圖1-1  環(huán)路分析測(cè)試連接圖

環(huán)路分析儀的使用如上圖所示，其中相當(dāng)于包含了一個(gè)信號(hào)發(fā)生器、一臺(tái)示波器及信號(hào)運(yùn)算單元等。（關(guān)于環(huán)路分析儀更專業(yè)的帖子：【揭秘】深入環(huán)路分析的測(cè)試對(duì)比和解析 http://www.e-ticket.cn/bbs/2423448.html）

這里所采用的方法是：1、是讓電源發(fā)生持續(xù)震蕩替代信號(hào)發(fā)生器  ；2、采用手算替代內(nèi)部的運(yùn)算單元。最終就只需一臺(tái)示波器了。

這個(gè)帖子大概不在這些分組中，重在參與不求結(jié)果

在傳統(tǒng)的補(bǔ)償環(huán)節(jié)中相位和增益一般都是相互關(guān)聯(lián)的，改變其中任意一個(gè)變量時(shí)都將影響另一個(gè)或多個(gè)變量使調(diào)試變得復(fù)雜。這里的簡(jiǎn)易式伯德圖分析儀的核心是將增益調(diào)節(jié)和相位調(diào)節(jié)分離開來(lái)，改變其中任意一個(gè)變量時(shí)另外的變量不受影響。

  增益項(xiàng)，可通過(guò)比例電路來(lái)實(shí)現(xiàn)（如PID中的P），因?yàn)殡娐肥怯杉冏栊詷?gòu)成，所以信號(hào)經(jīng)由比例電路后相位不發(fā)生任何改變。

  相位項(xiàng)，根據(jù)右半平面零點(diǎn)和左半平面極點(diǎn)的特性，如果將二者合二為一則可以實(shí)現(xiàn)增益恒為1相位0~-180可調(diào)的電路特性。

                          圖1-2 增益不變、相位0~-180可調(diào)的bode圖

當(dāng)電路具備了上述兩項(xiàng)功能候就可以實(shí)現(xiàn)增益和相位的單獨(dú)調(diào)節(jié)，這對(duì)于電路參數(shù)設(shè)置來(lái)說(shuō)是極為方便。

由右半平面零點(diǎn)和左半平面極點(diǎn)構(gòu)成的相位調(diào)節(jié)電路用軟件仿真得出的結(jié)果是ok的，不過(guò)實(shí)際電路的效果才是這次DIY的成敗所在。

先給出一個(gè)右半平面零點(diǎn)+左半平面極點(diǎn)構(gòu)成的電路原理圖（或許有更簡(jiǎn)潔的電路方式）。

                                   圖1-3 實(shí)驗(yàn)電路原理圖

  按上述電路將手上的一塊空PCB板做了改裝，

                              圖1-4 改裝的實(shí)驗(yàn)電路

得出的實(shí)驗(yàn)波形如下：

                            圖1-5 實(shí)驗(yàn)波形

圖1-5中黃色波形為輸入信號(hào)，藍(lán)色波形為輸出信號(hào)。

當(dāng)頻率從低到高變化時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有達(dá)到預(yù)期值，實(shí)驗(yàn)中采用的運(yùn)放為LM358（非軌到軌）、電阻的精度5%（0.1%的電阻需經(jīng)由庫(kù)房領(lǐng)?。㈦娙轂槠胀ǖ馁N片電容，后續(xù)將進(jìn)一步分析由理想元件構(gòu)成的仿真電路及對(duì)電路中的相關(guān)元件進(jìn)行優(yōu)化。

在圖1-3的實(shí)驗(yàn)電路中包含一個(gè)微分電路，微分電路的特性是隨著輸入信號(hào)頻率的升高增益也逐漸增加，當(dāng)頻率增加到一定程度后運(yùn)放達(dá)到飽和。在實(shí)驗(yàn)板也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，仿真結(jié)果如下：

                                    圖1-6 微分電路引起的飽和現(xiàn)象

圖1-3的實(shí)驗(yàn)電路中還包含一個(gè)RC積分電路，RC電路的特性隨著頻率的升高增益逐漸降低，理論上可與微分互相抵消避免電路飽和。然而在實(shí)驗(yàn)板中搞錯(cuò)了先后順序?qū)е逻@種效果沒有發(fā)揮出來(lái)，重新繪制的原理圖如下：

                                圖1-7 實(shí)驗(yàn)電路原理圖2

圖1-7中含有一個(gè)雙聯(lián)電容，調(diào)節(jié)時(shí)這兩個(gè)電容要同時(shí)變化，如果能將此電路改進(jìn)成只需一個(gè)可變電容其效果應(yīng)當(dāng)是更理想。

由一位壇友推薦的一款簡(jiǎn)潔電路如下：

                              圖1-8-1 簡(jiǎn)潔版等幅調(diào)相電路

按照?qǐng)D中參數(shù)，利用Saber的tdsa掃頻獲得的bode圖并同理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比如下：

                                                      圖1-8-2 簡(jiǎn)潔版掃頻結(jié)果對(duì)比

如上圖所示二者結(jié)果一致，這樣就不需要雙聯(lián)電阻或電容了。因零、極點(diǎn)頻率是電阻倒數(shù)的關(guān)系，如果有非線性的可調(diào)電阻效果應(yīng)當(dāng)更好一些（有了解的麻煩推薦一下，這款分析儀目前還不打算采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)）。                                           

從網(wǎng)上查到的常用可調(diào)電位器有：直線性變化型、對(duì)數(shù)變化型、指數(shù)變化型（對(duì)應(yīng)型號(hào)A、B、C）

其中對(duì)數(shù)型的應(yīng)該跟1/R的變化規(guī)律較接近（是否有將1/R線性化轉(zhuǎn)換的電路？），這里是想采用分立器件收音機(jī)的方式采用機(jī)械指針來(lái)直接讀取數(shù)據(jù)，如果電路的線性度不好就只能在刻度上做文章了。

圖1-8-1電路的實(shí)測(cè)結(jié)果如下：

                                              圖1-8-4 簡(jiǎn)潔版電路實(shí)測(cè)結(jié)果

圖1-8-4中藍(lán)色曲線為輸入信號(hào)、黃色曲線為輸出信號(hào)，分別測(cè)10Hz、100Hz、1kHz、10kHz時(shí)的輸入、輸出波形（手上的這款LM358頻率>1kHz后波形發(fā)生了畸變）。

此參數(shù)下的理論值如下：

                                  圖1-8-5 理論計(jì)算結(jié)果

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這種電路的可行性，剩下的還有一些細(xì)節(jié)問題：

1、         如果用于開關(guān)電源測(cè)量需增加低通濾波器來(lái)濾除開關(guān)噪聲（多檔選擇）。

2、         如果采用單片機(jī)處理還需搭配一款顯示屏。

3、         采用純模擬電路需做好線性化處理或者是非線性刻度處理。

4、         增加撥擋開管可兼容多種輸出電壓（如3.3V、5V、12V、24V）。

嘗試采用壓控電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)線性化處理，電路如下圖

                          圖1-9-1 壓控電阻電路

                                                    圖1-9-2 不同控制電壓下的電壓、電流波形

圖1-9-1右側(cè)的公式看壓控電阻和控制電壓Vc不是線性關(guān)系，從仿真結(jié)果看電阻的調(diào)節(jié)范圍有限。這種機(jī)械與電路同步線性化的要求或許比較難實(shí)現(xiàn)，準(zhǔn)備采用指示燈+機(jī)械標(biāo)尺的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)相位參數(shù)的讀取。

初步設(shè)想的功能及外觀如下：

                                    圖2-1 bode圖分析儀外觀

右上角旋鈕為比例旋鈕，最下一排指示燈為X標(biāo)尺參考位置（粗調(diào)），右側(cè)中間位置的指示燈為模擬量顯示作為X標(biāo)尺的細(xì)調(diào)參考。根據(jù)示波器上的震蕩頻率調(diào)節(jié)Y標(biāo)尺，讀取Y標(biāo)尺與儀器上伯德圖曲線的交點(diǎn)其對(duì)應(yīng)的刻度既為相位值。左側(cè)有x1和x1k兩個(gè)檔位，將頻率范圍設(shè)置為1~1kHz和1kHz~1MHz兩個(gè)頻段。X標(biāo)尺和Y標(biāo)尺的數(shù)值都經(jīng)過(guò)換算處理，直接讀取的就是被測(cè)電路bode圖的相位和增益參數(shù)。

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由于增益及X標(biāo)尺都是以對(duì)數(shù)（Log）方式顯示的，之前在設(shè)計(jì)線性化顯示時(shí)考慮不周，如果選用指數(shù)電位器后電路將跟最初設(shè)想的一樣簡(jiǎn)潔。

                                        圖1-10 指數(shù)電位器及其對(duì)數(shù)顯示

從網(wǎng)上買了兩款雙聯(lián)指數(shù)型電位器和一款雙聯(lián)步進(jìn)式電位器，

指數(shù)型電位器估計(jì)不會(huì)如理論上一般理想，等器件到了之后實(shí)測(cè)一下。

如果指數(shù)型電位器不理想那么就準(zhǔn)備采用步進(jìn)式電位器，因其上的電阻可以自行修改所以想擬合出理想的分段指數(shù)曲線是不難的。

考慮到機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件較難加工（如果有專業(yè)加工設(shè)備這種機(jī)械標(biāo)尺結(jié)構(gòu)的易讀性會(huì)更好），還準(zhǔn)備了一套指示燈的方案。

購(gòu)買的步進(jìn)型電位器有約21個(gè)檔位可以與移向電容C構(gòu)成約21種相位曲線，這里取20條曲線通過(guò)“查表”的方式讀取相位數(shù)據(jù)代替之前的機(jī)械標(biāo)尺移動(dòng)，效果如下圖：

                                         圖3-1相位曲線查詢卡

當(dāng)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電位器時(shí)圖3-1上相應(yīng)的LED指示燈會(huì)點(diǎn)亮示意為當(dāng)前選中的曲線，調(diào)節(jié)增益電位器使電路發(fā)生震蕩，結(jié)合震蕩頻率和選中的這條曲線就可以查詢出電路在此頻率下的相位值。

這種方式還有另外兩個(gè)好處：

1、擴(kuò)展測(cè)量范圍，通過(guò)增加一個(gè)撥擋開管改變移向電容C的值就可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量頻率的擴(kuò)展，如預(yù)設(shè)0.1Hz~100Hz，100Hz~100KHz，10kHz~10MHz三個(gè)檔位。硬件上無(wú)需改動(dòng)只需把X軸的坐標(biāo)變換一下即可。

2、到目前為止還未將低通濾波器考慮進(jìn)去，如果加入低通濾波器后會(huì)對(duì)高頻段的相位產(chǎn)生影響，如果在相位曲線查詢卡片上直接將高頻段的相位加進(jìn)去那么在硬件上也無(wú)需其它改動(dòng)。

最終這臺(tái)儀器的功能擴(kuò)展都將依賴于這張卡片上，降低了硬件開銷。

初步設(shè)計(jì)的電路原理圖如下：

                                          圖3-2 電路原理圖Rev01

圖中供電部分可取自被測(cè)Vout(>5V)或由外部供電，工作部分包含比例電路（3.3V、5V、12V、24V可選），低通濾波電路、兩級(jí)移相電路。其中移相電路又分為三個(gè)頻段，測(cè)量范圍最低0.1Hz、最高10MHz。

Tl431提供2.5V基準(zhǔn)電壓，另外當(dāng)比例電路的比例值較低時(shí)輸出偏差較大，2.5V基準(zhǔn)或許會(huì)設(shè)計(jì)成可調(diào)基準(zhǔn)。

買回三款指數(shù)電位器

                                        圖3-3 三款指數(shù)型電位器

這三款電位器的實(shí)測(cè)結(jié)果都不是很理想，比如最左側(cè)的直滑指數(shù)電位器的測(cè)試數(shù)據(jù)：

                                                     圖3-4 直滑式指數(shù)電位器測(cè)試圖

雖然指數(shù)電位器離預(yù)期的效果相差很遠(yuǎn)，不過(guò)還是計(jì)劃做一個(gè)出來(lái)看看實(shí)際效果，說(shuō)不定碰到的一些問題是有辦法解決的。

首先要精確描繪出指數(shù)電位器的阻值-位置曲線圖，此時(shí)需要一塊面板來(lái)固定電位器并標(biāo)記好刻度。

                                   圖4-1-1 裝配1

如上圖，找來(lái)一塊易于加工的紙板來(lái)作為面板，另一塊洞洞板作為底板，后期的電路都將安裝在洞洞板上。

為了便于后期的組裝將電位器都安裝到前面板上。

                                 圖4-1-2 裝配2

旋轉(zhuǎn)電位器自帶固定螺母在面板上挖兩個(gè)洞即可安裝，直滑電位器通過(guò)一塊小底板固定到面板上。

安裝后的側(cè)視圖如下：

                                            圖4-1-3 裝配3

前面板上的電位器通過(guò)導(dǎo)線和底板上的電路連接。

                                               圖4-1-4 裝配4

裝配好并繪制好刻度標(biāo)識(shí)的效果如下：

                                                圖4-1-5 裝配5