频率响应分析：原理、应用及分析仪使用指南
频率响应分析：原理、应用及分析仪使用指南
什么是频率响应分析？
工程师使用频率响应分析仪（有时称为波特分析仪）以扫频正弦波驱动被测设备 (DUT)，并记录幅度和相位响应。通过比较输出电压与输入电压，可以测量电气、机械和光学系统的传递函数。
利用系统幅度和相位响应与频率的关系图（通常称为波特图），工程师可以优化控制系统的闭环响应、表征非线性系统中的谐振行为、设计滤波器并测量带宽不同的电子或光学元件。
工程师使用频率响应分析来研究哪些类型的系统？
科学家和工程师将滤波器、放大器、匹配网络等的幅度和相位响应可视化。这是设计集成电路以观察和绘制系统传递函数的关键步骤。除了传递函数之外，科学家还可以确定不同频率的增益、衰减、谐振、带宽和相位滞后。
了解频率响应分析图
通过使用正弦扫频信号，可以观察 DUT 如何响应各种输入频率。在图 1 所示的伯德图中，上半部分显示增益 (db) 与频率 (Hz) 的关系，下半部分显示相位 (°) 与频率 (Hz) 的关系。为了观察大范围的频率，频率以对数刻度绘制。
图 1：Moku:Pro频率响应分析仪顶部显示幅度与频率的关系，底部显示相位与频率的关系，扫描范围为 100 Hz 至 10 MHz。
如何使用频率响应分析仪
使用频率响应分析来查找放大器和滤波器的 DUT 带宽
频率响应分析仪通常用于识别放大器或滤波器的带宽。在滤波器中，-3 dB 点提供有关 Q 因子以及滤波器将信号衰减到所需频率范围之外的程度的信息。在放大器中，-3 dB 点允许工程师指定设备的工作范围并观察滚降特性。
以下是如何逐步读取频率响应分析仪图以找到 -3 dB 点：
- 检查幅度图以确定 -3 dB 点。这也称为 DUT 的半功率点，意味着输出功率已降至峰值的一半。这对应于 DUT 的截止频率。
- 使用光标查找最大幅度值。使用另一个光标，找到幅度减少了 3 dB 的位置。
- 读取该 -3 dB 点对应的频率以确定带宽（图 2）。
图 2：通过频率响应分析识别的 1 kHz 至 100 kHz 带通滤波器。
使用频率响应分析来确定谐振频率
当使用频率响应分析仪识别光学设备中的谐振频率时，研究人员在测量信号传输时寻找幅度图中的峰值，并在测量反射时寻找下降。这些波峰或波谷对应于光学系统对所施加的输入信号表现出增强的响应的频率。一旦确定了谐振频率，研究人员就可以尽量减少谐振的影响，有时可以使用使用 PID 控制器的控制系统。
需要考虑的重要频率响应分析仪设置
选择频率响应分析仪时，请注意设置和规格，包括频率范围、数据点数量和高级设置，以最大限度地减少噪声或饱和的影响。增加扫描点数可提高测量的频率分辨率，使您能够在更宽的频率范围内捕获更窄的特征。稳定时间决定了仪器在扫描中的每个频率上执行测量之前等待的时间。当表征具有高 Q 因子的谐振系统时，此设置尤其重要，允许激励在测量之间稳定。在非谐振系统中，稳定时间可用于解释电缆中的传输延迟。
一些仪器功能，例如 Moku频率响应分析仪，包含高级设置以进一步优化测量效率。当在相应输入上检测到饱和时，动态幅度设置会自动降低输出信号幅度，从而最大化动态范围。一些频率响应分析仪在数据周围放置限幅包络，但这限制了测量的动态范围。通过动态调整扫描中的每个点，您可以防止饱和，同时保持高动态范围。
结语
在电子测试、光学和光子学研究等领域，还有很多方法可以执行频率响应分析。使用频率响应分析，科学家和工程师可以进行测量阻抗和S 参数至激光锁定，同时表征闭环增益、相位裕度和环路干扰抑制性能。考虑单个设备的性能有助于确保最高质量的结果。