周波数応答解析とは何ですか?
エンジニアは、ボード アナライザーとも呼ばれる周波数応答アナライザーを使用して、掃引正弦波で被測定デバイス (DUT) を駆動し、振幅応答と位相応答を記録します。出力電圧を入力電圧と比較することにより、電気、機械、光学システムの伝達関数を測定できます。
一般にボード線図と呼ばれる、周波数の関数としてのシステムの振幅と位相応答のグラフを使用して、エンジニアは制御システムの閉ループ応答の最適化、非線形システムの共振動作の特性評価、フィルターの設計、帯域幅の測定を行うことができます。さまざまな電子部品または光学部品の。
エンジニアはどのような種類のシステムを研究するために周波数応答解析を使用しますか?
科学者やエンジニアは、フィルター、アンプ、マッチングネットワークなどの振幅応答と位相応答を視覚化します。これは、システムの伝達関数を観察してプロットするための集積回路の設計における重要なステップです。科学者は、伝達関数に加えて、さまざまな周波数にわたるゲイン、減衰、共振、帯域幅、位相遅れを決定できます。 [1]
周波数応答解析プロットを理解する
掃引正弦波信号を使用すると、DUT がさまざまな入力周波数にどのように応答するかを観察できます。図 1 に示すボード線図では、上半分はゲイン (db) 対周波数 (Hz) を示し、下半分は位相 (°) 対周波数 (Hz) を示します。広範囲の周波数を観察するために、周波数は対数スケールでプロットされます。
図 1: Moku:Pro 周波数応答アナライザ 上部に振幅と周波数の関係、下部に位相と周波数の関係を 100 Hz から 10 MHz まで表示します。
周波数応答アナライザーの使用方法
周波数応答解析を使用してアンプとフィルターの DUT 帯域幅を見つける
周波数応答アナライザは、アンプやフィルタの帯域幅を特定するためによく使用されます。フィルタの場合、-3 dBポイントはQ値と、フィルタが所望の周波数範囲外の信号をどの程度減衰させるかに関する情報を提供します。アンプの場合、-3 dBポイントは、エンジニアがデバイスの動作範囲を特定し、ロールオフ特性を観察することを可能にします。[2]
周波数応答アナライザーのプロットを段階的に読み取って -3 dB ポイントを見つける方法は次のとおりです。
- 振幅プロットを調べて、-3 dBポイントを特定します。これはDUTの半電力点とも呼ばれ、出力電力がピーク値の半分に低下したことを意味します。これはDUTのカットオフ周波数に相当します。
- カーソルを使って最大振幅値を見つけます。別のカーソルを使って、振幅が3dB減少した箇所を見つけます。
- この -3 dB ポイントに対応する周波数を読み取り、帯域幅を特定します (図 2)。
図 2: 周波数応答解析によって特定された 1 kHz ～ 100 kHz のバンドパス フィルター。
周波数応答解析を使用して共振周波数を決定する
周波数応答アナライザを使用して光学デバイスの共振周波数を特定する場合、研究者は信号伝送を測定するときに振幅プロットのピークを探し、反射を測定するときにディップを探します。これらの山または谷は、光学システムが印加された入力信号に対して高い応答を示す周波数に対応します。共振周波数を特定すると、研究者は、場合によっては PID コントローラーを使用した制御システムを使用して、共振の影響を最小限に抑えることができます。
考慮すべき重要な周波数応答アナライザー設定
周波数応答アナライザを選択するときは、周波数範囲、データ ポイントの数、ノイズや飽和の影響を最小限に抑えるための詳細設定などの設定と仕様に注意してください。スイープのポイント数を増やすと、測定の周波数分解能が向上し、より広い周波数範囲にわたってより狭い特徴をキャプチャできるようになります。セトリング時間は、スイープの各周波数で測定を実行する前に機器が待機する時間を決定します。この設定は、Q 値が高い共振システムの特性を評価する場合に特に重要であり、測定間で励起を安定させることができます。非共振システムでは、ケーブルの伝送遅延を考慮するためにセトリング時間を使用できます。
モクなどのいくつかの楽器 周波数応答アナライザには、測定効率をさらに最適化するための高度な設定が含まれています。ダイナミック振幅設定は、対応する入力で飽和が検出されたときに出力信号の振幅を自動的に低減することにより、ダイナミック レンジを最大化します。一部の周波数応答アナライザはデータの周囲に振幅制限エンベロープを配置しますが、これにより測定のダイナミック レンジが制限されます。スイープ内の各ポイントを動的に調整することで、高いダイナミック レンジを維持しながら飽和を防ぐことができます。
結論
エレクトロニクス試験、光学およびフォトニクス研究などで周波数応答解析を実行する方法は他にもたくさんあります。周波数応答解析を使用すると、科学者やエンジニアは次のような測定を行うことができます。 インピーダンス の三脚と Sパラメータ 〜へ 閉ループゲイン、位相余裕、ループ外乱除去性能の特性を評価しながらレーザーロックを行う。個々のデバイスのパフォーマンスを考慮すると、最高品質の結果を確実に得ることができます。
[1] 「バンドパス フィルターのボード線図と解析」、resources.pcb.cadence.com。 https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-bandpass-filter-bode-plot-and-analysis
[2] 「品質係数と帯域幅 – フィルター – 基本エレクトロニクス」、ecstudiosystems.com。 https://ecstudiosystems.com/discover/textbooks/basic-electronics/filters/quality-factor-and-bandwidth/
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