)置。

 

圖4. 環(huán)路增益測(cè)量電路。

 

硬件設(shè)置

 

淺藍(lán)色區(qū)間表示連接ADALM2000模塊AWG、示波器通道和電源的位置。確保在反復(fù)檢查接線之后，再打開(kāi)電源。

 

打開(kāi)電源控制窗口，打開(kāi)設(shè)置好的+5 V和–5 V電源。打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)分 析儀工具，設(shè)置掃描起始頻率為10 kHz，停止頻率為5 MHz。最 大增益為1×。將振幅設(shè)置為3 V，偏置設(shè)置為0 V。使用波特圖顯 示，將可顯示的最大幅度設(shè)置為40 dB，顯示范圍設(shè)置為80 dB。 將可顯示的最大相位設(shè)置為180°，顯示范圍設(shè)置為360°。在通 道選項(xiàng)中，點(diǎn)擊使用用通道 1 ，將其設(shè)為基準(zhǔn)電壓源。將步驟數(shù)設(shè)為500。

 

步驟

 

首次測(cè)量我們采用ADALP2000套件中的低帶寬放大器OP97，其中 R1和R2均設(shè)置為1 kΩ。打開(kāi)電源，開(kāi)始掃描。注意環(huán)路增益為單 位值(0 dB)時(shí)的頻率，以及該頻率對(duì)應(yīng)的相位。將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo) 出到.csv文件，以便采用 MATLAB®或Excel進(jìn)行深入分析。

 

掃描結(jié)果如圖5所示。

 

圖5. 環(huán)路增益測(cè)量圖。

 

接下來(lái)，使用套件中的高帶寬放大器OP27替換OP97。在替換運(yùn)算放大器之前，請(qǐng)務(wù)必關(guān)掉電源。替換完成后，重新打開(kāi)電源，開(kāi)始掃描。注意此時(shí)環(huán)路增益為單位值(0 dB)時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率，以及該頻率對(duì)應(yīng)的相位，將測(cè)量結(jié)果與OP97的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。也可以將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)出到.csv文件，采用Excel或MATLAB進(jìn) 行深入分析。完成以上操作后，我們使用10 kΩ電阻替代R2處原有的1 kΩ。替換后重新開(kāi)始掃描。確定環(huán)路增益為單位值(0 dB) 時(shí)的頻率變化，以及該頻率對(duì)應(yīng)相位的變化，將結(jié)果與R2等于 1 kΩ時(shí)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

 

最后，使用套件中的OP37放大器替換OP27。在將運(yùn)算放大器從電路中取出之前，仍需要關(guān)掉電源。替換完成后，重新打開(kāi)電源并開(kāi)始掃描。記錄環(huán)路增益為單位值(0 dB)時(shí)的頻率，以及該頻率對(duì)應(yīng)的相位，并將結(jié)果與使用OP27放大器(R2為10 kΩ)時(shí)的測(cè) 量結(jié)果進(jìn)行比較。將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)出到.csv文件，以便采用Excel或 MATLAB 進(jìn)行深入分析。

 

 

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