Bilinmeyen bir devre için Bode grafikleri elde etmenin pratik yolları


11

Kabaca bir sistemin özellikle bir filtre Bode grafiğini elde edebileceğim pratik bir yöntem / yöntem kullanmak istiyorum. Bu elbette karmaşık matematik kullanılarak veya devrenin bir SPICE simülatöründe uygulanmasıyla yapılabilir. Ancak bunlar, her bir bileşenin devre şemasını ve kesin parametrelerini bilmeyi gerektirir.

Ancak bir kara kutudaki bir filtrenin devre şemasını bilmediğimizi ve devre modelini elde etmek için zamanımız veya imkanımız olmadığını hayal edin. Bu, filtreye sahip olduğumuz ve yalnızca giriş ve çıkışlarına erişebileceğimiz anlamına gelir.

resim açıklamasını buraya girin

Ancak iki kanallı bir osiloskopumuz ve bir fonksiyon jeneratörünüz varsa, belirli bir sinüzoidal giriş için filtrenin giriş ve çıkışını görebiliriz.

Bir fonksiyon jeneratörü kullanarak, örneğin girişi 10mV pk-pk ile 1Hz sinüzoidal olarak ayarlayabilir veya Vin olarak adlandırabiliriz. Bu durumda, faz kayması ϕ1 olan bir V1 pk-pk çıkışına sahip olabiliriz. Bu kez girişi tekrar Vin pk-pk ile 10Hz sinüzoidal olarak ayarlayarak aynı şeyi tekrarlıyoruz. Bu durumda, faz kayması ϕ2 olan bir V2 pk-pk çıkışına sahip olabiliriz. Vin'i aynı genlikte tutarak ve frekansı eşit olarak artırarak aşağıdaki gibi bazı noktalar elde edebiliriz:

Vin f1 -> V1, f1, ϕ1

Vin f2 -> V2, f2, ϕ2

Vin f3 -> V3, f3, ϕ3

...

Vin fn ---> Vn, fn, ϕn

Bu, fn'ye göre Vn / Vin çizebileceğimiz anlamına gelir; ve .n'yi fn'ye göre de çizebiliriz. Böylece kabaca Bode grafikleri elde edebiliriz.

Ancak bu yöntemin bazı zayıflıkları vardır. Her şeyden önce kalem ve kağıtla kaydedileceği için küçük aralıklarla fn'yi artıramıyorum. Bu çok zaman alıyor. Buradaki bir diğer en önemli problem, osiloskop ekranındaki genliklerin ve faz kaymalarının doğru okunmasıdır.

Benim sorum şu : PC tabanlı bir veri toplama sistemimiz olduğu varsayılarak, kabaca hem genlik hem de faz kaymaları için Bode arsa noktaları elde etmenin pratik ve daha hızlı bir yolu var mı? yanı sıra)


Bir ağ analizörü kullanın, Keysight, AP cihazları, Venable, vb. İşlemi otomatikleştirmek ve veri noktalarını indirmek için bunları bir PC'ye bağlayabilirsiniz.
John D

1
Hiç kullanmadım ve hiç yok. Onlar çok pahalı. Ancak uygun yöntemi belirttiğiniz için teşekkür ederiz.
user16307

Ebay'de 400 dolarlık çalışan bir HP 3562A dinamik sinyal analizörü aldım. Sadece 100kHz için iyi, ama ev laboratuvarım için yeterince iyiydi. Kısa bir süre için bir enstrüman kiralama seçeneği de vardır. Bilgisayar kontrollü bir sinyal üreteci ve veri toplama sistemi ile kendiniz yapabilirsiniz, ancak bunu yapmak için gereken süre hazır bir ünite satın almanın pazarlık gibi görünmesini sağlayabilir.
John D

"PC veri toplama sistemi" ile ne demek istiyorsun? Bir model numarası, hangi yeteneklere sahip olduğunuzu bize bildirir.
Foton

Ve filtrenizin hangi frekans bandını kapsayabileceğini düşünüyorsunuz? Yanıtlar 100 Hz ve 100 MHz için farklı olacaktır.
Foton

Yanıtlar:


1

Bir giriş sinyali enjekte etmek ve daha sonra çıkış sinyalini yakalamak, tüm verileri bir tablo / matriste toplamak için DAQ ekipmanınızı kullanabilirsiniz.

Sinyal işlemenin sağ bölümü, sistemin tanımlanması / tahmini olacaktır. Çeşitli yöntemler, özyinelemeli en küçük kareler yaygın olarak kullanılmaktadır. Zaman içinde tekrarlanamayan bu sinyali enjekte etmeniz gerekir, çünkü herhangi bir algoritma, uyarma sinyalinin hangi kısmının çıkış yanıtının hangi kısmına neden olduğunu ayırt etmek zorundadır. Bu nedenle, uyarma sinyali otokorelasyonda bir pals sonucu üretmelidir, bu aynı zamanda giriş ve çıkış sinyali arasındaki korelasyonun tam bir tepe noktası (kilitleme) sağlayacağı anlamına gelir.

Bu sinyale PRBS (Pseudo Random Binary Sequence) adı verilir. Bunu enjekte edebilir, ardından sistem katsayılarını hesaplayarak (ve ilişkilendirerek) mevcut sistem tanımlama aracını kullanabilirsiniz.


0

Söylediğinize göre, en iyi bahisiniz bir zaman alanlı iletim (TDT) ölçümü olabilir.

Bu, iyi bilinen zaman alanı reflektometri (TDR) ölçümüne benzer, ancak yansıma özelliği yerine test edilen cihazın (DUT) iletim karakteristiğini ölçersiniz.

Yorumlarda bağladığınız DAQ sisteminde saniyede 50.000 örnekleme vardır, ancak ilgilenilen frekans bandınız 0 - 1 kHz olduğundan, cihazınızı test etmek için bu yeterlidir. Uyaranı oluşturmak için bir dijital çıkış kanalı (muhtemelen zayıflatılmış) kullanabilirsiniz. Ölçümün doğruluğu, DAQ'nun örnekleme saatinin ne kadar tutarlı olduğuna bağlı olabilir.

Esasen DUT'a bir adım giriş fonksiyonu uygular ve çıktıyı bir osiloskopla ölçersiniz. Aynı örnekleyici ile giriş sinyalini de ölçün. Ardından giriş ve çıkış sinyallerinde fourier dönüşümü yapın ve frekans cevabını almak için birini diğerine bölün. Dönüşümleri yaparken iyi bir pencereleme işlevi seçmek için biraz çalışmak ve denemek isteyeceksiniz.

Bu fonksiyon, yüksek frekanslarda daha az hassas olma eğilimindedir, çünkü basamak fonksiyonu spektrumu düşer .1/f


Bunu benim kapsamımın ötesinde. Ama bunu nasıl yaparsam ben alıntı yazdım: "Ben bir fonksiyon üreteci tarafından girişte bir dürtü uygulamak ve ben 12 kHz örnekleme dataq cihazı tarafından h (t) olarak adlandırın filtrenin zaman etki alanı yanıtı kaydeder. MATLAB içindeki h (t) 'nin Laplace dönüşümünü alıp H (ler) elde edebiliriz. H (ler) den hem büyüklük hem de faz tepkilerini çizebilirim. " Sizce bu şekilde bir anlam ifade ediyor mu?
user16307

Fonksiyon jeneratörünüzün ne kadar iyi bir dürtü üretebileceğine bağlıdır. 1 kHz ölçüm için, muhtemelen işe yarar. Sinyal kaynağınızın ve DAQ'nuzun herhangi bir yanıt sınırlamasını kabaca kalibre etmek için hem girişi hem de çıktıyı ölçmek isteyeceksiniz.
Foton

Fonksiyon jeneratörünün minimum görev döngüsü% 10'dur Bu yüzden bir dürtü değil, bir darbe olacaktır. Bu tür adım girişi kaba bir sonuç verir mi?
user16307

Çok uzun süreli bir kare dalgaya ayarladım (0.1 veya 0.01 Hz diyelim). Ardından, yakalama aralığının ortasında yükselen bir kenarla ve yakalamada başka kenarlar olmadan yarım döngüyü yakalamak için DAQ'yu senkronize edin. Frekans çözünürlüğü 1 / T ile ilişkili olacaktır, burada T yakalama aralığının toplam süresidir.
Foton

Bunun gibi bir adım girişi uygulamaya ne dersiniz: lpsa.swarthmore.edu/Transient/TransInputs/TransStep/img12.gif Ve adım girişinin Laplace'si 1 / s olduğundan. Ve H (s) = L {f} (s) * s elde etmek? (f (t) zaman alanındaki kayıtlı yanıt)
user16307

0

Fonksiyon üreteciniz bir bilgisayar tarafından kontrol edilebilir mi? Örn GPIB

Osiloskopunuz bir bilgisayarla konuşabilir mi?

Öyleyse, muhtemelen mevcut iş akışını otomatikleştirebilirsiniz.


0

Benzer bir problemim vardı, büyük miktarda para harcamadan kapalı döngü analizi için pratik bir Bode çizici nasıl yapılır. Basit ihtiyaçlarımı karşılayan 10Hz ila 50Khz'yi kapsayan temel bir sistemi bir araya getirdim, frekansta süpürüyor ve bir CRT üzerinde birlikte kazanç ve faz oluşturuyor.

Oldukça eski ama yine de kullanışlı bütçe ekipman parçaları ve ikisi arasında basit bir arayüz kullanıyor. İlk ürün, birkaç yüz dolar alabilmeniz gereken bir HP kazanç faz ölçer 3575A'dır. Bu, yaklaşık +/- 50dbdb dinamik aralık (her kanal 200uV ila 20V rms dinamik aralık) ile 1Hz ila 13Mhz arasında çalışan ve aynı şekilde 360 ​​dereceden biraz daha fazla fazı ölçebilen iki özdeş kanala sahiptir. Ön panelde 0.1db ve 0.1 derece çözünürlüğe sahip dijital okuma bulunur ve harici olarak arkada dc çıkışları mevcuttur. Bu benim ölçümüm "ön uç".

Hemen hemen aynı vintage'in diğer ekipmanı, sıfırdan 50Khz'ye kadar çalışan ve bir izleme üreteci çıktısına sahip bir HP spektrum analizörü modeli 3580A'dır. Şanslıysanız bunlardan birini belki de beş yüz dolara alabilirsiniz. Bunun bir dijital belleği vardır, böylece doğrudan karşılaştırma için diğerini ölçerken bir dalga formunu saklayabilirsiniz. Bu özelliği kullanmama rağmen eski bir servo tipi kalem çiziciyi de kullanabiliyor.

Her neyse, izleme jeneratörü çıkışı (2v rms), test ettiğiniz her şey için süpürülmüş frekans kaynağı olacaktır. Şimdi sorun kazanç / faz ölçer bir dc voltajı veriyor ve spektrum analizörü süpürdüğü kesin frekansın bir ac sinyalini görmeyi bekliyor.

Bu, analog bir çarpan kullanılarak aşılabilir. Bir çoğaltıcı girişi izleme üreticisinden sürülür. Biraz ölçeklendirmeden sonra kazanç / faz metreden dc voltajı ile diğer çarpan girişi. Çarpan çıkışı spektrum analizörü girişine gider.

Kazanç / faz metreden gelen Dc değerleri çarpandan çıkan rf genliğini ve dolayısıyla spektrum analizöründe frekansta tarama yaparken görüntülenen genliği kontrol eder.

Doğrusal bir dikey ölçek (db değil) için ayarlandığında, spektrum analizörü taban çizgisinin üzerinde dikey bir sapma olarak ya frekansa karşı (db cinsinden) ya da faza karşı frekansı çizer. Db'den voltaja dönüşüm kazanç / faz ölçerde gerçekleştirilir, spektrum analizörü doğrudan lineer modda çalıştırılır.

Frekansın iki kez silinmesi gerekir, bir iz bellekte saklanır. Sonra tekrar tek bir süpürmeye basarsınız ve ekranda diğer sinyali alırsınız ve sonra hem kazancı hem de fazı birlikte görebilirsiniz.

Tek gerçek sınırlama, frekans ölçeğinin logaritmik değil doğrusal olmasıdır, ancak belki de sadece bir on yılla gerçekten ilgileniyorsanız, yakında alışabileceğiniz bir şeydir. Önce gerçekten geniş bir bant taraması yapın, sonra onu genişletmek için en ilgi çekici kısmı üzerinde başka bir süpürme yapın.

Faz, frekans ve kazanç marjlarının daha yüksek okuma çözünürlüğü için HP3580A manuel frekans ayarına izin verir, böylece sadece 0db kazanç için ayar yapar ve fazı doğrudan faz metreden 0,1 derecelik çözünürlüğe okursunuz. Daha sonra -180 derece fazı manuel olarak ayarlayabilir ve dijital ekrandan 0,1 db çözünürlük ile kazanç marjını okuyabilirsiniz, dijital frekans okuması 1Hz çözünürlüğe ayarlanır.

CRT'deki iz küçüktür, ancak bölüm başına olağan 10db ve dikey olarak bölüm başına 45 derece olmak üzere genel şeklin çok iyi bir göstergesini verir. Dijital okumalar, eğrilerin herhangi bir ilgi noktasında isteyebileceğiniz tüm çözünürlüğü verir.

Bu gerçek bir bütçe sistemi ve biraz Mickey Mouse, ama daha önce hiç yapamayacağım şeyleri yapmamı sağlayan çok kullanışlı bir araç. Ve hepsini bir araya getirmek oldukça basitti.

3575A kazanç / faz ölçerdeki iki giriş kanalı, anahtarlama güç kaynaklarının kapalı döngü ölçümlerine izin verir ve düşük frekanslı 1000: 1 akım trafosu, izleme jeneratöründen düşük maliyetli bir enjeksiyon transformatörü yapar.

50Khz'de sadece yüzde yarım düşüşle gerçekten düz görünen bir tane bulmadan önce birkaç farklı akım transformatörü denedim.


0

Aradığınıza Sistem Kimliği denir. Bu çok çeşitli şekillerde yapılabilir, ancak fikir aynı kalır: Bir girdi uygulayın, yanıtı ölçün, transfer fonksiyonu / bode grafiğini elde etmek için veri / matematik üzerinde çalışın. (Basit sürüm: giriş ve çıkışın dörtlü dönüşümünü yapın ve transfer işlevini almak için bölün)

Genellikle sorun, 'kara kutuya (tesise) zarar vermeden hangi sinyallerin' izin 'verildiğidir. Bu nedenle, ölçümler Açık döngü veya kapalı döngü yapılabilir ve biri giriş sinyali ile oynatılabilir.

Kontrol sistemlerinde en çok kullanılan beyaz gürültü uygulamaktır (çünkü tüm frekansları içerir ve mükemmel bir dürtü veya adımdan çok daha kolaydır)

Diğer olasılıklar örneğin multisine sinyalleridir, bu nedenle tesise ne tür sinyaller uyguladığınız üzerinde daha fazla kontrole sahip olabilirsiniz.

Sistem tanımlaması hakkında okuma yapmayı deneyin veya Matlab'ın sistem tanımlama araç kutusu ile oynayın.


0

Önceki tüm yanıtlar doğru olsa da, her zaman kullandığım yöntem eksik: (Vector) Network Analyzer.

Temel olarak "sıkıcı" olarak tanımladığınız şeyi otomatik olarak EM dalgalarını kullanarak gerçekleştirir: Süpürülmüş bir osilatör, DUT üzerinden gönderilen dalgaları üretir. Daha sonra yansıtılan gücü ve DUT üzerinden iletilen gücü ölçer. Size S parametrelerini verir. S21, ac transfer fonksiyonuna karşılık gelir.

Tipik bir VNA'da başlatma ve durdurma frekansları, eksen ölçeklendirme (log vs lin), düşük güç seviyeleri için ortalama ve düzgünleştirme, gerçek ve hayali kısım ile büyüklük ve faz ayarlayabilirsiniz.

Not: John'un Network Analyzer'ı zaten bir yorum olarak listelediğini gördüm. Daha önce görmedim.


S21 AC transfer fonksiyonuyla ilgilidir, ancak ikisi kesinlikle eşdeğer değildir. Bu, 2 bağlantı noktalı ağınızın nasıl sonlandırıldığına bağlıdır.
Shamtam

0

Bildiğim en hızlı, en pratik ve en sağlam yol En İyi Lineer Yaklaşım (BLA) kullanmaktır. Lineer ve lineer olmayan devrelerle çalışan bir yöntemdir . Sistem hakkındaki tek varsayım:

  • DUT, "aynı dönemdeki dönem" dir. Yani frekansın yarısı olan bir çıkış sinyali çalışmaz.

Aşağıdaki gibi çalışır:

  1. Uygun kenar yumuşatma filtreleriyle bir kurulum oluşturursunuz. Tercihen hem girişlerini hem de çıkışlarını örneklersiniz .u(n)y(n)
  2. Çoklu ( ) rasgele faz multisine uyarımları oluşturursunuz. IFFT kullanmanızı öneririm.m
  3. Sisteme rastgele uyarmayı uygularsınız.
  4. Ölçülen giriş ve çıkışın Fourier dönüşümlerini kullanarak bu gerçekleşme için bode grafiklerini hesaplayabilirsiniz.

    H^i(jω)=1nkYki,meas(jω)1nkUki,meas(jω)

    düzen

    (Bu noktada ölçüm gürültüsünü de hesaplayabilirsiniz).

  5. Diğer uyarılar için aynı deneyi tekrarlayın. Bu adım yalnızca doğrusal olmayan bir devreniz varsa veya doğrusal olmayan davranışın sistemi ne kadar etkilediğini doğrulamak istiyorsanız gereklidir. Aksi takdirde, istediğiniz her şeyi tek bir uyarmayla alabilirsiniz ( ).m=1
  6. Daha sonra en iyi doğrusal yaklaşımı hesaplayabilirsiniz:

    H^BLA(jω)=1mi=1mH^i(jω)

Ölçülmeyen spektrumlarda doğrusal olmayan davranış "gürültü" olarak görünecektir . Tek fark, gerçek gürültünün aksine tutarlı olmasıdır. Bu yüzden bunu rastgele hale getirmek için birden fazla uyarmaya ihtiyaç vardır. Bunların ortalamasını almak , resmin tamamını en iyi tanımlayan doğrusal bir sistemin bode grafiğini verecektir .

Giriş gücünün değiştirilmesinin doğrusal olmayan sistemlerin bir özelliği olan BLA'yı da değiştireceğini unutmayın. Gerçek hayat uygulamasına benzer bir uyarma seçmek her zaman en iyisidir.


0

Bu gerçekten bir kara kutu ise, sadece cihazın aktarım özelliklerini değil, aynı zamanda giriş ve çıkış empedansını da ölçmelisiniz. Ters aktarım işlevini de ölçmeniz gerekebilir. Bu ölçümlere duyulan ihtiyaç, bu kara kutuya bağlı cihazların giriş ve çıkış yükleri tarafından belirlenir.

Sitemizi kullandığınızda şunları okuyup anladığınızı kabul etmiş olursunuz: Çerez Politikası ve Gizlilik Politikası.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.