伯德图
一种频率特性的图示方法
伯德图是系统频率响应的一种图示方法。伯德图由幅值图和相角图组成,两者都按频率的对数分度绘制,故伯德图常也称为对数坐标图
频率特性分析(有时也称为频率响应)是利用开环系统函数来分析闭环系统稳定的主要方法,并借助伯德图分析系统稳定性,相比劳斯代数判断更直观。频率响应有乃奎斯特图(极坐标图)和伯德图(对数坐标图)两种方法。两者相比,极坐标图绘制相对简单些,但精度不是很高,所以有时会影响系统闭环稳定性判断的准确性;伯德图绘制相对复杂些,但判断闭环系统稳定性和准确性较高,且判断稳定性原理相对简单。
基本概念
伯德图是由贝尔实验室荷兰裔科学家亨Bode,H.W. 在1940年提出。Bode发明了一种简单但准确的方法绘制增益及相位的图,这样的图后来也就称为了伯德图。
伯德图由对数幅频特性对数相频特性两条曲线构成。伯德图是线性非时变系统的传递函数对频率的半对数坐标图,其横轴频率以对数尺度(log scale)表示,纵坐标幅值或相角采用线性分度,利用伯德图可以看出系统的频率响应。伯德图一般是由二张图组合而成, 伯德图由两张图组成:①G(jω)的幅值(以分贝,dB表示)-频率(以对数标度)对数坐标图,其上画有对数幅频曲线;②G(jω)的相角-频率(以对数标度)对数坐标图,其上画有相频曲线。
对数幅值的标准表达式为20 lg|G(jω)|,单位是分贝,相角的单位是度。由于增益用对数来表示(log(ab)=log(a)+log(b)),因此一传递函数乘以一常数,在伯德增益图只需将图形的纵向移动即可,二传递函数的相乘,在波德幅频图就变成图形的相加。幅频图纵轴0分贝以下具有正增益裕度、属稳定区,反之属不稳定区
配合波德相频图可以估算一信号进入系统后,输出信号及原始信号的比例关系及相位。例如一个Asin(ωt) 的信号进入系统后振幅变原来的k倍,相位落后原信号Φ,则其输出信号则为(Ak)sin(ωt−Φ),其中的k和Φ都是频率的函数。相频图纵轴-180度以上具有正相位裕度、属稳定区,反之属不稳定区。
分析过程
绘制伯德图的一般步骤为:首先将开环频率特性G(jω)H(jω)改写为基本环节的乘积,画出各基本环节的伯德图,然后把各基本环节伯德图的对数幅值相加,相角相加,就得到G(jω)H(jω)的伯德图. 得到伯德图后,对其进行一定的分析,就可以得到系统的稳定特性等。
分解为典型环节
系统开环传递函数由八种典型环节构成,将任意开环传递函数的分子、分母进行因式分解,都可以将开环传递函数转化为若干典型环节的乘积,这八种典型环节为:
具体计算过程如下:
频率特性可以写成一般的形式(公式1)
式中K为增益(放大系数),ωn为无阻尼自然频率,ζ 为阻尼比
频率特性的对数幅值(使用记号Lm)表达式为(公式2)
频率特性的相角表达式为(公式3)或(公式4)
伯德图画法
画伯德图时,分三个频段进行,先画幅频特性,顺序是中频段、低频段和高频段。将三个频段的频率特性(或称频率响应)合起来就是全频段的幅频特性,然后再根据幅频特性画出相应的相频特性来。
作伯德图时,首先写出频率特性,然后按常数因子K、积分和微分因子(jω)、一阶因子(1+jωT)和二阶因子[1+2ζ(jω/ωn)+(jω)/ω]1这样四种基本因子分别画出伯德图,再总加而成。
图2、图3是常见简易传递函数的伯德图趋势。
分析方法
伯德图可用来计算负反馈系统的增益裕度(gain margin)及相位裕度,进而确认系统的稳定性。
相关符号定义
先定义以下的符号:
其中:
·AFB是考虑反馈时的放大器增益(闭环增益
· β是反馈系数
· AOL是不考虑反馈时的放大器增益(开环增益)。
在开环增益AOL远大于1时,闭环增益AFB可以用以下方式近似
在开环增益AOL远小于1时,闭环增益AFB可以用以下方式近似
增益AOL是频率的复变函数,有大小及相位。
上述的式子中,若βAOL乘积=−1时,可能会出现增益无穷大(即为不稳定)的情形。(若用大小和相位来表示,此时βAOL的大小为1,相位为-180度,此条件即称为巴克豪森稳定性准则。配合波德图,不但可以判断系统是否稳定,也可以判断系统接近以上不稳定条件的程度。
在判断系统稳定性时,会用到以下二个频率。第一个频率f180是上述乘积相位恰为-180度的频率,第二个频率f0dB则为乘积的绝对值|βAOL|=1时的频率(若以分贝表示时,则为0dB)。频率f180可以用下式来计算:
其中| |表示复数的绝对值(例如|a+jb| = [a+b])。而频率f0dB有以下的关系:
增益裕度及相位裕度
增益裕度
增益裕度(gain margin, GM)是衡量系统稳定程度的一种方法。在波德相位图上可以找到βAOL相位到达-180度时的频率,该频率即为f180,之后就可以在增益图上找到该频率时βAOL的大小。
若|βAOL|180= 1,表示此系统不稳定。若|βAOL|180< 1,此系统稳定,而|βAOL|分贝值和0dB(对应增益大小为1)的距离表示系统距离不稳定的程度,称为增益裕度。
增益裕度也可以用下式表示:
相位裕度
相位裕度(phase margin, PM)是另一种衡量系统稳定程度的方法。在波德增益图上可以找到|βAOL|大小为1的频率,该频率即为f0dB,之后就可以在相位图上找到该频率时βAOL的相位。
若βAOL(f0dB) 的相位 > −180°,表示在任何频率时系统都会稳定,因为在f180时大小已小于1,f0dB时的相位和-180度之间的差称为相位裕度。
若只是单纯要判断系统是否稳定,在系统为最小相位系统时,若f0dB
若是非最小相位系统,需要用其他方式判断稳定性,如奈奎斯特图
伯德图的优势
伯德图表明了一个电路网络对不同频率信号的放大能力。
但是在电子电路中,这种图有可能比较麻烦,一方面,要表示一个网络在低频和高频下的所有情况,那么横轴(频率轴会很长)。此外,一般放大电路放大倍数可能达到几百,使得纵轴也很长。第三,这样画出的图形往往是很不规则的曲线。
波特(Bode)图是根据上述三点作了改进:
1.横坐标的频率改成指数增长,而不是以前的线性增长,比如频率刻度为。10、100、1000、10^4、等,每一小格代表不同的频率跨度。使一条横轴能表示如1hz到10hz这么大的频率范围。一个更为有用的原因是这样做符合人耳对声音的敏感程度(对数效应)。
2.纵坐标表示放大倍数以10为底的对数的20倍,这是根据分贝的定义做的。这样纵坐标的值大概0到60就足够了。这样在图中一眼就能看出放大的分贝数。相频特性也可以相应的画。
3.把曲线做直线化处理。画图所依据的式子中会得到fL fH的数值。得出的伯德图也应该在fL和fH处出现拐角(此点所在的频率称为截断频率),不过这样处理会产生一定的误差。理论计算可知:在截断频率处真实值估计值有3dB的误差。 在斜率不为0的直线处要标明斜率。标明出每十倍频程放大倍数的变化情况。 经过这三种简化,伯德图的曲线就是由一条折线组成看起来非常舒服。虽然经过处理造成了误差,但已经成为一种标准。
范例
考虑以下的低通RC电路,如下图,其频域转换函数如下:
由转换函数可以得到其截止频率fc(以Hz为单位)为:
另一种等效表示法为:
ωc = 1/(RC)
其中ωc为截止角频率,单位是弧度每秒
以角频率表示的转换函数如下:
H(jω) = (1+j ω/ωc)-1
上述的方程式是一个正规化后的转换函数,其波德图如图4,后续将介绍如何用直线来近似波德图。
增益图
上述转换函数的增益(以分贝表示)和频率的关系如图5所示。
若在对数尺度的频率下绘制不同频率的增益,上式可以用二条直线近似,而这二条线也就是其波德图增益图的二条渐近线
· 在角频率小于ωc时,因ω/ωc/项较小,相对 1 而言可以忽略,因此其增益值为定值1,在增益图上是一条位在0dB的水平线
· 在角频率大于ωc时,因ω/ωc项比较大,相对而言 1 可以忽略,因此式子简化为-20log(ω/ωc),是斜率为-20dB/十倍频的斜线。
上述的二条线在截止频率ωc处交会,在图5可以看出,当频率远低于截止频率时,电路的衰减量是0 dB,对应其通带增益为 1,此时滤波电路的输出值和输入值相同,而当频率高于截止频率时,信号会被电路衰减,越高频的信号其衰减量越大。
相位图
上述转换函数的相位和频率的关系如下
φ = -arctan(ω/ωc)
其中,ω、ωc分别是输入角频率及截止角频率。 当输入角频率远小于截止角频率时(ω<<ωc),比例ω/ωc的数值很小,因此相位角接近零度。当频率增加,相位角的绝对值也随之增加。在(ω=ωc)时为-45度。当输入角频率远大于截止角频率时(ω >> ωc,ω→∞),相位角会趋近-90度。
正规化图
波德图(包括幅频图及幅相图)的横轴频率部份均可以用正规化的频率(无因次频率,ω<<ωc)表示。此时的图称为正规化的波德图,而且其中不需考虑频率的单位,因为频率已改用频率和截止频率的比值来表示。
参考资料
最新修订时间:2024-09-29 09:15
目录
概述
基本概念
参考资料