首页/文章/ 详情

不降频,不改PCB,不调电路参数,如何抑制振铃呢?

3月前浏览1375


前段时间公 众号上发的“叼图系列”,有同学在问“还有后续吗?”,当然有,只不过我比较磨叽。毕竟发原创比较费时间,大部分时间还是要搬砖。现在子弹飞的时间差不多了,我们来一起来看下问题。


如下图所示,细心的同学也可以多研究下评论区的留言。留言质量很高的,都不用我讲太多,问题基本就解决了。



   

一道问题


   

   


文章开头图片中,激励源VG1是2MHz的方波,经过L1和C1,输出端VF2的边沿有明显的振铃。问在此电路基础上,不调激励源频率,不调L和C数值,如何抑制振铃?


这个问题,在现实的问题调试中很常见。我们经常遇到PCB已经做好,板子也贴好,上电测试发现某驱动信号波形很差劲,有明显振铃。怎么办?

①调整电路参数;-->要改BOM,已贴好的板子都要返工改制;

②增加抑制振铃电路;-->要改PCB,重新打板,浪费时间和钱;

③降频;-->降低激励源频率是常见的SI调试手段,但现实条件未必允许。频率通常是在设计阶段提前规划好,牵一发则动全身。


这些都不行,怎么办呢?今天我们就来一起探讨一下……


   

激励源的频谱


   

   


前面仿真我们用的激励源是2MHz的方波,上升沿为2ns。我们依然使用TINA-TI进行仿真,选用“示波器”来看激励源的时域信号,选用“信号分析仪”来看信号的频谱。仿真结果如下图所示:



我们再把频谱的图片单独拉出来看下。



可能单看这个图,可能看不出来什么,不妨我们标记2组数据。



第一组:光标a处是5.82MHz,对应的幅值为-7.53dB;光标b处是58.2MHz,对应的幅值为-27.89dB,两者相差约20dB。



第二组:光标a处是365MHz,对应的幅值为-56.84dB;光标b处是3.65GHz,对应的幅值为-95.4dB,两者相差约40dB。


说到这里,有点同学可能想起来一些内容。对了,就是梯形波频谱的包络渐近线。现实中的方波,都不会是理想的方波,会存在一定上升沿和下降沿,即便是ns级,ps级,依然可以看做是梯形波。所以,理解梯形波频谱的包络渐近线,具有广泛的指导意义。


   

梯形波的频谱包络渐近线


   

   



梯形波的频谱包络由3条渐近线和2个分界点围城:

①渐近线0dB/10dec:在0~f1范围内;

②渐近线-20dB/10dec:在f1~f2范围内;

③渐近线-40dB/10dec:在大于f2的范围内;

④分界点f1:1/πtw;

⑤分界点f2:1/πtr;

tw为梯形波的脉冲宽度,tr为梯形波的脉冲上升沿时间


在我们了解梯形波包络渐近线后,我们可以通过调整tw和tr来调整梯形波的频谱包络。


在不改变激励源频率的前提下,我们尝试把上升沿从2ns调整为10ns,再看下




对比tr=2ns和tr=10ns的频谱包络,可以粗略看出在高频段幅值有明显跌幅。此时我们可以重点关注下分界点f2(1/πtr),定量来分析。



tr=2ns时,可以粗略计算出f2=159MHz。即:当频率大于159MHz时,频率分量的幅值才以-40dB/dec的速率减小。

tr=10ns时,可以粗略计算出f2=31.8MHz。即:当频率大于31.8MHz时,频率分量的幅值就开始以-40dB/dec的速率减小。


从上图中,确实可以看出这样的趋势。当上升沿从2ns增大到10ns后,频谱以-40dB/dec速率下降的频点明显提前(从159MHz提前到31.8MHz)。


   

再结合电路分析


   

   


前面我们花了大量的篇幅来分析激励源的频谱,并对包络渐近线进行了定量解析,这只是对电路激励源的分析。我们再结合电路来看。



LC电路的频率增益曲线,如上图所示,相信各位同学并不陌生。谐振点的位置在689MHz附近。这个谐振频率属于电路的硬件特性,不会随着激励源的频率、上升沿变化而变化。不论激励源tr是2ns还是10ns,LC电路的谐振频率和Q值是不变的。


结合上一小节的结论,我们可以知晓:tr从2ns增大到10ns,频谱开始以-40dB/dec速率衰减的频点从159MHz提前到31.8MHz。当频率上升到689MHz附近时,相较于tr=2ns,tr=10ns的激励源频谱衰减的更多,幅值更低。基于LC谐振的选频特性,被选频放大后的幅值也会比tr=2ns的要小。



如上图所示,左侧为tr=2ns的VF1和VF2,右侧为tr=10ns的VF1和VF2。可以看出tr变缓后,输出端的振铃得到了明显的削弱。


强调:这里的振铃只是削弱/抑制,并不是消除。因为上面提到所有动作并没有从根本上改变振荡系统的工作状态,系统依旧处于欠阻尼状态。只是使得进入振荡系统的激励源能量减弱而已。


   

总  结


   

   


先聊到这里,梳理下今天讨论的内容:

①讲述一种实际问题:不能改PCB,不能改电路参数,不能改频率,又需要抑制振铃,如何破局?

②以实际仿真波形来解析梯形波频谱包络及其渐近线;

③以实际仿真波形对比来解析不同tr对应的梯形波频谱包络区别;

④结合电路及仿真来对比不同tr的振铃抑制情况;

⑤最后“强调”的那一段文字,说出了问题本质,尤其重要。


更多关于信号振铃的内容,请关注硬件微讲堂 二火老师 推出的《信号振铃解析》视频课程程搭配理论计算、仿真分析、实测波形,多维度解析振铃,旨在让各位同学能够切实理解和掌握振铃的特性、内在逻辑、危害以及如何抑制。详见文章:《信号振铃解析》视频课程来啦!


课程目录如下:








来源:硬件微讲堂
电路理论
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-08-08
最近编辑:3月前
硬件微讲堂
硕士 签名征集中
获赞 21粉丝 34文章 107课程 0
点赞
收藏
作者推荐

振铃时域波形的振荡频率为啥不是谐振频率689MHz呢?

▼硬件微讲堂▼前段时间,有一个问题《振铃波形的频率为啥不是谐振频率点689MHz呢?》,其实这问题属实有点蹊跷,我也是有些琢磨不透。今天来讨论下,也说下我自己的观点,仅供参考。 一道问题 为了保证每篇文章的独立可阅读性,我们再把问题表述下:电路模型如下图所示,时域波形仿真出来振铃频率是666MHz,但频域的谐振点频率测出来确是689MHz。问:振铃时域波形的振荡频率为啥不是谐振频率点689MHz呢?这个问题,其实我在2022年1月份写《信号振铃遇到过没?来聊聊为啥》时就有疑惑,在文末附加题一中有问类似的问题,但一直也没有找到原因。最近在整理《信号振铃解析》视频,有了一些新的理解,不确定是否正确,这里提出来,和大家探讨下。 再次仿真 由于时间间隔较久,2022年1月份所使用的仿真工程已经找不到。工程不复杂,索性我们重新搭一下。重新仿真,我们看到时域波形,光标卡出来的△x=1.51ns,算出来周期T约为662MHz。之前仿真的△x=1.5ns,算出来周期T为666MHz,相差不大,我们就认为是相同的。看频域波形,光标卡出来的峰值f=723MHz,和之前卡出来的689MHz有些差异,可能是选择的器件属性有些差异。我们不用过多考究这里数值上差异,我们观察下总体情况,发现趋势是相同的:①时域波形振荡频率不等于频域的谐振点频率;②时域波形振荡频率总是小于频域的谐振点频率。为什么? 不成熟的理解 (图片来自Heinrich)如上图所示,我们看到的方波可以拆分成很多个不同频率的正弦波,这些正弦波就是方波的谐波分量。换句话说,我们在时域内看到的波形并不单纯,是合成后的波形。同理,那前面看到的时域振铃波形,也是不单纯的。虽然示波器测出来的频率是666MHz,实际它是多种不同频率分量叠加后表现出来的波形。这种叠加,只会让合成后的波形频率越来越低。就像多个电阻并联,越并联,综合阻值越小。而频域内的谐振频率点,这个只是一个频率分量,很单纯,没有合成,没有叠加。时域振铃波形必然是 谐振点频率分量放大Q倍 和 其相邻频点频率分量放大Qn倍之后叠加出来的。时域波形的振荡频率666MHz也必然是谐振频率与其相邻频点叠加之后表现出来的。注意前面的Q倍和后面的Qn倍数值不同。Q和Qn分别对应LC电路频率增益曲线上各自频率下的纵坐标Y值。基于上述分析,应该可以解释前面提出的问题:为什么时域波形振荡频率不等于且小于频域的谐振点频率。这个问题,分析到这里就结束了?以硬件微讲堂的调性,不会到这里就结束。让我们继续深挖下。 继续挖掘 “振铃时域波形振荡频率小于频域的谐振点频率”,这个现象是否具有普遍性?这好像和大学时课本上教的不一样嗷!我们把激励源调整为2MHz的正弦波,再试试效果。如下图所示,VF1(输入)和VF2(输出)基本重合,没有放大,也没有振铃。什么情况?原来是激励源改为正弦波以后,源头变成了单一频率的正弦波。而在根据电路的频率增益曲线,在2MHz频率下,增益为0dB,即不放大也不缩小。如果我们再把激励源调整为700MHz的正弦波,再看小效果。700MHz的正弦波输入,果真被放大了。而且是放大了很多,示波器每格是20V。所以,出现“振铃时域波形振荡频率小于频域的谐振点频率”的深层次原因在于激励源的不单纯!!!于是,我们可以得出以下结论:①如果激励源是频率单一的正弦波,那么LC谐振电路的输出波形不会出现所谓的“振铃”,因为输出的频率会始终等于激励源的频率,也是正弦波,只是输出波形的幅值和激励源可能存在差异,这个差异取决于对应频点的Q值大小;②如果激励源是复合波形(包含有多种谐波分量),那么LC谐振电路的输出波形状态会比较多样,可能会出现文章开头展示的(高频)振铃。振铃的振荡频率会小于LC谐振电路的谐振点频率,注意这里是必然小于。 总 结 先讨论到这里,我们梳理下今天讨论的内容:尝试解释为什么振铃的时域波形振荡频率不是谐振点频率689MHz。原因:频域内的谐振频率点,只是一个频率分量,单纯,没有合成。而时域内的波形不单纯,是合成后的波形。时域内的振铃波形频率必然包含谐振点的谐波分量,而且是合成的谐波分量越多,频率越低。出现这种情况的更深层次原因:激励源的不单纯。如激励源单纯,根本不会有振铃,更不会有振铃的时域波形。特别说明:上述内容仅为个人观点,供探讨学习。如有表述不当,欢迎交流。来源:硬件微讲堂

未登录
还没有评论
课程
培训
服务
行家
VIP会员 学习 福利任务 兑换礼品
下载APP
联系我们
帮助与反馈