На главную

Частотные характеристики петлевого усиления

Амплитудно-частотная (АЧХ) и фазо-частотная (ФЧХ) характеристики петлевого усиления (коэффициента передачи по петле ООС) позволяют судить о глубине обратной связи и запасе устойчивости - важнейших показателях качества и надежности системы с ООС.

Измерение ЧХ петлевого усиления

Рис. 1. Подача сигнала возмущения без разрыва петли ООС.

Для получения достоверных частотных характеристик петлевого усиления необходимо организовать процесс измерений в режиме нормального функционирования системы без разрыва петли ООС. Зачастую это единственно возможный вариант, так как поддержание рабочей точки по постоянному току при разомкнутой петле затруднительно.

Источник гармонического возмущения включается в цепь петли, как показано на рис. 1. Точка подачи возмущения должна быть выбрана так, чтобы входное сопротивление петли (Zвх) было больше, чем выходное (Zвых). Входной (Uвх) и выходной (Uвых) сигналы петли подаются на ИЧХ для анализа. Подача сигнала возмущения технически реализуется с использованием трансформатора и резистора 50-100 Ом.

Для проведения измерений петлевого усиления не требуется усилитель мощности, так как сигнал возмущения подается (инжектируется) в маломощную управляющую часть системы. Однако необходимо иметь доступ к внутренним цепям исследуемого устройства, что не всегда возможно.

Анализ ЧХ петлевого усиления

В том случае, когда на некоторой частоте модуль петлевого усиления равен 1 (0 дБ), а аргумент равен 0 градусов, сигнал, поступающий на вход петли ООС, возвращается обратно с той же амплитудой и фазой - значит, в системе возникают условия для поддержания автоколебаний на данной частоте. Эти условия называются условиями баланса фаз и баланса амплитуд, а точка (0 дБ; 0 град) называется критической точкой.

Поскольку для систем регулирования с глубокой ООС явление автогенерации крайне нежелательно, и потенциально может привести к выходу устройства из строя, необходимо выполнять проектирование так, чтобы условия баланса амплитуд и баланса фаз никогда одновременно не выполнялись ни на одной из частот. Чтобы оценить степень устойчивости системы, вводят понятия запасов устойчивости по амплитуде и по фазе.

Запас устойчивости по амплитуде - это значение модуля петлевого усиления на частоте нулевого аргумента.
Запас устойчивости по фазе - это значение аргумента петлевого усиления на частоте единичного усиления (модуль равен 0 дБ).

Считается, что запасы устойчивости должны составлять 8-10 дБ по амплитуде и 45-60 градусов по фазе. Такие запасы в большинстве случаев обеспечивают устойчивость системы на протяжении всего срока службы, а протекающие процессы имеют не слишком колебательный характер.

Пример ЧХ петлевого усиления

Модуль (дБ) - сверху, аргумент (град) - снизу

Частота, Гц

Частотные характеристики коэффициента передачи со входа на выход

Частотные характеристики коэффициента передачи со входа на выход, или просто коэффициента передачи, позволяют судить о фильтрующих свойствах системы.

Для пассивных и маломощных систем (колебательных контуров, трансформаторов, усилителей напряжения и др.) измерения можно проводить, подавая сигнал возмущения непосредственно от ИЧХ (не требуется усилитель).

Для подачи сигнала возмущения в силовую часть мощной системы необходимо использовать дополнительный усилитель. Мощность, которую усилитель способен пропустить через себя, определяет насколько мощные системы возможно исследовать. Задача подачи возмущения в мощную систему зачастую является ключевой.

Измерение ЧХ коэффициента передачи мощной системы

Рис. 2. Схема для измерения ЧХ коэффициента передачи мощной системы

Частотные характеристики входного комплексного сопротивления

Знание ЧХ входного сопротивления требуется для анализа устойчивости каскадного соединения систем. Подробнее о таком анализе применительно к импульсным источникам питания можно прочитать в статье "ЗАДАЧИ АНАЛИЗА УСТОЙЧИВОСТИ ИМПУЛЬСНЫХ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ" (zip-архив, 421 кБ).

Как и в случае измерения коэффициента передачи, для исследования ЧХ входного сопротивления мощных систем возмущение подается через дополнительный усилитель. Сигнал входного тока снимается с резистора-"датчика тока", номинал которого выбирается с одной стороны не слишком большим, чтобы не влиять на систему, а с другой - не слишком малым, чтобы снимаемое напряжение не терялось на фоне шумов.

Для маломощных и пассивных систем сигнал возмущения можно подавать непосредственно с выхода ИЧХ (усилитель не требуется).

Измерение ЧХ входного сопротивления

Рис. 3. Схема для измерения ЧХ входного сопротивления мощной системы

Частотные характеристики выходного комплексного сопротивления

Знание ЧХ выходного сопротивления требуется для анализа устойчивости каскадного соединения систем. Подробнее о таком анализе применительно к импульсным источникам питания можно прочитать в статье "ЗАДАЧИ АНАЛИЗА УСТОЙЧИВОСТИ ИМПУЛЬСНЫХ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ" (zip-архив, 421 кБ).

Для измерения ЧХ выходного сопротивления мощных систем возмущение подается на выход через дополнительный усилитель. Сигнал выходного тока снимается с резистора-"датчика тока", номинал которого выбирается с одной стороны не слишком большим, чтобы не влиять на систему, а с другой - не слишком малым, чтобы снимаемое напряжение не терялось на фоне шумов.

Измерение ЧХ выходного сопротивления

Рис. 4. Схема для измерения ЧХ выходного сопротивления мощной системы