電路傳遞函式的分析與應用

Mondo 科技 更新 2024-01-31

傳遞函式在電路中應用廣泛,通過傳遞函式的推導得到電路中的許多計算公式,電路的幅頻特性和相頻特性也是通過傳遞函式獲得的,因此傳遞函式對電路設計和電路的理解有很大的幫助。

零極點的表示式為:

Pi 稱為 g(s) 的極點,zi 稱為 g(s) 的零點。

假設我們有乙個傳遞函式,其中變數 s 出現在分子和分母中。 在這種情況下,至少乙個 s 值將使分子為零,至少乙個 s 值將使分母為零。 使分子為零的值是傳遞函式的零點,使分母為零的值是傳遞函式的極點。

極點頻率對應於角頻率,其中幅度曲線的斜率為-20db十倍頻程(十倍頻程),相位曲線的斜率為-45°十倍頻程。

零點對應乙個角斜率,幅值曲線的斜率為20dB十倍頻程,相位曲線的斜率為45°十倍頻程。

實際上,傳遞函式是一種代數運算,其中 Ralph 變換獲得 s 域,其中 s 是複數,實際部分表示時間延遲,虛部表示頻率。 通過分析s域的功能,對上述零極點進行處理,還可以獲得訊號的頻率特性和相位特性等資訊,從而更好地理解和處理訊號。

那麼它是如何獲得頻率特性、相位特性的呢?讓我們從複數的概念開始。 對於任意兩個實數 x 和 y,z=x+jy 稱為複數,其中 x 是實部,y 是虛部,j 是區分電路中電流 i 的區別。

z=r(cos +jsin) 是 z 的三角函式形式,其中 r 稱為複數 z 的絕對值或模量,稱為振幅角或相位角,計算如下:

式中,r和s表示幅頻特性和相頻特性。 極點的零點是幅頻特性和相頻特性波形的轉折點。

傳遞函式的特徵如上所述。 傳遞函式的特性可以使我們對電路有更好的理解,但如何推導出電路的傳遞函式就成了乙個問題。 用於編寫電路傳遞函式的方法是復阻抗法。 復阻抗是電路中埠的電壓相量與電流相量之比,通常用z(s)表示。 對於線性時不變系統,其中輸入和輸出埠的復阻抗分別為 zin (s) 和 zout(s),則系統的傳遞函式可以表示為:

復阻抗可以降低計算的複雜性,使錯誤不易發生,並使我們更容易分析電路。 電阻器、電容器和電感器的復阻抗如下表所示。

波特圖是具有頻率的線性非時變系統傳遞函式的半對數坐標圖(一軸是具有均勻分度的普通坐標軸,另一軸是具有不均勻分度的對數坐標軸),橫軸為頻率,縱軸為對數刻度表示, 通過使用波特圖可以看出系統的頻率響應。波特圖通常是兩個圖的組合,乙個表示頻率響應增益的分貝值隨頻率的變化,另乙個相位圖表示頻率響應相位隨頻率的變化。 實際上,它是前面提到的複數的幅頻特性和相頻特性。

波特圖可以使用計算機軟體(例如multisim)或儀器繪製,也可以自己繪製。 波特圖可用於檢視不同頻率下系統增益的幅度和相位,也可以看到幅度和相位隨頻率的變化趨勢。

極點在截止頻率fp後引起幅頻響應以-20dB dec的速率減小,極點也引起截止fp前後的相移,導致高達-90度的相移,在截止頻率fp處,幅度衰減3dB,相位偏移-45度。

零點導致幅值頻率響應在截止頻率fc後以+20dB dec的速率上公升,零點也引起截止fqu前後的相移,導致最大相移+90度,即截止頻率fc,幅值增加3dB,相移+45度。

在忽略負載的情況下,從輸入端開始,r和c串聯,所以輸入端的復合阻抗為:

從輸出來看,復阻抗為:

所以RC低通濾波電路的傳遞函式為:

根據前面零極點對傳遞函式的定義,該函式有乙個極點為rcs+1=0 s=-1 rc,則極點的頻率為j=-1 rc,j的模可以得到f=1 2 rc。

其振幅和頻率特性為:

統治。

截止頻率為-3db,因此。 所以。 統治。

因此,f=1 2 rc稱為電路的截止頻率。

該電路的相位頻率特性為:

在截止頻率下,我們可以將其波特圖繪製為:

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