6SE6440-2AB21-5BA1變頻器1.5KW

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工程師的射頻萬(wàn)用表：頻譜分析儀簡(jiǎn)介及其基本原理

  將信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度按頻率順序展開(kāi)，使其成為頻率的函數(shù)，并考察變化規(guī)律，稱(chēng)為頻譜分析。運(yùn)用傅里葉級(jí)數(shù)或傅里葉變換，就能實(shí)現(xiàn)把時(shí)間域信號(hào)變換成頻率域信號(hào)，稱(chēng)為信號(hào)的頻率描述或稱(chēng)為頻譜分析。

  頻譜分析儀是研究電信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，用于信號(hào)失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號(hào)參數(shù)的測(cè)量，可用以測(cè)量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，是一種多用途的電子測(cè)量?jī)x器。它又可稱(chēng)為頻域示波器、跟蹤示波器、分析示波器、諧波分析器、頻率特性分析儀或傅里葉分析儀等。

  現(xiàn)代頻譜分析儀能以模擬方式或數(shù)字方式顯示分析結(jié)果，能分析1赫以下的甚低頻到亞毫米波段的全部無(wú)線電頻段的電信號(hào)。儀器內(nèi)部若采用數(shù)字電路和微處理器，具有存儲(chǔ)和運(yùn)算功能;配置標(biāo)準(zhǔn)接口，就容易構(gòu)成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

  頻譜分析儀簡(jiǎn)介

  頻譜分析儀是對(duì)無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的必備手段，是從事電子產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)的常用工具。因此，應(yīng)用十分廣泛，被稱(chēng)為工程師的射頻萬(wàn)用表。

  1、傳統(tǒng)頻譜分析儀

  傳統(tǒng)的頻譜分析儀的前端電路是一定帶寬內(nèi)可調(diào)諧的接收機(jī)，輸入信號(hào)經(jīng)變頻器變頻后由低通濾器輸出，濾波輸出作為垂直分量，頻率作為水平分量，在示波器屏幕上繪出坐標(biāo)圖，就是輸入信號(hào)的頻譜圖。由于變頻器可以達(dá)到很寬的頻率，例如30Hz-30GHz，與外部混頻器配合，可擴(kuò)展到100GHz以上，頻譜分析儀是頻率覆蓋最寬的測(cè)量?jī)x器之一。

  無(wú)論測(cè)量連續(xù)信號(hào)或調(diào)制信號(hào)，頻譜分析儀都是很理想的測(cè)量工具。但是，傳統(tǒng)的頻譜分析儀也有明顯的缺點(diǎn)，它只能測(cè)量頻率的幅度，缺少相位信息，因此屬于標(biāo)量?jī)x器而不是矢量?jī)x器。

  2、現(xiàn)代頻譜分析儀

  基于快速傅里葉變換(FFT)的現(xiàn)代頻譜分析儀，通過(guò)傅里葉運(yùn)算將被測(cè)信號(hào)分解成分立的頻率分量，達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果，。這種新型的頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)對(duì)輸入信號(hào)取樣，再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖。

  在這種頻譜分析儀中，為獲得良好的儀器線性度和高分辨率，對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)ADC的取樣率最少等于輸入信號(hào)最高頻率的兩倍，亦即頻率上限是100MHz的實(shí)時(shí)頻譜分析儀需要ADC有200MS/S的取樣率。

  目前半導(dǎo)體工藝水平可制成分辨率8位和取樣率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取樣率800MS/S的ADC，亦即，原理上儀器可達(dá)到2GHz的帶寬，為了擴(kuò)展頻率上限，可在ADC前端增加下變頻器，本振采用數(shù)字調(diào)諧振蕩器。這種混合式的頻譜分析儀可擴(kuò)展到幾GHz以下的頻段使用。

  FFT的性能用取樣點(diǎn)數(shù)和取樣率來(lái)表征，例如用100KS/S的取樣率對(duì)輸入信號(hào)取樣1024點(diǎn)，則最高輸入頻率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取樣點(diǎn)數(shù)為2048點(diǎn)，則分辨率提高到25Hz。由此可知，最高輸人頻率取決于取樣率，分辨率取決于取樣點(diǎn)數(shù)。

  FFT運(yùn)算時(shí)間與取樣，點(diǎn)數(shù)成對(duì)數(shù)關(guān)系，頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運(yùn)算時(shí)，要選用高速的FFT硬件，或者相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片。例如，10MHz輸入頻率的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間80μs，而10KHz的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間變?yōu)?4ms，1KHz的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間增加至640ms。當(dāng)運(yùn)算時(shí)間超過(guò)200ms時(shí)，屏幕的反應(yīng)變慢，不適于眼睛的觀察，補(bǔ)救辦法是減少取樣點(diǎn)數(shù)，使運(yùn)算時(shí)間降低至200ms以下。

  3、用FFT計(jì)算信號(hào)頻譜的算法

  離散傅里葉變換X(k)可看成是z變換在單位圓上的等距離采樣值，同樣，X(k)也可看作是序列付氏變換X(ejω)的采樣，采樣間隔為ωN=2π/N

  由此看出，離散傅里葉變換實(shí)質(zhì)上是其頻譜的離散頻域采樣，對(duì)頻率具有選擇性(ωk=2πk/N)，在這些點(diǎn)上反映了信號(hào)的頻譜。

  根據(jù)采樣定律，一個(gè)頻帶有限的信號(hào)，可以對(duì)它進(jìn)行時(shí)域采樣而不丟失任何信息，F(xiàn)FT變換則說(shuō)明對(duì)于時(shí)間有限的信號(hào)(有限長(zhǎng)序列)，也可以對(duì)其進(jìn)行頻域采樣，而不丟失任何信息。所以只要時(shí)間序列足夠長(zhǎng)，采樣足夠密，頻域采樣也就可較好地反映信號(hào)的頻譜趨勢(shì)，所以FFT可以用以進(jìn)行連續(xù)信號(hào)的頻譜分析

  頻譜分析儀原理

  頻譜分析儀系統(tǒng)主要的功能是在頻域里顯示輸入信號(hào)的頻譜特性，頻譜分析儀依信號(hào)處理方式的不同，一般有兩種類(lèi)型，即時(shí)頻譜分析儀(Real-TimeSpectrumAnalyzer)與掃描調(diào)諧頻譜分析儀(Sweep-TunedSpectrumAnalyzer)。

  即時(shí)頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻域的信號(hào)振幅，其工作原理是針對(duì)不同的頻率信號(hào)而有相對(duì)應(yīng)的濾波器與檢知器(Detector)，再經(jīng)由同步的多工掃描器將信號(hào)傳送到CRT螢?zāi)簧希鋬?yōu)點(diǎn)是能顯示周期性雜散波(PeriodicRandomWaves)的瞬間反應(yīng)，其缺點(diǎn)是價(jià)昂且性能受限於頻寬范圍，濾波器的數(shù)目與最大的多工交換時(shí)間(SwitchingTime)。

  最常用的頻譜分析儀是掃描調(diào)諧頻譜分析儀，其基本結(jié)構(gòu)類(lèi)似超外差式接收器，工作原理是輸入信號(hào)經(jīng)衰減器直接外加到混波器，可調(diào)變的本地振蕩器經(jīng)與CRT同步的掃描產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時(shí)間作線性變化的振蕩頻率，經(jīng)混波器與輸入信號(hào)混波降頻后的中頻信號(hào)(IF)再放大，濾波與檢波傳送到CRT的垂直方向板，因此在CRT的縱軸顯示信號(hào)振幅與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

  影響信號(hào)反應(yīng)的重要部份為濾波器頻寬，濾波器之特性為高斯濾波器(Gaussian-ShapedFilter)，影響的功能就是量測(cè)時(shí)常見(jiàn)到的解析頻寬(RBW，ResolutionBandb)。RBW代表兩個(gè)不同頻率的信號(hào)能夠被清楚的分辨出來(lái)的最低頻寬差異，兩個(gè)不同頻率的信號(hào)頻寬如低於頻譜分析儀的RBW，此時(shí)該兩信號(hào)將重疊，難以分辨。

  較低的RBW固然有助於不同頻率信號(hào)的分辨與量測(cè)，但低的RBW將濾除較高頻率的信號(hào)成份，導(dǎo)致信號(hào)顯示時(shí)產(chǎn)生失真，失真值與設(shè)定的RBW密切相關(guān)，較高的RBW固然有助於寬頻帶信號(hào)的偵測(cè)，將增加雜訊底層值(NoiseFloor)，降低量測(cè)靈敏度，對(duì)於偵測(cè)低強(qiáng)度的信號(hào)易產(chǎn)生阻礙，因此適當(dāng)?shù)腞BW寬度是正確使用頻譜分析儀重要的概念。

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開(kāi)關(guān)電源變換器電壓模式的工作原理及特點(diǎn)

電壓模式和電流模式是開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中常用的兩種控制類(lèi)型。在開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中，當(dāng)輸入電壓變化、輸出負(fù)載變化以及電源內(nèi)部的參數(shù)變化時(shí)，控制電路將檢測(cè)被控制的電壓及電流信號(hào)，將它們與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，然后將差值放大，進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，以調(diào)節(jié)主電路功率器件的導(dǎo)通脈沖寬度或開(kāi)關(guān)頻率，從而保證系統(tǒng)的輸出電壓或輸出電流等被調(diào)節(jié)信號(hào)的穩(wěn)定。

開(kāi)關(guān)電源有PFM和PWM兩種控制方式：PFM工作在變頻方式，通過(guò)調(diào)節(jié)工作頻率保持輸出電壓或輸出電流的恒定。PWM工作在固定頻率，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度，即占空比，保持輸出電壓或輸出電流的恒定。電源系統(tǒng)中，電壓的取樣信號(hào)有輸入電壓和輸出電壓，而電流的取樣有功率電感的直流壓降、電流取樣電阻電壓和和功率MOSFET的導(dǎo)通壓降等，由這些信號(hào)可以構(gòu)成單環(huán)、雙環(huán)或多環(huán)反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、穩(wěn)流或恒功率的控制，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)過(guò)壓欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、均流、輸出電壓排序跟蹤等附帶的功能。

1 通用電壓模式的工作原理及特點(diǎn)

控制環(huán)僅有一個(gè)的電壓反饋環(huán)，電壓反饋環(huán)包括電壓誤差放大器、反饋分壓電阻器和反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。電壓誤差放大器的同相端連接到參考電壓Vref，反饋分壓電阻器連接到電壓誤差放大器的反相端FB，反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接到反相端FB和電壓誤差放大器的輸出端COMP，輸出端COMP的電壓為Vc。電壓誤差放大器的輸出連接到PWM比較器的同相端，PWM比較器的反相端輸入信號(hào)為斜波發(fā)生器輸出的連續(xù)鋸齒波，由時(shí)鐘同步信號(hào)產(chǎn)生。

1.1 電壓模式工作過(guò)程

電壓模式的工作過(guò)程有二個(gè)階段：

(1)時(shí)鐘振蕩器輸出脈沖信號(hào)為高電平，高端的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，開(kāi)始一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，電感所加的電壓為正，電感激磁，電流線性上升。由于鋸齒波的電壓低于Vc的電壓，PWM比較器輸出低電壓。

(2)當(dāng)鋸齒波的電壓增加到高于Vc的電壓時(shí)，PWM比較器輸出翻轉(zhuǎn)，高端的開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，低端的同步MOSFET或續(xù)流二極管導(dǎo)通，電感所加的電壓為負(fù)，電感去磁，電流線性下降。直到下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始的時(shí)鐘同步信號(hào)到來(lái)，如此反復(fù)。

1.2 調(diào)節(jié)工作原理

電壓模式調(diào)節(jié)原理如下：

(1)當(dāng)輸出負(fù)載增大時(shí)，輸出電壓降低，Vc增大，鋸齒波的電壓只有增加到更高的值才能夠和Vc相等，從而使PWM比較器翻轉(zhuǎn)，因此，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間增長(zhǎng)，占空比增加，輸入功率增加，因此輸出電壓增加，當(dāng)輸出電壓增加到調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)保持平衡。

(2)當(dāng)輸出負(fù)載降低時(shí)，輸出電壓升高，Vc降低，鋸齒波的電壓在較低的值就可以等于Vc值，從而使PWM比較器翻轉(zhuǎn)，因此，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間縮短，占空比降低，輸入功率降低，因此輸出電壓降低，當(dāng)輸出電壓降低到調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)保持平衡。

電壓誤差放大器的作用是檢測(cè)緩慢變化的輸出直流電壓信號(hào)的微小變化，輸入到FB管腳，F(xiàn)B管腳的電壓V-與參考電壓Vref的差值被電壓誤差放大器放大輸出，輸出Vc為具有一定幅值的比較干凈的直流低頻反饋控制信號(hào)，開(kāi)關(guān)電源輸出附帶的較寬頻帶的高頻開(kāi)關(guān)噪聲信號(hào)被濾除，從而保證輸出穩(wěn)態(tài)時(shí)的穩(wěn)壓精度。

高頻開(kāi)關(guān)噪聲的頻率較高，幅值較大，如果高頻開(kāi)關(guān)噪聲衰減不夠的話(huà)，系統(tǒng)容易受到干擾，不能穩(wěn)定工作;但是高頻開(kāi)關(guān)噪聲衰減過(guò)大的話(huà)，系統(tǒng)的帶寬窄，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，因此要做一些折衷的設(shè)計(jì)，要保持電壓誤差放大器的低頻增益高，高頻增益低，可以通過(guò)對(duì)整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，使得閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

1.3 外加限流保護(hù)

從電壓模式工作原理可以看到，系統(tǒng)沒(méi)有內(nèi)置的限流功能保護(hù)電路，同時(shí)，對(duì)于輸入和輸出的瞬變變化，系統(tǒng)響應(yīng)緩慢。當(dāng)輸入電壓突然變低或負(fù)載阻抗突然變低時(shí)，因?yàn)橹麟娐酚休^大的輸出電容和電感，電容與電感產(chǎn)生相移延時(shí)作用，輸出電壓的變低也延時(shí)滯后，輸出電壓變低的信號(hào)還要經(jīng)過(guò)電壓誤差放大器的補(bǔ)償電路的延時(shí)滯后，才能傳到PWM比較器，將脈寬變寬，這兩個(gè)延時(shí)滯后作用是暫態(tài)響應(yīng)慢的主要原因。為了提高系統(tǒng)的可靠性，必須外加限流保護(hù)電路，注意到限流保護(hù)電路只起限流的作用，并不參與系統(tǒng)的內(nèi)部的反饋調(diào)節(jié)。

1.4 電壓模式優(yōu)缺點(diǎn)

電壓模式的優(yōu)點(diǎn)：

(1)由于電流信號(hào)不參與反饋，系統(tǒng)不會(huì)受到電流噪聲的干擾。

(2)PWM三角波幅值較大，脈沖寬度調(diào)節(jié)時(shí)具有較好的抗噪聲性能。

(3)占空比調(diào)節(jié)不受限制。

(4)對(duì)于多路輸出電源，它們之間的交互調(diào)節(jié)性能較好。

(5)單一電壓閉環(huán)反饋設(shè)計(jì)，調(diào)試比較容易。

(6)對(duì)輸出負(fù)載的變化有較快的響應(yīng)。

(7)低的輸出阻抗。

電壓模式的缺點(diǎn)：

(1)單反饋環(huán)控制系統(tǒng)，輸出LC濾波器在控制環(huán)中產(chǎn)生雙極點(diǎn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，需要增加一個(gè)零點(diǎn)對(duì)主極點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，因此反饋補(bǔ)償設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，需要更多額外的器件仔細(xì)設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)路，來(lái)優(yōu)化負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

環(huán)路增益是輸出電容ESR的函數(shù)，輸出電容影響反饋環(huán)，需要電解電容或鉭電容穩(wěn)定控制回路以維持良好的高頻響應(yīng);在相同均方根工作電流的需求下，相同電容值的電解電容或鉭電容比陶瓷電容的體積更大，同時(shí)輸出電壓的波動(dòng)也更大。

環(huán)路的增益是輸入電壓的函數(shù),對(duì)輸入電壓的變化動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，需要輸入電壓前饋。

電壓模式的反饋設(shè)計(jì)通常選取穿越頻率為1/5-1/10的開(kāi)關(guān)頻率，環(huán)路補(bǔ)償采用III類(lèi)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)：3個(gè)極點(diǎn)和2個(gè)零點(diǎn)，2個(gè)零點(diǎn)安排在LC諧振雙極點(diǎn)附近，以抵消雙極點(diǎn)產(chǎn)生的相位延遲;低頻積分電路用以提高低頻的直流增益，2個(gè)高頻極點(diǎn)以產(chǎn)生高頻噪聲衰減，保證在0dB穿越頻率以上環(huán)路增益保持下降。

(2)用于限流控制的電流檢測(cè)緩慢不準(zhǔn)確。

(3)如果多個(gè)電源和多個(gè)相位并聯(lián)操作,需要外部電路進(jìn)行均流控制。

1.5 電壓模式動(dòng)特性改善

改善電壓模式控制瞬態(tài)響應(yīng)速度的方法有二種：一是增加電壓誤差放大器的帶寬，保證具有一定的高頻增益，但是這樣容易受到高頻開(kāi)關(guān)噪聲干擾，需要在主電路及反饋控制電路上采取措施，進(jìn)行抑制或同相位衰減平滑處理。另一方法是采用電壓前饋技術(shù)，用輸入電壓對(duì)電阻電容充電產(chǎn)生的具有可變化上升斜坡的三角波，取代傳統(tǒng)電壓模式PWM控制器中振蕩器產(chǎn)生的固定三角波。此時(shí)，輸入電壓的變化能立刻在脈沖寬度的變化上反映出來(lái)，因此該方法對(duì)輸入電壓的變化引起的瞬態(tài)響應(yīng)速度明顯提高。對(duì)輸入電壓的前饋控制是開(kāi)環(huán)控制，而對(duì)輸出電壓的控制是閉環(huán)控制，目的是增加對(duì)輸入電壓變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，這樣就構(gòu)成了一個(gè)開(kāi)環(huán)和一個(gè)閉環(huán)的雙環(huán)控制系統(tǒng)。

2 滯回電壓模式的工作原理及特點(diǎn)

滯回電壓控制模式一種最簡(jiǎn)單的控制方法，控制環(huán)包括兩個(gè)部分：分壓電阻器和滯回比較器。分壓電阻器用于檢測(cè)輸出紋波電壓，滯回比較器用于控制功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷。主功率回路工作在自由振蕩方式，電路調(diào)節(jié)輸出電壓并保持輸出電壓在參考電壓和比較器所設(shè)定的滯回窗口電壓范圍內(nèi)。

滯回電壓模式工作過(guò)程如下：

(1)當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，比較器的反相端的電壓也降低，當(dāng)反相端低于Vref-dV/2時(shí)，比較器輸出高電平，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，輸出電壓增加。

(2)當(dāng)輸出電壓繼續(xù)增加，使比較器的反相端高于Vref+dV/2時(shí)，比較器的輸出翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。如此反復(fù)。

滯洄電壓模式的優(yōu)點(diǎn)：

(1)滯回電壓模式?jīng)]有反饋環(huán)，因此不需要補(bǔ)償設(shè)計(jì)，延時(shí)通常和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的電容相關(guān)，滯回電壓模式?jīng)]有補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，所以，誤差信號(hào)也就沒(méi)有補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的延時(shí)，也不會(huì)產(chǎn)生補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中電容充放電形成的不正常的電壓所帶來(lái)的不利影響。

(2)響應(yīng)快。滯回電壓模式能夠在當(dāng)前的周期非常快的響應(yīng)負(fù)載電流的瞬態(tài)變化，響應(yīng)的時(shí)間只取決于滯洄比較器的驅(qū)動(dòng)電路的延時(shí)。

(3)最簡(jiǎn)單的一種控制方法。

滯洄電壓模式的缺點(diǎn)：

(1)工作在變頻工作方式，頻率變化范圍寬時(shí)，不利于電感的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(2)開(kāi)頭頻率依賴(lài)于輸出的濾波器、輸入電壓和輸出電壓、滯回窗口電壓和內(nèi)部的延時(shí)。

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