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模拟电子扫频测试


时域和频域仿真是检查电子设备行为的两个基本工具。顾名思义,时域分析就是要检查特定信号随时间的变化,而不管其带宽如何。这使您可以全面了解时域中的电路行为,并且有机会通过比较输入和输出信号来量化诸如信号失真和衰减之类的东西。

模拟工程师通常在频域工作。设计模拟电子设备的目的是在电路中操纵不同的频率,这些模拟中使用的基本工具是扫频测试。当您访问具有经过验证的组件模型的功能强大的电子模拟器时,可以检查系统如何响应不同的频率。

何时使用扫频测试

扫频测试无疑是在模拟电子领域。目的是分析输入单色信号如何受到电路中不同组件的影响。然后,将输入信号的频率扫描到某个所需范围,并记录每个输入频率值的输出电压或电流。具有电抗组件的电路还将对信号施加相移,并且相移会与输出电压/电流的大小一起记录下来。

通常可以使用线性时不变电路执行扫频测试,而无需调用电路行为的任何近似值。非线性电路可通过其他一些高级分析进行检查(请参见下文)。无源组件已经在模拟器中定义,但是您也可以使用模拟器中经过验证的组件模型来评估具有集成电路的电路。扫频测试的结果可通过以下方式使用:

构造一个传递函数。这是扫频的最常见用途。该传递函数是等于输出电压在每个频率由输入电压分割。传递函数的大小和相位在其自己的图中绘制。

提取电路的输入阻抗。只需将输入电压频谱除以进入等效电路的电流即可获得输入阻抗频谱。

识别电路的带宽。当输入导纳的幅度以对数刻度绘制时,您可以提取电路的带宽。带宽通常定义为导纳比峰值导纳下降3 dB的频率。

示例放大器电路提供的增益。可以从频率扫描测试结果中的3 dB点轻松提取带宽。

与时域分析相比,扫频测试具有一些重要的优势。在时域中检查信号需要手动提取特定输入频率下的阻抗和相位差,这非常耗时。 

然而,时域分析对于检查宽带信号如何受到线性电路的影响是有利的。您可以在时域中叠加并直接比较两个信号。对于带有任意信号的非线性电路,您需要使用更高级的技术来了解电路的频率行为相关行为。

非线性电路:频率扫描失败的地方

仅针对线性时不变电路或在线性状态下运行的非线性电路定义了扫频测试,因此非线性电路需要更复杂的技术来了解电路性能。当我们说一个电路是非线性的时,我们的意思是输出电压/电流是输入电压/电流的非线性函数。即使在非线性电路中,输出频率通常也是输入频率的线性函数。

由于在输入信号中产生了额外的谐波,非线性电路具有复杂的频域行为。为了检查非线性电路的频率相关行为,您需要使用以下分析之一:

小信号分析。这涉及将电路中每个组件的行为近似为输入的线性函数。这些近似值仅在某些工作点附近定义,仅对输入幅度有效。在每个输入电平上进行扫频测试时,您可以获得转换函数,并且可以构建一个图表,该图显示随着输入电压电平变化,转换函数如何变化。

谐波平衡。这是一个更复杂的仿真,将非线性时不变电路分为其线性部分和非线性部分。随时间变化的任意信号被分解为其主要频率分量,该输入频谱被传递到非线性电路中。非线性部分将在输出端产生额外的谐波。这与扫频并不完全相同,但是您可以迭代不同的频率并为典型的扫频测试重新创建一些结果。该技术比小信号分析功能强大得多,但是需要手动迭代。

对于连续的时变电路,即电路的行为在时间上平稳变化,在考虑系统的初始条件时,您将不得不在时域中工作。仿真结果可能对系统的初始条件非常敏感,因此需要仔细分析系统的稳定性。当系统中存在耦合时,您需要仔细分析耦合量如何收敛到平衡解或从平衡解发散,或者它们是否在相空间中产生极限循环。这些主题仍然是数学和工程研究的活跃领域。

 

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