電源穩定性分析

Moku:Lab頻率響應分析儀應用指南

在這份應用指南中，我們使用Moku:Lab頻率響應分析儀來測量線性電壓調節器在不同頻率激發下的增益與相位。我們將使用一個注入變壓器把微小信號注入一個反饋回路，觀察兩個不同負載電容的相位裕度

頻率響應分析儀

Moku:Lab的頻率響應分析儀(FRA)通過輸出正弦掃頻信號對被測設備進行激發，同時使用混頻法來測量反饋信號的增益與相位，從而得到設備的傳遞函數。在這個應用指南中，我們會把一個周正弦掃頻信號通過注入變壓器注入到一個線性電壓調節器的反饋回路中，并得到這個系統的相位裕度。

線性電壓調節器通常使用一個反饋回路來保持電壓的額穩定性。我們需要人為注入一個干擾信號，從而測量控制回路的響應。通常情況下，我們通過在其反饋回路中加入一個極小的電阻來實現信號注入與測量。這個電阻也被叫做注入電阻（Rinj）。

同大多數的測量設備一樣，Moku:Lab帶有接地的輸入輸出端。但Rinj通常并不接地，因此，我們需要使用注入變壓器來隔離兩個電路。這個應用指南中，我們使用了來自Picotest的J2101A型注入變壓器。

試驗儀器設置

在這個試驗中，我們使用Picotest VRTS 1.5版本的測試電路板進行測試。圖+一為該電路電路圖。這個電路使用一個分流調節器（U1）來控制一個雙極型晶體管（Q1），將7-10伏左右的電壓轉換到3.3 伏，到R3與R4上。此測試電路提供了多個監測點，以及一個4.99歐姆的注入電阻R2。測試點TP3與TP4則用來連接注入變壓器以及測量探頭。

開關S1可將切換使用不同的兩個100微法的輸出電容。其中，C2為鋁電解電容，C3為鉭質電容器。LED指示燈則是用來顯示該電路是否已導通及正常工作。

圖1: VRTS 1.5設計圖

圖2:實驗設置

圖3:VRTS 1.5近距離放大圖

圖二中展示了Moku:Lab，Picotest注入變壓器以及VRTS 1.5測試電路。圖三中近距離展現了VRTS 1.5以及電源，探頭的連接方法。我們使用Moku:Lab的輸入1的探頭連接至監測點TP4，輸入2的探頭連接至探測點TP3。輸出1用來產生驅動所用的掃頻正弦波，輸入給注入變壓器中，并加載到Rinj上。輸出2并未使用。為測量被測設備的傳遞函數，我們將輸入1與輸入2分別連接到注入電阻的兩端。然后，我們通過Moku:Lab的靈活便捷的iPad用戶界面，即可快速設置數學通道，測量輸入2/輸入1的頻率響應，從而得到被測儀器的傳遞函數。

起始結果

首先，將輸出頻率范圍調節至100赫茲至10兆赫茲，輸出振幅-15dBm。在測試中，我們首先使用鉭質電容器。圖4展示了首次掃頻所得出的結果。

圖4:起始結果

數學通道(橙色)展示了系統的Bode圖。

輸入1 (紅色)和輸入 2(藍色)也分別展示在圖中。

iPad用戶界面提供了方便實用的光標功能。圖中較為明顯的三個峰分別被光標標注。

圖中可以看到較為明顯的噪聲。

實驗優化

我們通過提高提平均測量時間（至少200毫秒或100周期），并些許提高整定時間（至少20毫秒或20周期）的方法提高信噪比。新得到的Bode圖中，信噪比明顯提高。

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圖5:噪聲明顯減少，有些許過載現象

調整平均測量時間與整定時間后，噪聲明顯減少。

在0分貝增益點處，有些許非線性現象。可能是由于過高驅動電壓所導致。

在100-300千赫區間有較為明顯的相位噪聲。

或可以通過減少驅動電壓來提升測量質量。

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圖6:鉭質電容最終Bode圖

我們將驅動電壓改為-30dBm，并將輸入改為交流耦合，1伏峰-峰輸入范圍。

0dBm點已經趨于線性，大約在6.39千赫茲。所得36.9°左右相位裕度。

最后，我們切換開關并檢測鋁電解電容的響應。圖7展示了該電容的Bode圖。

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圖7:鋁電解電容最終Bode圖

0dBm在點大約在8.461千赫茲，相位裕度增長到了75.295°。

總結

在這個應用指南中，我們演示了如何使用Moku:Lab頻率響應分析儀以及注入變壓器來測量線性電壓調節器的頻率響應。通過改變，優化分析儀的輸出電壓，平均時間，我們得到了高信噪比的Bode圖。

通過Bode圖，我們可以看到兩種不同電容的相位裕度。Moku:Lab擁有快捷方便的用戶操作界面，用戶可輕松將采集完數據或屏幕截圖直接上傳到云端或者通過郵件等方式發送，或將采集到的數據直接上傳到電腦上進行分析。