频率特性2(精)
单级放大器及频率特性(2)
(Vo V1 )C gd1s gm1V1 Vo (Cs G) 0
由式(6.1)可得到:
V1
Vo
Cgd1s G Cs gm1 Cgd1s
把式(6.3)代入式(6.1),可得:
(6.2) (6.3)
Vi RS
Vo
[ RS1
(C gs1
Cgd1 )s][G gm1 C gd1s
图中Ci=Cgs1+Cgd1(1+gm1/G)
共源级的频率响应
根据KCL定理,对于上图所示的电路有:
Vo
( gm1 sC gd1 )V1 s(C Cgd1 ) G
V1
1/
1 / sCi sCi RS
Vi
由以上两式可以很简单地推导出其传输函数
为:
Av (s)
(sCi
(sC gd1 gm1 ) / RS
带宽估算(1)
为了求解其传输出函数,先忽略ro与Cdb(通过后 面的分析可以发现该假设是成立的)
将等效电路在下图中直线切开后求出右半图所示电 路的等效输入特性。
带宽估算(2)
密勒等效
假设Av(s)的零极点频率远高于要设计 的带宽,因此可以用直流值代替Av(s)
这就是所谓的“密勒等效” 在后续工作中需验证一下这个假设是否真正有效
求解方法
总述
对频率特性的研究一般是基于网络系统的传 输函数的零极点的研究。
由信号与系统的理论可知传输函数的零点决 定了系统的稳定程度,而传输函数的极点所 对应的就是系统的转折频率。
因此频率特性的研究主要是通过等效电路推 导出电路的传输函数,进而求出零、极点以 确定电路的频率特性。
以CS电路为例:电路及等效模型
总之,CL减小Vgs到Vo的增益,必然减小了Vi到Vo的增益。
二阶频率特性
A2(OUT)和 A3(IN)之间
①.用示波器观察系统各环节波形,避免系统进入非线性状态。
②.观察闭环对数幅频、相频曲线和幅相曲线
该曲线已增添了多个频率点。在界面上方将显示该系统用户点取的频率点的ω、L、ϕ 、Im、Re 等相
关数据,填入表 3-2-1;实验结果可与式(3-2-12)~(3-2-17)的理论计算值进行比对。
(3-2-12)
对数幅频特性表达式为: L(ω) = 20 lg K − 20 lg (K − ω 2TTi )2 + ω 2Ti 2
(3-2-13)
对数相频特性表达式为:
ϕ(ω) = − arctan ωTi K − ω 2TiT
(3-2-14)
以式(3-2-13)和(3-2-14)可绘出该闭环系统的对数幅频特性曲线和相频特性曲线(波德图)
(3-2-11)
本实验以第 3.1.2 节〈二阶系统瞬态响应和稳定性〉中‘二阶闭环系统模拟电路’为例,该系统由积 分环节(A2 单元)和惯性环节(A3 单元)构成,令积分时间常数为 Ti,惯性时间常数为 T,开环增益为 K,可得:
二阶闭环系统的频率特性为:
φ( jω) =
K
jωTi ( jωT + 1) + K
在 ‘开环’频率特性界面上,亦可转为‘闭环’频率特性显示界面,方法同上。 在频率特性显示界面的左上角,有红色‘开环’或‘闭环’字表示当前界面的显示状态。
实验步骤: 注:‘S ST’不能用“短路套”短接!
(3)运行、观察、记录:
①.用示波器观察系统各环节波形,避免系统进入非线性状态。
②.观察开环对数幅频、相频曲线和幅相曲线
频率 f [Hz]
角频率ω [rad/s]
§5-2 频率特性的几种表示方法
波德图坐标(横坐标是频率,纵坐标是幅值和相角)的分度:
横坐标分度:它是以频率 的对数值 log 进行分度的。所 以横坐标(称为频率轴)上每一线性单位表示频率的十倍变化, 称为十倍频程(或十倍频),用Dec表示。如下图所示:
Dec Dec Dec Dec
...
0
2
1
0.01
0 .1
幅值 1
A( )
1.26
2
1.56
4
2.00
6
2.51
83.1610来自5.621510.0
20
增益 0
5
使用对数坐标图的优点: 可以展宽频带;频率是以10倍频表示的,因此可以清楚的 表示出低频、中频和高频段的幅频和相频特性。 可以将乘法运算转化为加法运算。 所有的典型环节的频率特性都可以用分段直线(渐进线) 近似表示。 对实验所得的频率特性用对数坐标表示,并用分段直线近 似的方法,可以很容易的写出它的频率特性表达式。 三、 对数幅相特性曲线(又称尼柯尔斯图) 尼柯尔斯图是将对数幅频特性和相频特性两条曲线合并成 一条曲线。横坐标为相角特性,单位度或弧度。纵坐标为对数 幅频特性,单位分贝。横、纵坐标都是线性分度。
第二节 频率特性的几种表示方法
1
频率特性可以写成复数形式: ( j ) P( ) jQ( ) ,也可 G 以写成指数形式:G( j ) | G( j ) | G( j )。其中,P ( ) 为实 频特性, ( ) 为虚频特性; G ( j ) |为幅频特性, G ( j ) 为相频 Q | 特性。 在控制工程中,频率分析法常常是用图解法进行分析和设 计的,因此有必要介绍常用的频率特性的三种图解表示。 极坐标频率特性曲线(又称奈魁斯特曲线) 对数频率特性曲线(又称波德图) 对数幅相特性曲线(又称尼柯尔斯图)
2第二节对数频率特性
1-Apr-21
1
一、对数频率特性曲线(波德图,Bode图)
Bode图由对数幅频特性和对数相频特性两条曲线组成。 ⒈波德图坐标(横坐标是频率,纵坐标是幅值和相角)的分度:
横坐标(称为频率轴)分度:它是以频率w 的对数值 logw 进行 线性分度的。但为了便于观察仍标以w 的值,因此对w 而言是 非线性刻度。w 每变化十倍,横坐标变化一个单位长度,称为 十倍频程(或十倍频),用dec表示。类似地,频率w 的数值变化
w L(w )
2 20 log
A(w )
20 log
K
w
40
K 10
20log K 20log w,
20
w 当K 1时,w 1, L(w) 0;
20 40
j (w)
1 10 100 K 1 w
当w 10时,L(w) 20 可见斜率为-20/dec 当K 1时,w 1, L(w) 20log K;
0.3
-120° 0.5
-150° 0.7
1.0
-180°
1
1
10T 5T
1
1
2
2T
T
T
对数幅频特性和对数相频特性
图。上图是不同阻尼系数情况
下的对数幅频特性实际曲线与
渐近线之间的误差曲线。
5 T
10 T
当0.3<<0.8,误差约为±4.5dB
1-Apr-21
16
振荡环节的波德图
相频特性:j
1-Apr-21
6
比例环节的bode图
二、典型环节的波德图 ⒈ 比例环节: G(s) K ;
G( jw) K
幅频特性:A(w) K;相频特性:j(w) 0
第五章 频率特性法 (2)
斜率 (dB/dec) 0 -20 -40 0,-20 ,
特殊点 ω L( )=lgK ω =1, L( )=0 ω ω =1, L( )=0 ω
φ(ω) 0o -90o -180o
s2 1 Ts+1
1+τs
ωn 2 s2+2ζ ωns+ωn
2
转折ω = 1 0o -90o ~ 频率 T 转折ω = 1 0o~90o 0,20 频率 , τ 0,-40 转折 ω =ω n 0o~-180o , 频率
一、典型环节的频率特性 二、控制系统开环频率特性
第二节 典型环节与系统的频率特性
一 典型环节的频率特性
1.比例环节 .
传递函数和频率特性 G(s)=K G(jω)=K 幅频特性和相频特性 A(ω)=K φ(ω)=0o (1) 奈氏图 奈氏图是实轴上的 点 奈氏图是实轴上的K点。 是实轴上的 比例环节的奈氏图
第二节 典型环节与系统的频率特性
(1) 奈氏图
振荡环节的奈氏图
Im
ω=0 =∞
A(ω)=1 A(ω)=0 (ω)=0o φ(ω)=-180o 1 A(ω)= 2ζ 率特性曲线因ζ值 率特性曲线因 值 φ(ω)=-90o 不同而异. 的不同而异
ω ∞
0
1
ω=0
Re
ω=ωn 振荡环节的频
ω= ωn
ξ=0.8 ξ=0.6 ξ=0.4
积分环节的伯德图
40 20 0 -20 0.1 1
L(ω)/dB -20dB/dec
10
ω
Φ(ω)
0 0.1 1 10
φ(ω)=-90o
ω
-90
第二节 典型环节与系统的频率特性
3.微分环节 .
第四章 双极型晶体管(2)—频率特性
+++-- - +++-- - +++-- -
iCTE
ipe
发射结势垒电容冲放电: 发射结势垒电容冲放电:
发射区(N) 空间电荷区 ie ine+ipe
基区(P)
ie = ine + i pe + iCTE
E
re
CTE iCTE B
rb
第四章 双极型晶体管(2)—频率特性
发射结扩散电容的冲放电:
相同的发射极电流下, 由于基极电流 ↑⇒ ic ↓⇒ α ( β ) ↓
势垒电容和扩散电容的冲放电效应! 势垒电容和扩散电容的冲放电效应!
第四章 双极型晶体管(2)—频率特性
4.1.2 交流小信号传输延 迟时间
电容的冲放电、渡越基 区和c结势垒区 → 信号 传输延迟 → 影响α(β)
发射结延 迟时间
C DE
∂QDE = ∂VBE
VBC
∂QB ≈ ∂VBE
VBC
(QDE = QB + QE , QB >> QE )
C DE的电流iCDE由基极电流提供
基区宽变效应 ⇒ ∆QB ⇒ C DC ∂QB = ∂VBC
VBE
ine = irb + iCDE + iCDC + inc (0)
Inc(0)为流经c结势垒区 与基区边界的电子电流
Wb2 τb = λ Dnb
τ e = reCTe
xmc τd = 2υ sl
τ c = rcs CTc
提高fT的措施
① fT不太高时,τb起主要作用,因此可减薄基区宽度 Wb,→ τb→ fT↑。可采用浅结扩散或离子注入技术 ② 降低基区掺杂浓度NB以提高Dnb;适当提高基区杂
机械控制工程基础4_控制系统的频率特性(2)
1. Bode 图的特点: ()横坐标对数分度,每 1 10倍频程刻度距离相等, 但标频率的真值。 (2)幅频特性图纵坐标的单位是分贝dB。 分贝的定义:当 20lg G(ji ) 1 时, 表示幅频特性在频率为i 时的值为1分贝。
2. 用Bode图表示频率特性的优点 : 可将串联环节幅值的乘 、除化为幅值的加、减 , 所以可分别做出各个环 节的Bode图,再用叠加法得 出系统的Bode图,因而简化了计算与 做图过程。
0 .1
20
对数幅频特性:
L( ) 20 lg A( ) 20 lg 1
90
G
20 lg
0 90
s1
0 .1
1
10
相频特性、对数相频特性
( ) 900
2018/6/26
积分环节的对数坐标图
4
4.3 典型环节的对数坐标图 L /dB
2018/6/26
2
4.3 典型环节的对数坐标图
(1)比例环节
20lg G dB
20
传递函数
G(s) K G( j) K
幅频特性 G ( j ) K 相频特性G ( j ) 0
20lg K
0
1
s1
100
10
G
10
对数幅频特性 20lg G ( j ) 20 lg K
90 0
G( j) /
s1
1
10
相频特性、对数相频特性
100
1000
( ) 900
2018/6/26
微分环节的对数坐标图
6
4.3 典型环节的对数坐标图
第4章(2)频率特性的图示分析
40db 20db 0db -20db --40db
G(s)=10s
0.1 0.2
12
[+20]
ω
10 20
100
G(s)= s
G(s)=0.1s
jik 06
14
Im [G(j)]
(4)惯性环节
o
传递函数: G(s) 1
∞ 5
Ts 1
频率特性: G(
j)
1
Tj 1
1
1 T 22
T j 1 T 22
0
dB
20lgK 0.1 1 10
对数相频特性:与0o线重合
0 0.1 1 10
(s -1) (s -1)
(2)积分环节
Im [G(j)]
传递函数: G(s)=1/s
频率特性: G( j) 1 0 j 1
j
幅频: |G(j)=1/
∞, =0时 0,→∞时
= ∞
Re
相频:∠G(j)=-90° 滞后90°
Im 传递函数: G(s)=K
[G(j)]
频率特性: G(j)=K
幅频:|G(j)|=K 20lg | G( j) | 20lg K o
K>1,则放大; K<1,则抑制 相频:∠G(j)=0° 系统响应无滞后
K Re
实频: U()=K 实频和虚频便于确定图形位置
虚频: V()=0
Nyquist图形:实轴上一定点,坐标为(K , j0) 对数幅频特性: 过点(1,20lgK)的水平线
1 Re 0
幅频 G( j) 1 1 T 2 2
相频 G( j) arctanT
实频
U
(
)
1
频率特性分析(2)
L() dB
2 101 L(2 ) 20 lg T2 20 lg10T1
40
20(lg 10 lg T1)
20
20 20 lg T1 20 L(1)
0 0.01
0.1
20
1
10
100
40 20dB / dec
L(2) L(1) 20(dB / dec)
() 900 450
0.1
450
1
10
100
900
微分环节的Bode图
4.惯性环节
频率特性为 G( j) 1 jT 1
对数幅频特性
20lg G( j) 20lg T 22 1 10lg(T 22 1)
对数相频特性 () arctgT
令T
1 T
称为转折频率或交接频率或转角频率
1 T
,
20lg
G(
j)
20lg
1T 2 2 0(dB)
L() (dB)
20
01
10T
40
()
00
900
1800
0.05
0.3
0.5
1
10 1
T
T
1.0
0.3
40dB / dec
0.05
0.5
n
1 T
7.二阶微分环节
频率特性为 G( j) (1 2 2 ) j2
对数幅频特性
20lg G( j) 20lg (1 2 2 )2 4 2 2 2
0.1
450
900
1800
Байду номын сангаас
40dB / dec
1
10
100
1
10
2019频率特性(frequencycharacteristic)百科物理大全精品教育.doc.doc
频率特性(frequencycharacteristic)百科物
理大全
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频率特性(frequencycharacteristic)
频率特性(frequencycharacteristic)
是表征系统动态功能特性的频域物理模型。
系统的频率特性是传递函数,在电路系统控制中亦称网络函数。
只要知道了系统的传递函数,对于任何刺激(输入)均可预测系统相应的反应(输出)。
对于单一输入和输出的线性定常系统,其状态方程为常系数线性特征方程。
由状态方程的拉普拉斯(Laplace)变换的常系数特征方程,可求得系统的传递函数。
对系统施以不同的激励信号,由系统响应的频率特性实验曲线也可求得传递函数。
频率特性分析是系统辨识的重要方法,如20世纪50年代以来,对瞳孔系统的物理模型的研究,取得了模型与生物实验结果广泛一致的吻合,阐明了生理学难以解释的虹膜震颤、瞳孔收缩的大小效应等,成为生物控制论定量研究的成功典范。
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光学成像系统的频率特性(精)
正薄透镜的成像
• 物面上 ( x0 , y0 ) 点的单位脉冲在透镜前表面上的光场分布为 (近轴光线)
Ul 1 jk jk x y exp[ .( x0 2 y0 2 )].exp[ .( x 2 y 2 )].exp[ jk ( x0 y0 )] j d 0 2d0 2d0 d0 d0
3.2 透镜的傅里叶变换性质
物在透镜后
1 jk U ( x, y ) exp[ jk (q d 0 )]exp[ ( x 2 y 2 )] j (q d 0 ) 2(q d 0 ) 1 t ( x0 , y0 ).exp[ jk ( xx0 yy0 )]dx0 dy0 (q d 0 ) jk C exp[ ( x 2 y 2 )].F{t ( x0 , y0 )} 2(q d 0 ) f x x / (q d 0 ), f y y / (q d 0 )
x f
fx q f d0 fd0 x f
准 傅 里 叶 变 换
d0处
2 q f d0
k 2f
k 2q
k f d0
x fd
0
2
y2
紧靠透镜
p
后焦面
q pf p f
x
x
2
y2
y
2
d0 =0
物在透镜前
f d0 jk U ( x, y ) C exp[ . ( x 2 y 2 )]. 2 q( f d 0 ) fd 0 f t ( x0 , y0 ).exp[ jk ( xx0 yy0 )]dx0 dy0 q( f d 0 ) fd 0 f d0 jk =C exp[ . ( x 2 y 2 )] F{t ( x0 , y0 )} 2 q( f d 0 ) fd 0 f x f y fx , fy [q( f d 0 ) fd 0 ] [q( f d 0 ) fd 0 ]
4 系统的频率特性响应-2(Nyquist)
G开 ( j ) arctgT1 arctgT2
当=0时, G开 ( j 0) K , G开 ( j 0) 00 当=时, G开 ( j) 0, G开 ( j) 1800
16
=
K T1T2 T1 T2
=0
曲线与虚轴相交时,相角为90度
arctgT1 arctgT2 900
当当逐渐增长至逐渐增长至时频率特时频率特作为一个矢量其端点在复平作为一个矢量其端点在复平面相对应的轨迹就是频率特性的极坐标面相对应的轨迹就是频率特性的极坐标极坐标图极坐标图也称为曲线曲线
控制工程基础
主讲人:李金平 lijp@ 长安大学工程机械学院
第四章 控制系统的频率特性
4.1 系统频率特性的概念 4.2 频率特性图示方法1:极坐标图(Nyquist图) 4.2频率特性图示方法2:对数坐标图(Bode图) 4.3 频率特性的特征量
20lg G1G2 20lg G1 20lg G2
若系统增加一个积分环节(1型系统) 则
G开 ( s ) K s(T1 s 1)(T2 s 1)
K
G开 ( j )
2T1 2 1 2T2 2 1
G开( j ) 900 arctgT1 arctgT2
2 2
1 T 2T
2
j
1 T 2T
2 2 2
2
2T
2
G j
1
1 T 2 T
2 2 2
2 T 1 arctan 1 T 2 2 T G j 1 180 arctan 2 T 2 2 1 T T
作业
模拟电子线路(模电)频率特性
一、 RC低通电路
R
传递函数为:
+
.
Au
U o Ui
1j1RC11j
f
fH
Ui -
+
C
. Uo
-
式中:
fh
1 1 2RC 2
上限截止频率(上边频)
模: Au
1 1 ( f fH)2
频 率
Au(d)b20 log1(f fH)2
特 性
曲
相 角:
arctgf(fH)
精品课件
线
▪ 绘制渐近波特图
H 2 ( C d s C 'g) d r d (/s R /'L ) C d R s 'L
而输入回路的高频时间常数为
H 1R s(C g sC 'gd )R sC 'gs 式C '中 g sC g sC 'gd C d,sR s为信号 ,所源 H 以 2 内 H 。 1 阻
精品课件
于是可得场效应三极管的简化高频小 信号模型,如图所示。
Au(s)(g1m ssC bC 'b c'c)R'R L'L R'LRC//RL
Cb’c很小 gm Cb'c
R'LC 1b'c
Au(s)gmR'L
gmR'L1
CCM M12
gmR'LCb'c Cb'c
场效应三极管高频小信号模型
(a) 场效应三极管高 频小信号模型
(b) 单向化高频小信号模型
精品课件
(扩大视野)
dB(decibel):分贝 优Au点(d:b)1=、20乘lo→gA加u
自动控制原理5第二节对数频率特性
19
② 一阶微分: A(w) 1 T 2w2,(w) tg1Tw
一阶微分环节的波德图
L(w) 20lg 1 T 2w2 对数幅频特性(用渐近线近似):
低频段渐近线:当Tw 1时,A(w) 1, 20 log A(w) 0 高频段渐近线:当Tw 1时,A(w) Tw,L(w) 20 log Tw
第二节 对数频率特性
1
一、对数频率特性曲线(波德图,Bode图)
Bode图由对数幅频特性和对数相频特性两条曲线组成。 ⒈波德图坐标(横坐标是频率,纵坐标是幅值和相角)的分度:
横坐标(称为频率轴)分度:它是以频率w 的对数值 logw 进行 线性分度的。但为了便于观察仍标以w 的值,因此对w 而言是 非线性刻度。w 每变化十倍,横坐标变化一个单位长度,称为 十倍频程(或十倍频),用dec表示。类似地,频率w 的数值变化
来计算只能求出±90°之间的值(tg-1函数的主值范围),也就是
说当 w ( 1 , ) 时,用计算器计算的结果要经过转换才能得到 。 即当 w (T1 , ) 时,用计算器计算的结果要减180°才能得到 。
T
或用下式计算
(w) tg1 Tw 1 2 tg1 Tw 1 2
17
微分环节的频率特性
(w) K
0 180
K 0 K 0
180
7
K 0
⒉ 积分环节的频率特性:G(s) K
s
频率特性:
G( jw )
K
j
K
K
e2
jw w w
积分环节的Bode图
L(w) / dB
40 20w ) tg1( K 0)
w
2
L(w) 20log A(w) 20log K
5-2频率特性的极坐标图
极坐标图的形状与系统的型号有关,一般情况如下 (注意起始点):
II型系统
0
I型系统
0
Im
0
0
Re
0 型系统
26
(1) 0型系统的开环幅相频率特性
① 开环传递函数
m
K( js 1)
G(s)H(s)
j 1 n
,nm
(Tis 1)
i 1
② 频率特性
m
K( j j 1)
G( j)H ( j)
j( jTi 1)
i 1
30
③ 幅相频率特性(奈氏图)绘制
当 0 时
当 时
G( j)H ( j)
K
K
e
j
2
j
即幅值趋于 ,而相角位移为
2
A() 0
() (n m) 90
渐近线与虚轴的距离:
Vx
lim
0
Re[G(
j)H (
j)]
此时Vx是开环增益的函数。
31
当n – m = 4 时, I型系统的奈氏图如下所示:
G( j) G( j1) G( j 2) ……
然后在复平面上找到相应的点,用光滑曲线连起来。
1
(2) 计算
分别计算G(j)的实部和虚部,在复平面上找到相应点,
用光滑曲线连起来。
(3)描点法
找到几个特殊点绘制大致图形
0
| G( j)|0
c
| G( jc )| 1
g
|G( jg )|
G( j)|0 G( jc )
当输入信号的频率ω:0→∞变化时,向量G(jω)的幅值和 相位也随之作相应的变化,其端点在复平面上移动的轨迹称为 极坐标图。
[知识链接五]放大器的频率特性 (2)
一、频率特性的基本概念
1、 放大器的频率特性(又称频率响应):指电路的电压放大 倍数Au与频率f之间的关系,即:
2、 幅频特性│Au(f)│与相频特性
。 与频率f之间的关系。
(1)幅频特性:指放大倍数│Au│与频率f之间的关系;
(2)相频特性:是指放大器的相移
3、阻容耦合共射放大器的幅频特性曲线如图2-1-35所示,能 够得到有效放大的是中频区,两边的区域分别称为低频区和高频区。
4、上限频率fH和下限频率fL : 放大倍数│Au│下降到最大值 的0.707倍所对应的两个频率,分别称为通带上限频率fH和下限频 率fL。
5、通频带:上限频率fH和下限频率fL差值就是放大器的通频带 (又称带宽)BW,即:BW=fH-fL。
图2-1-35 阻容耦合共射放 大器 的幅频特性曲线
图2-1-36 直接耦合放大器的幅频特性曲 线
图-1-37 用扫频仪测试放大器的幅频特性 图2-1-38 用点频法测试放大器的幅频特性
2、 点频法:如图2-1-38所示,函数信号发生器为放大器提供正弦 信号,用示波器观测放大器的输出波形。保持放大器出入信号的有效值 (在放大器的中频区能有足够的不失真输出幅度,以便观测)不变,仅改 变正弦信号的频率,当输出波形的振幅下降到最大值的0.707倍时,便可 分别得到放大器的上限频率fH和下限频率fL,也就得到了通频带BW。若 用双踪示波器分别观测各频率点下的Uom和Uim(也可用交流毫伏表测 Uo和Ui),便可得到各频率点下的│Au│ (│Au│=Uo/Ui=Uom/Uim),从而在│Au│=f(f)的直角坐标系中 确定对应的点,描绘即得到放大器的幅频特性曲线。
6、直接耦合放大器的幅频特性曲线,如图2-1-36所示。其通带 频率由上限频率所决定,即:BW=fH 。
光学成像系统的频率特性(2)
1、非相干成像系统的光学传递函数(OTF) 、非相干成像系统的光学传递函数( )
I i (xi , yi ) = k ∫ ∫ I g (~0 , ~0 )hI ( xi − ~0 , yi − ~0 )d~ 0 d~ 0 = kI g ( xi , yi ) ∗ hI ( xi , yi ) x y x y x y
x, fy )=
Ai ( f x , f y Ai (0,0 )
∫ ∫ I (x , y ) exp [− j 2π ( f )
i i i
+∞
x
xi + f y y i ) dx i dy i
i i
=
]
−∞
Байду номын сангаас
∫ ∫ I (x , y )dx dy
i i i −∞
+∞
g( f
x
, fy )=
Ag ( f x , f y Ag (0,0 )
Ii(xi,yi) = Ig(xi,yi) * hI(xi,yi)
F.T.
Ai(fx,fy) = Ag(fx,fy) . HI(fx,fy)
理想像(输入 理想像 输入) 输入 强度频谱 传递函数
F.T.
F.T.
实际像(输出 实际像 输出) 输出 强度频谱
§3.4 衍射受限系统的非相干传递函数
1、非相干成像系统的光学传递函数(OTF) 、非相干成像系统的光学传递函数( )
−∞
+∞
像强度 分布
实 常 数
物强度 分布 (几何像 几何像) 几何像
强度脉 冲响应
也称为非相干脉冲响应、 也称为非相干脉冲响应、 非相干脉冲响应 强度点扩展函数, 强度点扩展函数,是点物 产生的衍射斑的强度分布
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1 引言
频率特性是一个网络性能最直观的反映。
频率特性测试仪用于测量网络的幅频特性和相频特性,是根据扫频法的测量原理设计,是一种快速、简便、实时、动态、多参数、直观的测量仪器,可广泛应用于电子工程等领域。
由于模拟式扫频仪价格昂贵,不能直接得到相频特性,更不能打印网络的频率响应曲线,给使用带来诸多不便。
为此,设计了低频段数字式频率特性测试仪。
该测试仪采用数字直接频率合成技术专用的集成电路AD985l产生扫频信号,以单片机和FPGA为控制核心,通过A/D和D/A转换器等接口电路,实现扫频信号频率的步进调整、数字显示及被测网络幅频特性与相频特性的数显等。
该系统成本低廉,扫频范围较宽 (10 Hz~1MHz),可方便地与打印机连接,实现频率特性曲线的打印。
2 多功能计数器设计方案
2.1 幅频和相频特性测量方案
方案1:利用公式H(s)=R(s)/E(s),以冲击函数为激励,则输出信号的拉氏变换与系统函数相等。
但是产生性能很好的冲击函数比较困难,需要对采集的数据做FFT变换,需要占用大量的硬件和软件资源,且精度也受到限制。
方案2:扫频测试法。
当系统在正弦信号的激励下,稳态时,响应信号与输入激励信号频率相同,其幅值比即为该频率的幅频响应值,而两者的相位差即为相频特性值。
采用频率逐点步进的测试方法。
无需对信号进行时域与频域的变换计算,通过对模拟量的测量与计算完成,且精度较高。
综上所述,选择方案2。
2.2 扫描信号产生方案
方案1:采用单片函数发生器。
其频率可由外围电路控制。
产生的信号频率稳定度低,抗干扰能力差,灵活性差。
方案2:采用数字锁相环频率合成技术。
但锁相环本身是一个惰性环节,频率转换时间长,整个测试仪的反应速度就会很慢,而且带宽不高。
方案3:采用数字直接频率合成技术(DDFS)。
以单片机和FPGA为控制核心,通过相位累加器的输出寻址波形存储器中的数据,以产生固定频率的正弦信号。
该方案实现简单,频率稳定,抗干扰能力强。
综上分析,采用方案3。
2.3 幅度检测方案
方案1:采用二极管峰值检测电路。
但是二极管的导通压降会带来较大误差,小信号测量精度不高,而且模拟电路易受到外部的影响,稳定性不高。
方案2:采用真有效值检测器件。
该方法电路简单,精度高,稳定性高。
综上所述,采用方案2。
2.4 相位检测方案
方案1:相位电压转换法。
采用低通滤波法和积分法。
低通滤波法的滤波环节和精度不高;积分法精度较高,但是对积分电路和放电回路的要求很高。
方案2:计数法。
两路信号经整形异或后,所得的脉冲占空比能反映相位差的大小,由此测得其相位差。
采用多周期同步计数法,可使量化误差大大减小,精度很高。
综上所述,选取方案2。
3 系统总体设计
该系统以单片机和FPGA为控制核心,用DDFS技术产生频率扫描信号,采用真有效值检测器件AD637测量信号幅度。
在FPGA中,采用高频脉冲计数的方法测量相位差,经过单片机运算,可得到100 Hz~100 kHz中任意频率的幅频特性和相频特性数据,实现在该频段的自动扫描,并在示波器上同时显示幅频和相频特性曲线。
用键盘控制系统实现各种功能,并且在 LCD同步显示相应的功能和数据,人机交互界面友好。
图1给出系统总体设计框图。
4 理论分析与计算
4.1 扫频测试法理论依据
设频率响应为H(jω)的实系数线性时,不变系统在信号x(n)_Acos(ω0n+f)激励下的稳态输出为y(n)。
利用三角恒等式,可将输入表示为2 个复指数函数之和:
图片看不清楚?请点击这里查看原图(大图)。
因此,输出信号和输入信号是频率相同的正弦波,仅有两点不同:第一,振幅被|H(ejω)|加权,即网络系统在ω=ω0的幅度函数值;第二,输出信号相对于输入信号有一个数量为q(ω0)的相位时延,即网络系统在ω=ω0的相位值。
4.2 DDS信号源
根据DDFS原理所产生的波形频率为:
式中fclk为基准频率,M为相位增量因子,N为累加器的位数。
M取22,N 取24。
为得到100 kHz的信号,而且在每个周期希望取到32个以上点,则累加器输出后级D/A转换需要至少3.2 MHz的速度,于是选取建立时间为30 ns、10位的DAC900,不仅满足了对D/A转换速度的要求,而且具有10位数据线,减少了D/A转换中固有的量化误差。
fclk取40MHz,频率的最小步进:
4.3 相位差测量
设INl和IN2为两路具有相位差经整形后得到的方波信号,Gate2为INl 和IN2经过异或后得到的脉冲信号,Fo为FPGA内部的标准高频脉冲信号,取40MHz。
将IN2八分频,结合单片机控制,可得到一个动态门控信号Gatel。
动态门控与脉冲信号相“与”,可得到门限内的有限个脉冲信号 Gate2。
Gate1中含有IN2的4个周期,Gate2含有8个异或脉冲。
其中分别对clk进行计数,分别得到计数值M和N。
根据公式
精确地测得相位
差绝对值。
其时序如图2所示。
由于对高频脉冲计数可能存在±1的误差:
图片看不清楚?请点击这里查看原图(大图)。
在F=100kHz时,Mmin≈1600,则δmax(△ψ)≈0.9°
FPGA内部生成一个D触发器,以INl为触发器的数据输入,IN2为触发器的时钟输入,若触发器输出端为高电平,则△ψ>O°;若输出端为低电平,则△ψ<0°。
5 主要功能电路
5.1 有效值检测模块
采用高精度、高带宽的真有效值检测器件AD637。
输出直流约有0.1 V的波纹.对小信号的测量存在很大误差。
系统有效值检测模块后接一级截止频率为10 Hz的低通滤波器,滤除直流信号的波纹。
即使在最小的有效值,检测几乎没有误差。
如图3所示。
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5.2 示波器显示模块
为了在示波器上显示曲线,需要通过2个D/A转换器向X、Y轴同步送入扫描信号和数据信号。
选用DAC0800作为数模转换器,由于扫描信号为0~5 V 的锯齿波信号,而数据信号为一5~5 V,扫描信号和数据信号的D/A转换器分别采用单极性和双极性接法。
图4给出DAC0800双极性接法电路,单极性接法只将R1短路即可。
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6 系统软件设计
系统软件部分由单片机和FPGA组成,单片机主要完成人机交互部分的处理和系统的控制,FPGA主要完成测相和RAM的实现。
整个软件系统的设计中模块化思想贯穿始终,采用菜单选择所用功能。
图5为程序流程图。
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7 结语
频率特性测试仪的幅度特性测试的频率范围达100 Hz~100 kHz,频率稳定度10-6,测量精度5%,能在全频范围和特定频率范围内自动步进测量,可手动预置测量范围及步进频率值。
相频特性测试的频率范围500 Hz~lO kHz,相位值显示3位,以1位作为符号位,测量精度为l°,并能用示波器显示幅频特性和相频特性曲线。
该系统操作简单,测量精度很高,具有可行性和实用性,
其成品经优化包装具有良好市场。