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技術(shù)專題
模擬電子掃頻測試
時域和頻域仿真是檢查電子設備行為的兩個基本工具。顧名思義，時域分析就是要檢查特定信號隨時間的變化，而不管其帶寬如何。這使您可以全面了解時域中的電路行為，并且有機會通過比較輸入和輸出信號來量化諸如信號失真和衰減之類的東西。
模擬工程師通常在頻域工作。設計模擬電子設備的目的是在電路中操縱不同的頻率，這些模擬中使用的基本工具是掃頻測試。當您訪問具有經(jīng)過驗證的組件模型的功能強大的電子模擬器時，可以檢查系統(tǒng)如何響應不同的頻率。
何時使用掃頻測試
掃頻測試無疑是在模擬電子領(lǐng)域。目的是分析輸入單色信號如何受到電路中不同組件的影響。然后，將輸入信號的頻率掃描到某個所需范圍，并記錄每個輸入頻率值的輸出電壓或電流。具有電抗組件的電路還將對信號施加相移，并且相移會與輸出電壓/電流的大小一起記錄下來。
通常可以使用線性時不變電路執(zhí)行掃頻測試，而無需調(diào)用電路行為的任何近似值。非線性電路可通過其他一些高級分析進行檢查（請參見下文）。無源組件已經(jīng)在模擬器中定義，但是您也可以使用模擬器中經(jīng)過驗證的組件模型來評估具有集成電路的電路。掃頻測試的結(jié)果可通過以下方式使用：
構(gòu)造一個傳遞函數(shù)。這是掃頻的最常見用途。該傳遞函數(shù)是等于輸出電壓在每個頻率由輸入電壓分割。傳遞函數(shù)的大小和相位在其自己的圖中繪制。
提取電路的輸入阻抗。只需將輸入電壓頻譜除以進入等效電路的電流即可獲得輸入阻抗頻譜。
識別電路的帶寬。當輸入導納的幅度以對數(shù)刻度繪制時，您可以提取電路的帶寬。帶寬通常定義為導納比峰值導納下降3 dB的頻率。
示例放大器電路提供的增益。可以從頻率掃描測試結(jié)果中的3 dB點輕松提取帶寬。
與時域分析相比，掃頻測試具有一些重要的優(yōu)勢。在時域中檢查信號需要手動提取特定輸入頻率下的阻抗和相位差，這非常耗時。
然而，時域分析對于檢查寬帶信號如何受到線性電路的影響是有利的。您可以在時域中疊加并直接比較兩個信號。對于帶有任意信號的非線性電路，您需要使用更高級的技術(shù)來了解電路的頻率行為相關(guān)行為。
非線性電路：頻率掃描失敗的地方
僅針對線性時不變電路或在線性狀態(tài)下運行的非線性電路定義了掃頻測試，因此非線性電路需要更復雜的技術(shù)來了解電路性能。當我們說一個電路是“非線性的”時，我們的意思是輸出電壓/電流是輸入電壓/電流的非線性函數(shù)。即使在非線性電路中，輸出頻率通常也是輸入頻率的線性函數(shù)。
由于在輸入信號中產(chǎn)生了額外的諧波，非線性電路具有復雜的頻域行為。為了檢查非線性電路的頻率相關(guān)行為，您需要使用以下分析之一：
小信號分析。這涉及將電路中每個組件的行為近似為輸入的線性函數(shù)。這些近似值僅在某些工作點附近定義，僅對“小”輸入幅度有效。在每個輸入電平上進行掃頻測試時，您可以獲得轉(zhuǎn)換函數(shù)，并且可以構(gòu)建一個圖表，該圖顯示隨著輸入電壓電平變化，轉(zhuǎn)換函數(shù)如何變化。
諧波平衡。這是一個更復雜的仿真，將非線性時不變電路分為其線性部分和非線性部分。隨時間變化的任意信號被分解為其主要頻率分量，該輸入頻譜被傳遞到非線性電路中。非線性部分將在輸出端產(chǎn)生額外的諧波。這與掃頻并不完全相同，但是您可以迭代不同的頻率并為典型的掃頻測試重新創(chuàng)建一些結(jié)果。該技術(shù)比小信號分析功能強大得多，但是需要手動迭代。
對于連續(xù)的時變電路，即電路的行為在時間上平穩(wěn)變化，在考慮系統(tǒng)的初始條件時，您將不得不在時域中工作。仿真結(jié)果可能對系統(tǒng)的初始條件非常敏感，因此需要仔細分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當系統(tǒng)中存在耦合時，您需要仔細分析耦合量如何收斂到平衡解或從平衡解發(fā)散，或者它們是否在相空間中產(chǎn)生極限循環(huán)。這些主題仍然是數(shù)學和工程研究的活躍領(lǐng)域。