【DIY大赛】一款简易的伯德图分析仪

                                                      图1-1  环路分析测试连接图

环路分析仪的使用如上图所示，其中相当于包含了一个信号发生器、一台示波器及信号运算单元等。（关于环路分析仪更专业的帖子：【揭秘】深入环路分析的测试对比和解析 http://www.dianyuan.com/bbs/2423448.html）

这里所采用的方法是：1、是让电源发生持续震荡替代信号发生器  ；2、采用手算替代内部的运算单元。最终就只需一台示波器了。

这个帖子大概不在这些分组中，重在参与不求结果

在传统的补偿环节中相位和增益一般都是相互关联的，改变其中任意一个变量时都将影响另一个或多个变量使调试变得复杂。这里的简易式伯德图分析仪的核心是将增益调节和相位调节分离开来，改变其中任意一个变量时另外的变量不受影响。

  增益项，可通过比例电路来实现（如PID中的P），因为电路是由纯阻性构成，所以信号经由比例电路后相位不发生任何改变。

  相位项，根据右半平面零点和左半平面极点的特性，如果将二者合二为一则可以实现增益恒为1相位0~-180可调的电路特性。

                          图1-2 增益不变、相位0~-180可调的bode图

当电路具备了上述两项功能候就可以实现增益和相位的单独调节，这对于电路参数设置来说是极为方便。

由右半平面零点和左半平面极点构成的相位调节电路用软件仿真得出的结果是ok的，不过实际电路的效果才是这次DIY的成败所在。

先给出一个右半平面零点+左半平面极点构成的电路原理图（或许有更简洁的电路方式）。

                                   图1-3 实验电路原理图

  按上述电路将手上的一块空PCB板做了改装，

                              图1-4 改装的实验电路

得出的实验波形如下：

                            图1-5 实验波形

图1-5中黄色波形为输入信号，蓝色波形为输出信号。

当频率从低到高变化时实验结果没有达到预期值，实验中采用的运放为LM358（非轨到轨）、电阻的精度5%（0.1%的电阻需经由库房领取）、电容为普通的贴片电容，后续将进一步分析由理想元件构成的仿真电路及对电路中的相关元件进行优化。

在图1-3的实验电路中包含一个微分电路，微分电路的特性是随着输入信号频率的升高增益也逐渐增加，当频率增加到一定程度后运放达到饱和。在实验板也发现了这一现象，仿真结果如下：

                                    图1-6 微分电路引起的饱和现象

图1-3的实验电路中还包含一个RC积分电路，RC电路的特性随着频率的升高增益逐渐降低，理论上可与微分互相抵消避免电路饱和。然而在实验板中搞错了先后顺序导致这种效果没有发挥出来，重新绘制的原理图如下：

                                图1-7 实验电路原理图2

图1-7中含有一个双联电容，调节时这两个电容要同时变化，如果能将此电路改进成只需一个可变电容其效果应当是更理想。

由一位坛友推荐的一款简洁电路如下：

                              图1-8-1 简洁版等幅调相电路

按照图中参数，利用Saber的tdsa扫频获得的bode图并同理论计算结果对比如下：

                                                      图1-8-2 简洁版扫频结果对比

如上图所示二者结果一致，这样就不需要双联电阻或电容了。因零、极点频率是电阻倒数的关系，如果有非线性的可调电阻效果应当更好一些（有了解的麻烦推荐一下，这款分析仪目前还不打算采用单片机来实现）。                                           

从网上查到的常用可调电位器有：直线性变化型、对数变化型、指数变化型（对应型号A、B、C）

其中对数型的应该跟1/R的变化规律较接近（是否有将1/R线性化转换的电路？），这里是想采用分立器件收音机的方式采用机械指针来直接读取数据，如果电路的线性度不好就只能在刻度上做文章了。

图1-8-1电路的实测结果如下：

                                              图1-8-4 简洁版电路实测结果

图1-8-4中蓝色曲线为输入信号、黄色曲线为输出信号，分别测10Hz、100Hz、1kHz、10kHz时的输入、输出波形（手上的这款LM358频率>1kHz后波形发生了畸变）。

此参数下的理论值如下：

                                  图1-8-5 理论计算结果

上述实验结果验证了这种电路的可行性，剩下的还有一些细节问题：

1、         如果用于开关电源测量需增加低通滤波器来滤除开关噪声（多档选择）。

2、         如果采用单片机处理还需搭配一款显示屏。

3、         采用纯模拟电路需做好线性化处理或者是非线性刻度处理。

4、         增加拨挡开管可兼容多种输出电压（如3.3V、5V、12V、24V）。

尝试采用压控电阻来实现线性化处理，电路如下图

                          图1-9-1 压控电阻电路

                                                    图1-9-2 不同控制电压下的电压、电流波形

图1-9-1右侧的公式看压控电阻和控制电压Vc不是线性关系，从仿真结果看电阻的调节范围有限。这种机械与电路同步线性化的要求或许比较难实现，准备采用指示灯+机械标尺的方式来实现相位参数的读取。

初步设想的功能及外观如下：

                                    图2-1 bode图分析仪外观

右上角旋钮为比例旋钮，最下一排指示灯为X标尺参考位置（粗调），右侧中间位置的指示灯为模拟量显示作为X标尺的细调参考。根据示波器上的震荡频率调节Y标尺，读取Y标尺与仪器上伯德图曲线的交点其对应的刻度既为相位值。左侧有x1和x1k两个档位，将频率范围设置为1~1kHz和1kHz~1MHz两个频段。X标尺和Y标尺的数值都经过换算处理，直接读取的就是被测电路bode图的相位和增益参数。

好创意，好分享！期待大作！

多谢鼓励！

由于增益及X标尺都是以对数（Log）方式显示的，之前在设计线性化显示时考虑不周，如果选用指数电位器后电路将跟最初设想的一样简洁。

                                        图1-10 指数电位器及其对数显示

从网上买了两款双联指数型电位器和一款双联步进式电位器，

指数型电位器估计不会如理论上一般理想，等器件到了之后实测一下。

如果指数型电位器不理想那么就准备采用步进式电位器，因其上的电阻可以自行修改所以想拟合出理想的分段指数曲线是不难的。

考虑到机械运动部件较难加工（如果有专业加工设备这种机械标尺结构的易读性会更好），还准备了一套指示灯的方案。

购买的步进型电位器有约21个档位可以与移向电容C构成约21种相位曲线，这里取20条曲线通过“查表”的方式读取相位数据代替之前的机械标尺移动，效果如下图：

                                         图3-1相位曲线查询卡

当旋转步进电位器时图3-1上相应的LED指示灯会点亮示意为当前选中的曲线，调节增益电位器使电路发生震荡，结合震荡频率和选中的这条曲线就可以查询出电路在此频率下的相位值。

这种方式还有另外两个好处：

1、扩展测量范围，通过增加一个拨挡开管改变移向电容C的值就可以实现测量频率的扩展，如预设0.1Hz~100Hz，100Hz~100KHz，10kHz~10MHz三个档位。硬件上无需改动只需把X轴的坐标变换一下即可。

2、到目前为止还未将低通滤波器考虑进去，如果加入低通滤波器后会对高频段的相位产生影响，如果在相位曲线查询卡片上直接将高频段的相位加进去那么在硬件上也无需其它改动。

最终这台仪器的功能扩展都将依赖于这张卡片上，降低了硬件开销。

初步设计的电路原理图如下：

                                          图3-2 电路原理图Rev01

图中供电部分可取自被测Vout(>5V)或由外部供电，工作部分包含比例电路（3.3V、5V、12V、24V可选），低通滤波电路、两级移相电路。其中移相电路又分为三个频段，测量范围最低0.1Hz、最高10MHz。

Tl431提供2.5V基准电压，另外当比例电路的比例值较低时输出偏差较大，2.5V基准或许会设计成可调基准。

买回三款指数电位器

                                        图3-3 三款指数型电位器

这三款电位器的实测结果都不是很理想，比如最左侧的直滑指数电位器的测试数据：

                                                     图3-4 直滑式指数电位器测试图

虽然指数电位器离预期的效果相差很远，不过还是计划做一个出来看看实际效果，说不定碰到的一些问题是有办法解决的。

首先要精确描绘出指数电位器的阻值-位置曲线图，此时需要一块面板来固定电位器并标记好刻度。

                                   图4-1-1 装配1

如上图，找来一块易于加工的纸板来作为面板，另一块洞洞板作为底板，后期的电路都将安装在洞洞板上。

为了便于后期的组装将电位器都安装到前面板上。

                                 图4-1-2 装配2

旋转电位器自带固定螺母在面板上挖两个洞即可安装，直滑电位器通过一块小底板固定到面板上。

安装后的侧视图如下：

                                            图4-1-3 装配3

前面板上的电位器通过导线和底板上的电路连接。

                                               图4-1-4 装配4

装配好并绘制好刻度标识的效果如下：

                                                图4-1-5 装配5