3.4 Измеритель АЧХ и ФЧХ (Bode Plotter)

Лицевая панель измерителя АЧХ-ФЧХ показача рис. 3.7. Измеритель предназначен для анализа амплитудно-частотных(при нажатой кнопке MAGNI-TUDE, включена по умолчанию) и фазочастотных(при нажатой кнопке PHASE) характнристик при логарифмической(кнопка LOGвключена по умолчанию) или линейной(кнопка LIN)шкале по осям Y(VERTICAL) и Х (HORIZONTAL). Настройка измерителя заключается в выборе пределов измерения коэффициента передачи и вариации частоты с помощью кнопок в окошках F- максимальное и I- минимальное значение. Значение частоты и соответствующее ей значение коэфициента передачи или фазы индицируется в окошках в правом нижнем углу измерителя.

Подключение прибора к исследуемой схеме осуществляется с помощью зажимов IN (вход) и OUT (выход). Левые клеммы зажимов подключаются соответственно ко входу и выходу исследуемого устройства, а правые - к общей шине. Ко входу устройства необходимо подключить функциональный генератор или другой источник переменного напряжения, при этом каких-либо настроек в этих устройствах не требуется.

Концепция виртуальных приборов – это простой и быстрый способ увидеть результат с помощью имитации реальных событий. Принцип работы всех инструментов Multisim (подключение к схеме, использование) идентичен принципу работы реальных аналогов этих приборов. Для того, что бы добавить виртуальный прибор в рабочее поле программы, необходимо при помощи левой кнопки мыши нажать на его пиктограмму на панели «Приборы» и разместить его с помощью мыши в необходимом месте на схеме. Для того, что бы отобразить лицевую панель прибора, необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на пиктограмме прибора на схеме. После того как панель откроется, сделайте необходимые настройки подобно тому, как бы вы это сделали на панели реального прибора. Принцип соединения виртуальных инструментов с элементами схемы такой же, как и для других компонентов схемы. Рассмотрим подробно работу с такими виртуальными приборами, как логический анализатор и плоттер Боде.

Логический анализатор

Логический анализатор – это прибор, предназначенный для отслеживания состояния логических элементов цифровых электронных устройств при разработке больших систем, а так же для выявления неисправностей. Для съема сигналов с исследуемой схемы логический анализатор имеет 16 выводов. Помимо этого данный виртуальный прибор оснащен тремя входами запуска: С (внешняя синхронизация), Q (избирательный вход запуска), Т (маскированный вход запуска).

Продемонстрируем работу данного прибора. Для генерации сигналов воспользуемся двумя функциональными генераторами, которые настроим таким образом, чтобы они выполняли генерацию прямоугольных импульсов с разной частотой – в нашем случае 1 kHz и 5 kHz. Подключим выводы функциональных генераторов к выводам съема сигналов логического анализатора при помощи проводников разного цвета, в результате чего прямоугольные импульсы на часовой диаграмме логического анализатора будут отображаться также разными цветами. Запустим симуляцию схемы, откроем лицевую панель логического анализатора. Пиктограмма логического анализатора, подключение к схеме и его лицевая панель представлены на рисунке 1. На рисунке 2 представлены окна настроек функциональных генераторов XFG1 и XFG2.

Рис. 1. Пиктограмма логического анализатора, подключение к схеме и его лицевая панель

Рис. 2. Окна настроек функциональных генераторов XFG1 и XFG2

Рассмотрим лицевую панель логического анализатора более подробно. Шестнадцать переключателей в левой части панели соответствуют шестнадцати каналам съема сигналов. Переключатели становятся активными в том случае, если выводы анализатора подключены к узлам цифровой схемы, в противном случае, когда каналы анализатора свободны – переключатели не активны. В следующей колонке отображены имена узлов схемы соответствующие подключенным к ним каналам анализатора. После запуска симуляции схемы логический анализатор снимает входные значения со своих выводов и отображает полученные данные в виде прямоугольных импульсов на часовой диаграмме во временной области лицевой панели. Вывод значений начинается с канала 1. В нижней части временной области отображаются сигналы, полученные с входов запуска анализатора. Так же прибор оснащен двумя курсорами, предназначенными для проведения измерений во временной области. В нижней части лицевой панели рассматриваемого прибора расположена панель управления, в левой части которой находятся три кнопки:

«Стоп» (остановить анализ);
«Сброс» (очистить экран временной области);
«Экран» (инвертировать цвет экрана временной области).

В центральной части панели управления находится окно показаний курсора, в котором расположены три поля:

«Т1» (показания курсора Т1);
«Т2» (показания курсора Т2);
«Т2-Т1» (временной сдвиг между курсорами).

Кнопки стрелок позволяют изменять значения показаний курсора в большую или в меньшую сторону. Код позиции курсора отображается в поле «Входной код», которое расположено за полем показаний курсора.

В правой части панели управления находится окно параметров запуска, в котором в поле «Время/Дел» можно задать число тактов часовой диаграммы на деление. Настройку параметров тактирования входных сигналов можно произвести при помощи кнопки «Установка», которая расположена в группе «Развертка» окна параметров запуска. После нажатия на эту кнопку откроется окно «Установки синхронизации» (рис. 3), в котором настраиваются следующие параметры:

«Источник» - источник синхроимпульсов (внешний или внутренний), параметр задается посредством установки переключателя в нужную позицию;
«Тактовая частота» – устанавливается путем ввода значения с клавиатуры в данное поле;
«Определитель» – задается активный уровень сигнала синхронизации (0 или 1);
«Дискретизация» – задаются параметры выборки сигналов до порога, после порога, а так же пороговая величина.

Рис. 3. Окно «Установки синхронизации»

Настройка дополнительных условий запуска анализатора производится в окне «Установки запуска» (рис. 4). Данное окно можно вызвать из окна параметров запуска при помощи кнопки «Установка», которая находится в группе «Уровень». В окне настраивается маска, по которой осуществляется фильтрация логических уровней и синхронизация входных сигналов. Для вступления в силу внесенных изменений необходимо нажать на кнопку «Принять».

Рис. 4. Окно «Установки запуска»

Плоттер Боде.

Плоттер Боде предназначен для анализа амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик и представления их в линейном или логарифмическом масштабе. Наиболее полезен данный инструмент для анализа схем фильтров. Плоттер Боде имеет четыре вывода: два вывода IN и два вывода OUT. Подключение прибора к исследуемой схеме осуществляется при помощи выводов отмеченных значком «+» (вывод IN «+» подключается к входу схемы, вывод OUT «+» – к выходу), выводы «–» подключаются к общей шине.

Рассмотрим более подробно лицевую панель прибора. В ее левой части расположен графический дисплей, который предназначен для графического отображения формы сигнала. Так же прибор оснащен курсором для проведения измерений в любой точке графика, курсор при необходимости можно перемещать при помощи левой кнопки мыши. Управлять положением курсора можно так же и при помощи стрелок перемещения вертикального курсора, которые расположены в нижней левой части лицевой панели плоттера Боде под графическим дисплеем. Между стрелками находятся два информационных поля, в которых отображаются значения частоты и фазы (или коэффициента передачи), полученные на пересечении вертикального курсора и графика. В правой части находится панель управления, предназначенная для настройки параметров плоттера Боде. Рассмотрим данную панель более подробно. В верхней части панели находится поле «Режим», в котором размещено две кнопки: «Амплитуда» и «Фаза». При нажатой кнопке «Амплитуда» прибор работает в режиме анализа амплитудно-частотных характеристик. При нажатой кнопке «Фаза» – в режиме анализа фазо-частотных характеристик. В полях «По горизонтали» и «По вертикали» можно задать параметры горизонтальной и вертикальной осей координат при логарифмической или линейной шкале. Логарифмическая шкала используется в том случае, если сравниваемые значения имеют большой разброс, как например, в случае анализа амплитудно-частотой характеристики. Переключение шкалы производится при помощи кнопок «Log» (логарифмическая) и «Лин» (линейная). Масштаб горизонтальной (ось Х) и вертикальной (ось Y) осей определяется начальным («I» - initial) и конечным («F» - final) значениями. На экране графического дисплея плоттера Боде по оси Х всегда отображается частота. При измерении коэффициента передачи ось Y отображает отношение выходного напряжения схемы к его входному напряжению. Для логарифмической шкалы единицы – децибелы. В том случае если измеряется фаза, вертикальная ось всегда показывает угол фазы в градусах. При анализе амплитудно-частотной характеристики диапазон значений по вертикальной оси может быть задан в линейном масштабе от 0 до 10е+09, в логарифмическом масштабе – от –200 dB до 200 dB. При анализе фазо-частотной характеристики диапазон значений по вертикальной оси может быть задан от –720 градусов до +720 градусов. Пример подключения плоттера Боде к схеме фильтра и лицевая панель данного прибора представлены на рисунке 5.

Рис. 5. Пример подключения плоттера Боде к схеме фильтра и лицевая панель данного прибора

В поле «Управление» лицевой панели прибора расположены три кнопки:

«Экран» – данная кнопка предназначена для инверсии цвета графического дисплея (черный/белый);
«Сохранить» – кнопка предназначена для сохранения результатов измерений в файл на диск в формате.bod (формат плоттера Боде) или.tdm (двоичный файл);
«Уст…» - кнопка предназначена для выбора разрешающей способности плоттера Боде. После нажатия на кнопку «Уст…» открывается диалоговое окно «Установки» (рис. 6), в котором в поле «Разрешающая способность» можно установить необходимое количество точек разрешения в диапазоне от 1 до 1000 и для того, что бы изменения вступили в силу, нажать на кнопку «Принять». В нижней части панели управления плоттера Боде расположено четыре переключателя («Вх +», «Вх –», «Вых +», «Вых –»), которые отображают наличие подключения выводов плоттера Боде к исследуемой схеме.

Рис. 6. Диалоговое окно «Установки».

Перед тем как запустить симуляцию схемы в Multisim необходимо обратить внимание на то, чтобы используемые в схеме виртуальные приборы были правильно настроены. Данное замечание является достаточно важным, так как в некоторых случаях установка параметров по умолчанию может не подходить для вашей схемы, а установка пользователем некорректных параметров может стать причиной того, что полученные результаты окажутся неверными или трудно читаемыми. При возникновении проблем в процессе симуляции схемы, возникшие ошибки записываются в файл журнала ошибок и аудита, который можно просмотреть, выбрав в основном меню «Моделирование» пункт «Журнал моделирования/анализа». Необходимо отметить, что настройки виртуальных приборов можно изменять и во время симуляции.

Измеритель АЧХ и ФЧХ (Bode Plotter)

Измеритель диаграмм Боде (или потер Боде) предназначен для измерения АЧХ и ФЧХ электрических цепей.

Лицевая панель измерителя АЧХ-ФЧХ (измерителя диаграмм Боде) показана на рис. 1.12.

Измеритель позволяет проводить анализ амплитудно-частотных характеристик (при нажатой кнопке MAGNITUDE, включена по умолчанию) и фазочастотных (при нажатой кнопке PHASE) характеристик при логарифмической (кнопка LOG включена по умолчанию) или линейной (кнопка LIN) шкале по осям Y (VERTICAL) и Х (HORIZONTAL). Настройка измерителя состоит в выборе пределов измерения коэффициента передачи и вариации частоты с помощью кнопок в окошках А – максимальное и I – минимальное значения. Значение частоты и советующее ей значение коэффициента передачи или фазы индицируется в окошках в правом нижнем углу измерителя.

Подключение прибора к исследуемой схеме осуществляется с помощью зажимов IN (вход) и OUT (выход). Левые клеммы зажимов подключаются, соответственно, к входу и выходу исследуемого устройства, а правые – к общей шине. К входу устройства необходимо подключить функциональный генератор или другой источник переменного напряжения, при этом каких-либо настроек в этих устройствах не требуется.

2. Практическая часть

1. Измерить параметры сигнала генератора гармонических колебаний с помощью осциллографа и вольтметра. 1.1. Собрать схему измерения (рис. 1.13).

1.1.1. Нарисовать п отчете временную диаграмму гармонического сигнала с амплитудой U m = 5 В и частотой /= 2 кГц, показав единицы измерения по осям, а также амплитуду и период.

1.2. Установить на выходе i-енератора гармонический сигнал с амплитудой U M = 5 В и частотой/^ 2 кГц.

1.3. Получить на экране осциллографа устойчивое, неограниченное сверху, по оси К, изображение 2-3 периодов гармонического сигнала в пределах всего экрана по оси X.

Это достигается путем регулировки чувствительности канала А по оси У (переключатель В/Дел), времени развертки но оси X (переключатель Время/Дел) и установки осциллографа в режим внутренней синхронизации по каналу А с запуском развертки но положительному перепаду входного сигнала.

1.4. Измерить осциллографом амплитуду U m гармонического сигнала. Измерение амплитуды сводится к расчету её по формуле (рис. 1.14)˸

Vm – К у , где Н т амплитуда изображения сигнала в делениях шкалы по оси Y, К у масштабный множитель по оси К (значение переключателя В/Дел).

Измерить амплитуду сигнала значительно проще, в случае если перейти в режим увеличенной передней панели осциллографа (нажав кнопку ZOOM). Измерить амплитуду сигнала с помощью визирной линии и сравнить с измеренным значением ранее.

1.5. Измерить вольтметром амплитуду гармонического сигнала. На дисплее мультимстра отображается действующее (эффективное) значение переменного напряжения 1/ л. Амплитуду сигнала рассчитать по формуле˸

и сравнить с измеренным ранее.

1.6. Измерить с помощью осциллографа период и вычислить частоту исследуемого сигнала. Измерение периода сводится к расчету ᴇᴦο по формуле (см. рис. 1.14)˸

Измеритель АЧХ и ФЧХ (Bode Plotter) - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Измеритель АЧХ и ФЧХ (Bode Plotter)" 2015, 2017-2018.

Совет : «Плоский» сигнал не будет пересекать уровень переключения. Чтобы увидеть «плоский» сигнал, убедитесь, что переключение сигнала установлено в Auto .

Trigger Signal (переключающий сигнал)

Переключающий сигнал может быть внутренним, со ссылкой на входной сигнал канала А или В, или внешним, со ссылкой на сигнал на выводе внешней синхронизации. Если этот сигнал «плоский», или если сигнал должен быть отображен как можно раньше, выберите

Auto.

Используйте кнопку Sing. , чтобы обеспечить триггеру осциллографа единственный проход до встречи с точкой переключения. Когда кривая достигнет конца экрана осциллографа, кривая не изменится пока вы вновь не щелкните по кнопке Sing.

Используйте кнопку Nor. , чтобы осциллограф обновлял каждый раз изображение при достижении уровня переключения.

Используйте кнопку None , если вам не нужно использовать переключение.

8.7.2 Обзор результатов работы осциллографа

Использование Cursors и Readouts (показания прибора)

Чтобы отобразить точные значения сигнала, перетащите курсор, пока не появится нужное значение. Вы можете также перемещать курсор точнее правым щелчком мышки по нему и использованием всплывающего меню. См. «Всплывающее меню курсора».

Окно под дисплеем показывает время и напряжение в проверяемой точке, где вертикальный курсор пересекает синусоидальную кривую, и разность между двумя положениями.

Когда схема активизирована и ее поведение симулируется, вы можете подключать осциллограф к другим узлам без повторной активизации схемы. Перемещение подключения автоматически перерисовывает форму сигнала в новых узлах. Если вы хорошо настроили осциллограф во время симуляции или после симуляции, дисплей обновляется автоматически.

Примечание: Если опции установки осциллографа или анализа изменились, чтобы отобразить больше деталей, форма сигнала может стать неразборчивой. Если так, активизируйте схему вновь, чтобы изображение улучшилось. Вы можете также увеличить точность сигнала, увеличивая время шага симуляции, как объясняется в разделе «Установки интерактивной симуляции».

8.8 Плоттер Боде

Чтобы использовать инструмент, щелкните по кнопке Bode Plotter на панели Instruments и щелкните по месту, где нужно расположить иконку в рабочей области. Иконка

используется для подключения плоттера к схеме. Двойной щелчок по иконке открывает панель инструмента, которая используется для ввода установок и просмотра результата измерения.

Multisim User Guide

Плоттер Боде производит график частотную характеристику схемы и более всего полезен для анализа схем фильтров. Плоттер используется для построения амплитудно- и фазочастотных характеристик. Когда плоттер подключается к схеме, выполняется спектральный анализ.

Примечание: С помощью кнопки Save плоттера Боде в можете сохранить результаты симуляции в окне Grapher . Детально это описано в разделе «Открытие файлов».

Плоттер Боде генерирует ряд частот в заданном спектре. Частота любого источника AC в схеме не сказывается на работе плоттера. Однако источник AC должен включен где-нибудь в схеме.

Начальное и конечное значения масштаба по вертикали и горизонтали предустановлены в максимум. Эти значения могут меняться для просмотра графика в разных масштабах. Если масштаб увеличивался или менялась база после окончания симуляции, вам может понадобится повторная активизация схемы, чтобы получить более детальное изображение. В отличие от многих приборов, если выводы плоттера Боде переносятся к другим узлам, необходимо заново активизировать схему, чтобы получить правильные результаты.

Примечание: Если вы не знакомы с подключением и настройкой инструментов, см. «Добавление инструментов к схеме» и «Использование инструментов».

8.8.1 Установки плоттера Боде

Диалоговое окно Resolution Points - Settings

Для установки разрешения вашего плоттера Боде:

1. Щелкните по Set , чтобы отобразить диалог Settings .

2. Введите нужное количество Resolution Points (точек разрешения) и щелкните Accept .

National Instruments Corporation

Multisim User Guide

Величина или фаза (Magnitude или Phase)

Magnitude измеряет отношение величины (усиления напряжения в децибелах) между двумя узлами, V+ и V-. Фаза измеряет сдвиг фаз (в градусах) между двумя узлами. Обе кривые в зависимости от частоты (в Гц).

Если V+ и V- единственные точки в схеме:

1. Подключите положительный вывод IN и положительный вывод OUT к соединителям V+ и V-.

2. Подключите отрицательные выводы IN и OUT к земле.

Если V+ (или V-) это значение величины или фазы через компонент, подключите оба вывода IN (или оба вывода OUT ) с любой стороны компонента.

Установки вертикальной и горизонтальной осей

Базовые установки

Логарифмическая шкала используется, когда сравниваемые значения имеют большой разброс, как в случае анализа частотной характеристики. Например, если измеряемое напряжение сигнала усиливается, значение в децибелах вычисляется так:

Базовый масштаб может быть изменен с логарифмического (Log) на линейный (Lin) без повторной активизации схемы (только, когда используется логарифмическая шкала в результирующем графике, относящемся к плоттеру Боде).

Масштаб по горизонтальной оси

Горизонтальная ось или ось X всегда показывает частоту. Ее масштаб определяется начальным (I) и конечным (F) значениями горизонтальной оси. Чтобы частота отвечала требованиям анализа часто используют больший частотный диапазон или логарифмическую шкалу.

Примечание: Когда устанавливается масштаб по горизонтальной оси, начальная частота (I ) должна быть меньше, чем конечная частота (F ).

Масштаб по вертикальной оси

Единицы и масштаб по вертикальной оси зависят от того, что измеряется, и используемой базы, как показано в таблице ниже.

National Instruments Corporation

Лицевая панель измерителя АЧХ-ФЧХ показана на рис. 19. Измеритель предназначен для анализа амплитудно-частотных (при нажатой кнопке MAGNITUDE, включена по умолчанию) и фазо-частотных (при нажатой кнопке PHASE) xaрактеристик при логарифмической (кнопка LOG, включена по умолчанию) или линейной (кнопка LIN) шкале по осям Y (VERTICAL) и Х (HORIZONTAL). Настройка измерителя заключается в выборе пределов измерения коэффициента передачи и вариации частоты с помощью кнопок в окошках F – максимальное и I – минимальное значение.

Значение частоты и соответствующее ей значение коэффициента nepедачи или фазы индицируются в окошках в правом нижнем углу измерителя. Значения указанных величин в отдельных точках АЧХ или ФЧХ можно получить с помощью вертикальной визирной линии, находящейся в исходном состоянии в начале координат и перемещаемой по графику мышью или кнопками ←, →. Результаты измерения можно записать также в текстовый файл. Для этого необходимо нажать кнопку SAVE и в диалоговом окне указать имя файла (по умолчанию предлагается имя схемного файла). В полученном таким образом текстовом файле «*.scp» АЧХ и ФЧХ представляются в табличном виде.

Рис. 19. Измеритель АЧХ и ФЧХ.

Подключение прибора к исследуемой схеме осуществляется с помощью зажимов IN (вход) и OUT (выход). Левые клеммы зажимов подключаются соответственно к входу и выходу исследуемого устройства, а правые – к общей шине (земля). Ко входу устройства необходимо подключить функциональный генератор или другой источник переменного напряжения, при этом каких-либо настроек в этих устройствах не требуется.

Спектральный анализатор

Спектральный анализатор (spectrum analyzer) служит для измерения амплитуды гармоники с заданной частотой. Также он может измерить мощность сигнала и частотных компонент, определить наличие гармоник в сигнале. Результаты работы спектрального анализатора отображаются в частотной области, а не временной. Обычно сигнал- это функция времени, для её измерения используется осциллограф. Иногда ожидается синусоидальный сигнал, но он может содержать дополнительные гармоники, в результате, невозможно измерить уровень сигнала. Если же сигнал измеряется спектральным анализатором, получается частотный состав сигнала, то есть определяется амплитуда основной и дополнительных гармоник.