如何用示波器測量雙向直流電源電流環(huán)的幅頻特性？

用示波器測量雙向直流電源電流環(huán)的幅頻特性，需通過頻率掃描法或脈沖注入法激勵電流環(huán)，并利用示波器的頻譜分析功能（FFT）或外部頻譜分析儀捕獲響應信號的幅值與相位，進而繪制幅頻特性曲線。以下是詳細步驟與關鍵方法：

一、實驗原理

雙向直流電源的電流環(huán)幅頻特性反映了其對不同頻率輸入信號的增益（幅值響應）和相位響應。通過注入正弦波或脈沖信號，測量輸出電流的幅值和相位隨頻率的變化，可得到幅頻特性曲線（Bode圖）。關鍵步驟包括：

1. 頻率掃描：從低頻到高頻逐步改變輸入信號頻率。
2. 幅值測量：記錄輸出電流的穩(wěn)態(tài)幅值（或峰值）。
3. 相位測量：比較輸入與輸出信號的相位差。
4. 歸一化處理：將幅值轉換為分貝（dB），相位轉換為角度。

二、所需設備與工具

1. 雙向直流電源：支持輸出電壓/電流可調，具備穩(wěn)定輸出能力。
2. 示波器：
   • 高帶寬（≥電源開關頻率的5倍，如100kHz電源需≥500MHz帶寬）。
   • 高采樣率（≥5倍信號最高頻率，如1MHz采樣率對應200kHz信號）。
   • 具備FFT功能或支持外部頻譜分析儀連接。
   • 雙通道輸入（用于同時捕獲輸入/輸出信號）。
3. 信號發(fā)生器：生成正弦波或脈沖信號（頻率可調，幅值穩(wěn)定）。
4. 電流探頭：測量輸出電流（如AC電流探頭，帶寬≥100kHz）。
5. 負載：可調電阻/電感/電容負載，或電子負載（支持動態(tài)負載模擬）。
6. 隔離變壓器/隔離探頭（可選）：避免地環(huán)路干擾。

三、操作步驟

1. 搭建測試電路

• 連接方式：
  • 將雙向直流電源輸出端連接至負載（如電阻Rload或RLC負載）。
  • 使用信號發(fā)生器在電源輸出端串聯注入小信號正弦波（如幅值10mA、頻率可調）。
  • 用電流探頭測量輸出電流Iout(t)，同時用示波器另一通道捕獲輸入信號Vin(t)（如電壓信號，需通過電阻分壓或電壓探頭測量）。
• 注意事項：
  • 注入信號幅值需足夠?。?lt;額定電流的5%），避免電源進入非線性區(qū)（如限流保護）。
  • 若負載為非線性（如開關電源輸入端），需使用線性負載（如電阻）或分段測量。

2. 配置示波器

• 通道設置：
  • 通道1：捕獲輸入信號Vin(t)（電壓或電流）。
  • 通道2：捕獲輸出電流Iout(t)。
  • 設置垂直刻度使信號幅值在量程內（如電流≤100mA）。
• 觸發(fā)模式：
  • 選擇外部觸發(fā)（同步信號發(fā)生器輸出）或邊沿觸發(fā)（穩(wěn)定捕獲信號）。
• FFT設置：
  • 啟用FFT功能，設置窗口函數（如漢寧窗）以減少頻譜泄漏。
  • 調整頻率范圍（Span）和分辨率帶寬（RBW），確保覆蓋目標頻率范圍（如1Hz~100kHz）。

3. 頻率掃描與數據采集

• 手動掃描：
  1. 設置信號發(fā)生器輸出低頻正弦波（如1Hz），記錄輸入/輸出信號的幅值和相位。
  2. 逐步增加頻率（如1Hz→10Hz→100Hz→…→100kHz），重復測量。
• 自動掃描（推薦）：
  • 使用信號發(fā)生器的頻率掃描功能（如從1Hz到100kHz，步進1Hz，駐留時間100ms）。
  • 示波器設置為“滾動模式”或“連續(xù)采集”，自動記錄各頻率點的幅值和相位。

4. 數據處理與分析

• 幅值計算：
  • 從FFT結果中讀取輸出電流的峰值幅值（Vout_peak）。
  • 計算增益（dB）：
    G(dB)=20log10(Vin_peakVout_peak)
• 相位計算：
  • 通過示波器的光標功能或相位測量工具，讀取輸入/輸出信號的相位差（φ）。
• 繪制Bode圖：
  • 以頻率（對數坐標）為橫軸，增益（dB）為縱軸繪制幅頻特性曲線。
  • 以頻率（對數坐標）為橫軸，相位（度）為縱軸繪制相頻特性曲線。

四、替代方法：脈沖注入法

若信號發(fā)生器不支持頻率掃描，可用脈沖信號替代：

1. 注入脈沖信號：生成窄脈沖（如上升時間≤1μs，幅值10mA）。
2. 捕獲時域響應：用示波器記錄輸出電流的階躍響應。
3. FFT分析：對時域波形進行FFT變換，得到頻域幅值和相位。
4. 注意事項：脈沖信號需足夠窄以覆蓋高頻成分，但需避免高頻噪聲干擾。

五、驗證與調試

1. 檢查信號質量：
   • 確保輸入信號無失真（如正弦波無諧波）。
   • 輸出信號幅值穩(wěn)定，無噪聲干擾。
2. 校準探頭：
   • 使用標準信號源校準電流探頭和電壓探頭，減少測量誤差。
3. 重復測量：
   • 對同一頻率點多次測量取平均值，提高數據可靠性。

六、關鍵注意事項

1. 小信號注入：避免電源進入非線性區(qū)，確保測量結果反映線性特性。
2. 地環(huán)路隔離：使用隔離探頭或隔離變壓器減少噪聲干擾。
3. 負載匹配：若負載為非線性，需分段測量或使用線性負載。
4. 示波器帶寬：確保示波器帶寬足夠高，避免高頻信號衰減。
5. FFT分辨率：調整FFT的頻率范圍和分辨率帶寬，平衡頻率覆蓋與精度。

七、示例數據記錄表

通過上述方法，可準確測量雙向直流電源電流環(huán)的幅頻特性，為系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和控制器設計提供依據。