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【DIY大赛】一款简易的伯德图分析仪
阅读: 5580 |  回复: 59 楼层直达

2018/09/14 08:45:07
1
boy59[版主]
电源币:300 | 积分:93 主题帖:50 | 回复帖:273
LV9
军长

QQ截图20160321155901  玩大发了! 英飞凌最新无人机套件LARIX免费试用 招募中

QQ截图20160321155901  想学你就来!DSP学习板免费试用 限时申请


  在之前的一个帖子中发现了一种绘制电路bode的简易方法,借这次DIY大赛准备试做一个,据说还可以报销200

 

帖子链接:在探讨开关电源PID控制及参数设置bbs/2436032.html

2018/09/14 09:49:25
2
hylylx
电源币:78 | 积分:44 主题帖:2 | 回复帖:1078
LV8
师长
坐等
2018/09/14 12:35:59
3
boy59[版主]
电源币:300 | 积分:93 主题帖:50 | 回复帖:273
LV9
军长

                                                      图1-1  环路分析测试连接图

环路分析仪的使用如上图所示,其中相当于包含了一个信号发生器、一台示波器及信号运算单元等。(关于环路分析仪更专业的帖子:【揭秘】深入环路分析的测试对比和解析 bbs/2423448.html

这里所采用的方法是:1、是让电源发生持续震荡替代信号发生器  2、采用手算替代内部的运算单元。最终就只需一台示波器了。

2018/09/17 09:30:07
4
电源网-fqd
电源币:5053 | 积分:15071 主题帖:396 | 回复帖:5025
LV11
统帅
参赛分类,标题中写一下
2018/09/18 09:21:56
5
boy59[版主]
电源币:300 | 积分:93 主题帖:50 | 回复帖:273
LV9
军长

这个帖子大概不在这些分组中,重在参与不求结果




2018/09/27 10:10:47
17
admin
电源币:334 | 积分:0 主题帖:253 | 回复帖:558
LV8
师长

好创意,好分享!期待大作!

2018/09/27 15:26:04
18
boy59[版主]
电源币:300 | 积分:93 主题帖:50 | 回复帖:273
LV9
军长

多谢鼓励!


2018/09/21 21:19:43
6
boy59[版主]
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LV9
军长

在传统的补偿环节中相位和增益一般都是相互关联的,改变其中任意一个变量时都将影响另一个或多个变量使调试变得复杂。这里的简易式伯德图分析仪的核心是将增益调节和相位调节分离开来,改变其中任意一个变量时另外的变量不受影响。

2018/09/21 21:39:46
7
boy59[版主]
电源币:300 | 积分:93 主题帖:50 | 回复帖:273
LV9
军长

  增益项,可通过比例电路来实现(如PID中的P),因为电路是由纯阻性构成,所以信号经由比例电路后相位不发生任何改变。

  相位项,根据右半平面零点和左半平面极点的特性,如果将二者合二为一则可以实现增益恒为1相位0~-180可调的电路特性。

等增益变相位 

                          1-2 增益不变、相位0~-180可调的bode

当电路具备了上述两项功能候就可以实现增益和相位的单独调节,这对于电路参数设置来说是极为方便。

2018/09/21 22:27:11
8
boy59[版主]
电源币:300 | 积分:93 主题帖:50 | 回复帖:273
LV9
军长

由右半平面零点和左半平面极点构成的相位调节电路用软件仿真得出的结果是ok的,不过实际电路的效果才是这次DIY的成败所在。

先给出一个右半平面零点+左半平面极点构成的电路原理图(或许有更简洁的电路方式)。

实验电路原理图 

                                   1-3 实验电路原理图

  按上述电路将手上的一块空PCB板做了改装,

实验电路
                              1-4 改装的实验电路

得出的实验波形如下:

输入输出 

                            1-5 实验波形

1-5中黄色波形为输入信号,蓝色波形为输出信号。

当频率从低到高变化时实验结果没有达到预期值,实验中采用的运放为LM358(非轨到轨)、电阻的精度5%0.1%的电阻需经由库房领取)、电容为普通的贴片电容,后续将进一步分析由理想元件构成的仿真电路及对电路中的相关元件进行优化。

2018/09/23 07:15:05
9
boy59[版主]
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LV9
军长

在图1-3的实验电路中包含一个微分电路,微分电路的特性是随着输入信号频率的升高增益也逐渐增加,当频率增加到一定程度后运放达到饱和。在实验板也发现了这一现象,仿真结果如下:

饱和波形 

                                    1-6 微分电路引起的饱和现象

2018/09/23 07:23:37
10
boy59[版主]
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LV9
军长

1-3的实验电路中还包含一个RC积分电路,RC电路的特性随着频率的升高增益逐渐降低,理论上可与微分互相抵消避免电路饱和。然而在实验板中搞错了先后顺序导致这种效果没有发挥出来,重新绘制的原理图如下:

实验电路原理图2 

                                1-7 实验电路原理图2

1-7中含有一个双联电容,调节时这两个电容要同时变化,如果能将此电路改进成只需一个可变电容其效果应当是更理想。

2018/09/25 10:13:21
11
boy59[版主]
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LV9
军长

由一位坛友推荐的一款简洁电路如下:

                              图1-8-1 简洁版等幅调相电路

2018/09/25 10:15:07
12
boy59[版主]
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LV9
军长

按照图中参数,利用Saber的tdsa扫频获得的bode图并同理论计算结果对比如下:

  

                                                      1-8-2 简洁版扫频结果对比

如上图所示二者结果一致,这样就不需要双联电阻或电容了。因零、极点频率是电阻倒数的关系,如果有非线性的可调电阻效果应当更好一些(有了解的麻烦推荐一下,这款分析仪目前还不打算采用单片机来实现)。                                           

2018/09/25 16:48:26
13
boy59[版主]
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LV9
军长

从网上查到的常用可调电位器有:直线性变化型、对数变化型、指数变化型(对应型号ABC

                      图1-8-3 三种型号电位器示意图

其中对数型的应该跟1/R的变化规律较接近(是否有将1/R线性化转换的电路?),这里是想采用分立器件收音机的方式采用机械指针来直接读取数据,如果电路的线性度不好就只能在刻度上做文章了。

2018/09/25 17:13:23
14
boy59[版主]
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LV9
军长

1-8-1电路的实测结果如下:

                                              图1-8-4 简洁版电路实测结果

1-8-4中蓝色曲线为输入信号、黄色曲线为输出信号,分别测10Hz100Hz1kHz10kHz时的输入、输出波形(手上的这款LM358频率>1kHz后波形发生了畸变)。

此参数下的理论值如下:

理论计算结果

                                  1-8-5 理论计算结果

上述实验结果验证了这种电路的可行性,剩下的还有一些细节问题:

1、         如果用于开关电源测量需增加低通滤波器来滤除开关噪声(多档选择)。

2、         如果采用单片机处理还需搭配一款显示屏。

3、         采用纯模拟电路需做好线性化处理或者是非线性刻度处理。

4、         增加拨挡开管可兼容多种输出电压(如3.3V5V12V24V)。

2018/09/26 14:50:47
15
boy59[版主]
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LV9
军长

尝试采用压控电阻来实现线性化处理,电路如下图

                          图1-9-1 压控电阻电路


                                                    1-9-2 不同控制电压下的电压、电流波形

1-9-1右侧的公式看压控电阻和控制电压Vc不是线性关系,从仿真结果看电阻的调节范围有限。这种机械与电路同步线性化的要求或许比较难实现,准备采用指示灯+机械标尺的方式来实现相位参数的读取。

2018/09/27 22:26:14
19
boy59[版主]
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LV9
军长

由于增益及X标尺都是以对数(Log)方式显示的,之前在设计线性化显示时考虑不周,如果选用指数电位器后电路将跟最初设想的一样简洁。

指数电位器 

                                        1-10 指数电位器及其对数显示

2018/11/01 11:23:55
30
lihui710884923
电源币:444 | 积分:1 主题帖:139 | 回复帖:477
LV8
师长
这些都是用SABER仿真的?
2018/11/01 16:58:44
34
boy59[版主]
电源币:300 | 积分:93 主题帖:50 | 回复帖:273
LV9
军长
19楼是Mathcad绘制的。
2018/09/26 22:06:20
16
boy59[版主]
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LV9
军长

初步设想的功能及外观如下:

外观 

                                    2-1 bode图分析仪外观

右上角旋钮为比例旋钮,最下一排指示灯为X标尺参考位置(粗调),右侧中间位置的指示灯为模拟量显示作为X标尺的细调参考。根据示波器上的震荡频率调节Y标尺,读取Y标尺与仪器上伯德图曲线的交点其对应的刻度既为相位值。左侧有x1x1k两个档位,将频率范围设置为1~1kHz1kHz~1MHz两个频段。X标尺和Y标尺的数值都经过换算处理,直接读取的就是被测电路bode图的相位和增益参数。

2018/09/30 15:01:30
20
boy59[版主]
电源币:300 | 积分:93 主题帖:50 | 回复帖:273
LV9
军长

从网上买了两款双联指数型电位器和一款双联步进式电位器,

直滑指数型电位器

步进电位器

指数型电位器估计不会如理论上一般理想,等器件到了之后实测一下。

如果指数型电位器不理想那么就准备采用步进式电位器,因其上的电阻可以自行修改所以想拟合出理想的分段指数曲线是不难的。

2018/09/30 15:10:12
21
boy59[版主]
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LV9
军长

考虑到机械运动部件较难加工(如果有专业加工设备这种机械标尺结构的易读性会更好),还准备了一套指示灯的方案。

购买的步进型电位器有约21个档位可以与移向电容C构成约21种相位曲线,这里取20条曲线通过“查表”的方式读取相位数据代替之前的机械标尺移动,效果如下图:

                                         图3-1相位曲线查询卡

当旋转步进电位器时图3-1上相应的LED指示灯会点亮示意为当前选中的曲线,调节增益电位器使电路发生震荡,结合震荡频率和选中的这条曲线就可以查询出电路在此频率下的相位值。

这种方式还有另外两个好处:

1、扩展测量范围,通过增加一个拨挡开管改变移向电容C的值就可以实现测量频率的扩展,如预设0.1Hz~100Hz100Hz~100KHz10kHz~10MHz三个档位。硬件上无需改动只需把X轴的坐标变换一下即可。

2、到目前为止还未将低通滤波器考虑进去,如果加入低通滤波器后会对高频段的相位产生影响,如果在相位曲线查询卡片上直接将高频段的相位加进去那么在硬件上也无需其它改动。

最终这台仪器的功能扩展都将依赖于这张卡片上,降低了硬件开销。

2018/10/07 06:44:46
22
boy59[版主]
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LV9
军长

初步设计的电路原理图如下:

                                          图3-2 电路原理图Rev01

图中供电部分可取自被测Vout(>5V)或由外部供电,工作部分包含比例电路(3.3V、5V、12V、24V可选),低通滤波电路、两级移相电路。其中移相电路又分为三个频段,测量范围最低0.1Hz、最高10MHz。

Tl431提供2.5V基准电压,另外当比例电路的比例值较低时输出偏差较大,2.5V基准或许会设计成可调基准。

2018/10/08 17:06:56
23
boy59[版主]
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LV9
军长

买回三款指数电位器

                                        3-3 三款指数型电位器

这三款电位器的实测结果都不是很理想,比如最左侧的直滑指数电位器的测试数据:

                                                     3-4 直滑式指数电位器测试图

2018/11/01 11:27:54
31
lihui710884923
电源币:444 | 积分:1 主题帖:139 | 回复帖:477
LV8
师长
移相电路在这是起啥作用
2018/11/01 11:39:33
32
lihui710884923
电源币:444 | 积分:1 主题帖:139 | 回复帖:477
LV8
师长
U3是个LDO吧,型号是否可以参考
2018/11/01 16:57:40
33
boy59[版主]
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LV9
军长
U3是LDO,我选的型号性价比不高只是手上有现成的所以就采用了。
移相电路用来调节相位,使穿越频率处的相位达到“-180”从而引发震荡,通过震荡频率判断出穿越频率值进而判断出当前增益。(通过移相电路可以判断出当前相位余量)
2018/11/02 13:59:34
36
lihui710884923
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LV8
师长
没事,移相电路的确不是太懂,平时工作中也没用到,
2018/11/21 17:03:13
38
sabrina9988
电源币:34 | 积分:0 主题帖:81 | 回复帖:215
LV6
团长
2018/10/26 22:40:17
24
boy59[版主]
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LV9
军长

虽然指数电位器离预期的效果相差很远,不过还是计划做一个出来看看实际效果,说不定碰到的一些问题是有办法解决的。

2018/10/26 22:41:25
25
boy59[版主]
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LV9
军长

首先要精确描绘出指数电位器的阻值-位置曲线图,此时需要一块面板来固定电位器并标记好刻度。

装配1 

                                   4-1-1 装配1

如上图,找来一块易于加工的纸板来作为面板,另一块洞洞板作为底板,后期的电路都将安装在洞洞板上。

2018/10/26 22:44:30
26
boy59[版主]
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LV9
军长

为了便于后期的组装将电位器都安装到前面板上。

装配2 

                                 4-1-2 装配2

旋转电位器自带固定螺母在面板上挖两个洞即可安装,直滑电位器通过一块小底板固定到面板上。

2018/10/26 22:45:47
27
boy59[版主]
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LV9
军长

安装后的侧视图如下:

装配3 

                                            4-1-3 装配3

2018/10/26 22:47:06
28
boy59[版主]
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LV9
军长

前面板上的电位器通过导线和底板上的电路连接。

装配4 

                                               4-1-4 装配4

2018/10/26 22:48:45
29
boy59[版主]
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LV9
军长

装配好并绘制好刻度标识的效果如下:

装配5 

                                                4-1-5 装配5

2018/11/01 17:14:42
35
boy59[版主]
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LV9
军长

因为指数电位器不够理想所以就想在刻度盘上做文章了,实际操作了一下效果还不算太差,见下图。

                                           4-1-6 非线性刻度盘

上图左边的相位曲线和右边的增益刻度都是根据电位器的实测值绘制出来的,刻度盘上的不同值之间是还能够分辨出来的,这样就不需要指示灯了可以同最初的设想一样简洁。

2018/11/20 15:31:41
37
chmie
电源币:0 | 积分:0 主题帖:6 | 回复帖:91
LV5
营长
太强大了!
2018/11/22 22:02:11
39
xinwoody
电源币:42 | 积分:0 主题帖:1 | 回复帖:6
LV1
士兵
2018/11/23 17:21:37
40
boy59[版主]
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LV9
军长

按之前的构思将电路搭建起来,首先进行了初步测试:

                                                  4-1-1 初步测试1

由信号发生器提供1Khz峰值200mV的正弦波信号,经过分析仪后增益扩大10dB,当前状态相移零度(-180度相移由比例电路引起)。

2018/11/23 17:30:50
41
boy59[版主]
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LV9
军长

 

4-1-2 初步测试2

测试2增益设置为20dB,相移动-90度,目前选用的运放为AD8609带宽400Khz。因最大增益为10倍理论上频率40Khz以下都可有处理。

图中从圆盘刻度读取被测电路增益数值(dB),直滑电位器结合当前的震荡频率读取被测电路的相位值。

2018/11/23 17:53:27
42
boy59[版主]
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LV9
军长

其次用线性电路对分析仪的测试功能进行验证,这里选用Type Ⅱ电路来进行验证参数如下:

4-2-1 验证用Type Ⅱ电路

将环路测试仪和Type Ⅱ电路首尾相连构成一个环路,

                      4-2-2 Type线性电路闭环测量

上图中一块PCB为分析仪电路一块PCBType Ⅱ电路。

2018/11/23 18:14:10
43
boy59[版主]
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LV9
军长

测试过程首先将直滑电位器调到最右端,再调节增益旋钮,逐渐向左调节直滑电位器直至出现震荡为止。

 

                                                                                4-3-1 预设-20dB测试

在从右向左推动直滑电位器时,电路从无震荡到轻微震荡再到大幅震荡最后饱和震荡(方波),如果在测试时注意一点的话可以避免电路大幅震荡引发某些电路的损坏(无保护功能)。

2018/11/23 18:20:25
44
boy59[版主]
电源币:300 | 积分:93 主题帖:50 | 回复帖:273
LV9
军长

 

                                                                                4-3-2 预设-16dB测试

重复图4-3-1的步奏,将增益设置为-16dB的测试如上。在调节直滑电位器发生自激震荡时可任选某个震荡状态,不同的振幅对应不同的震荡频率,最终的结果是唯一的非多值。

2018/11/23 18:34:47
45
boy59[版主]
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LV9
军长

重复图4-3-1的步奏,设置不同的增益直至得出足够描述曲线趋势的点,将Type Ⅱ理论值同实测结果的进行对比如下:

                                        4-3-3 Type Ⅱ电路理论与实测对比

如上图,由于刻度盘的制作精度不足,实测值同理论值有些偏差,量程上也有所限制(图中实线为理论值,三角标记为实测值)。

下一步就准备在开关电源上实测了,由于开关电源为非线性系统自带开关噪声所以还需设计一个低通滤波器……

2018/11/24 11:40:39
46
chmie
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LV5
营长

好期待!

2018/11/27 21:18:28
47
左右天下彩虹
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LV2
班长
很强大啊,学习中!!
2018/11/30 18:07:18
48
boy59[版主]
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LV9
军长

找到一个5V3A的适配器做测试

                                            5-1 开关电源环路测试

对电路原理图做了一点小调整,原来的电路无法处理直流分量。另外在基准处增加了一个滑动变阻器变成可变基准,由于在测试过程中增益未小于0dB所以基本没有用到。

2018/11/30 18:26:07
49
boy59[版主]
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LV9
军长

同之前测试Type Ⅱ电路一样的操作(尚未增加滤波器),测试效果也差不多列举几个测试点:

                                          5-2-1 增益0dB测试结果


                                          5-2-2 增益-5dB测试结果


                                          5-2-3 增益-10dB测试结果

上述自激震荡的振幅和震荡频率都可以灵活调整。

2018/11/30 18:33:05
50
boy59[版主]
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LV9
军长

一共测试了5个点,放到伯德图中的效果如下:

                                 5-3 反激5V3A相频、幅频测试结果

这个测试结果准确度如何还有待验证(非理想指数电位器的影响还是比较大的),准备将被测的适配器参数测出来后反算一下。

2018/12/01 14:12:07
51
boy59[版主]
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LV9
军长

                                    

                                                    图5-4 5V3A电源PCB背面

被测适配器的背面如上图,根据图中参数绘制出输出部分的原理图如下:

                     5-5 被测适配器补偿参数及测试连接方式

测试时拆下电阻R10、电容C7R7,将测试仪的输入、输出线连入电源如图中所示,此时测试仪取代原电路补偿器功能。

2018/12/01 14:28:17
52
boy59[版主]
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LV9
军长

原电路中采用的是PI补偿,根据其参数绘制的bode图如下:

                            5-5 原电路PI补偿bode

其中R22=1.1KR12=3.32KC22=48nF(实测)。

2018/12/01 14:44:45
53
boy59[版主]
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LV9
军长

从测试仪获得的功率级bode加上原电路PI补偿级bode可以得出总的开环bode图如下:

                                5-6 5V3A适配器总开环bode

从图5-6可以大致判断出此适配器的穿越频率设计在1kHz~2kHz之间,相位余量在80度左右。

2018/12/09 14:32:35
60
chmie
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LV5
营长

还有不明白的请教:

依照51楼图示,我理解为将原转换器的反馈环路断开,然后用我们的分析仪替代原环路,这样此楼中又要将原环路的BODE图理解不了。原环路已经断开了,应该与电路没有关系了呀?谢谢!

2018/12/07 19:21:04
57
chmie
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LV5
营长

请问式中的R22和C22是指的什么?谢谢!

2018/12/07 19:31:19
58
boy59[版主]
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LV9
军长
R22对应着图5-5中的R7,C22对应着C7,R12对应着R10
2018/12/08 09:36:07
59
chmie
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LV5
营长

请问式中的R22和C22是指的什么?谢谢!

谢谢您的回复!

2018/12/05 21:09:15
54
boy59[版主]
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LV9
军长

之前电路用的运放AD8609最高供电电压5V,用在输出大于5V(譬如12V)的场合可能不适用,因而在电路中增加了431运放使其可以兼容其它测试电压。

电路安装 

                                             6-1 电路板安装

原本想打样一块PCB,又想了想,做块PCB吧就要配个外壳,外壳有了就要机加工开槽,开完槽了又要做丝印,考虑成本和时间还是算了,反正电路也简单飞飞线搞定……

2018/12/05 21:17:07
55
boy59[版主]
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LV9
军长

飞线的小PCB板不知是哪位工程师留下的刚好上下两边可以各放一根排针,也给面板电位器的连线提供了安装点。

PCB连线 

                                           6-2 上面板连线

2018/12/05 21:32:31
56
boy59[版主]
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LV9
军长

最终安装好后的正反面如下:

正反面 

                                        6-3 伯德图分析仪安装好后的正反面

分析仪的供电为4~5V的直流电压,输入端口接被测电源的输出和地,输出端口接光耦或者控制芯片的FB端(分析仪将替代Type型或PI型补偿器工作),背面增加了拨码开关根据被测电压的大小来选择,目前只支持5V12V两种选择。

明天准备再测试一下另一款12V的反激电源,如果结果也在合理范围内的话,这款简易测试仪以后就可以留着自用了。

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