应用于电源稳定性分析-Moku:Lab频率响应分析仪

Moku:Lab集成成示波器、频谱分析仪、波形发生器、相位表、数据记录器、锁相放大器、PID控制器、频率响应分析仪、数字滤波器、任意波形发生器、FIR滤波器生成器和激光锁频/稳频十二个专业仪器于一台设备。适用于信号采集、处理分析、控制系统等应用。仅需通过软件操控多仪器间功能切换，硬件便可以快速重新配置并执行指定的仪器功能。同时我们在不断增强当前仪器功能，客户?需增加成本即可获得更多强大功能及丰富的用户体验。

可视化操作界面

iPad—Moku引以为豪的触控操作界面，通过直观统一的iPad界面实现无线配置和操控您的仪器。节省学习仪器操作时间，将精确投入到实验的理解及结果分析。

多种连接方案

Python, LabVIEW, MATLAB—PC端使用

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产品特点

节省操作台空间、优化实验环境

可远程控制，严格实验环境要求

轻巧轻便、随时随地户外操作小

Moku:Lab应用于电源稳定性分析

在分析电源稳定性实验中，本次案列使用Moku:Lab频率响应分析仪模块来测量线性电压调节器在不同频率激发下的增益与相位。在本次电源稳定性分析中，将使用一个注入变压器把微小信号注入一个反馈回路，观察两个不同负载电容的相位裕度。

Moku:Lab频率响应分析仪模块

Moku:Lab的频率响应分析仪(FRA)通过输出正弦扫频信号对被测设备进行激发，同时使用混频法来测量反馈信号的增益与相位，从而得到设备的传递函数。在电源稳定性分析中，我们会把一个周期正弦扫频信号通过注入变压器注入到一个线性电压调节器的反馈回路中，并得到这个系统的相位裕度。

线性电压调节器通常使用一个反馈回路来保持电压的稳定性。我们需要人为注入一个干扰信号，从而测量控制回路的响应。通常情况下，我们通过在其反馈回路中加入一个极小的电阻来实现信号注入与测量。这个电阻也被叫做注入电阻（Rinj）。

同大多数的测量设备一样，Moku:Lab带有接地的输入输出端。但Rinj通常并不接地，因此，我们需要使用注入变压器来隔离两个电路。这个应用指南中，我们使用了来自Picotest的J2101A型注入变压器。

实验仪器设置

在电源稳定性分析中，使用Picotest VRTS 1.5版本的测试电路板进行测试。图一为该电路电路图。这个电路使用一个分流调节器（U1）来控制一个双极型晶体管（Q1），将7到10伏左右的电压转换到3.3 伏到R3与R4上。此测试电路提供了多个监测点，以及一个4.99欧姆的注入电阻R2。测试点TP3与TP4则用来连接注入变压器以及测量探头。

开关S1可将切换使用不同的两个100微法的输出电容。其中，C2为铝电解电容，C3为钽质电容器。LED指示灯则是用来显示该电路是否已导通及正常工作。

图 1 : VRTS 1.5 设计图

图 2 : 实验设置

图3 : VRTS 1.5近距离放大图

图二中展示了Moku:Lab，Picotest注入变压器以及VRTS 1.5测试电路。图三中近距离展现了VRTS1.5以及电源，探头的连接方法。使用Moku:Lab的输入1的探头连接至监测点TP4，输入2的探头连接至探测点TP3。输出1用来产生驱动所用的扫频正弦波，输入给注入变压器中，并加载到Rinj上。输出2并未使用。

为测量被测设备的传递函数，将输入1与输入2分别连接到注入电阻的两端。

然后，通过Moku:Lab的灵活便捷的iPad用户界面，即可快速设置数字通道，测量输入2/输入1的频率响应，从而得到被测仪器的传递函数。

起始结果

首先，将输出频率范围调节至100赫兹至10兆赫兹，输出振幅-15dBm。在测试中，首先使用钽质电容器。图4展示了首次扫频所得出的结果。

如果使用随时间线性增长的正弦函数，最终得到的扫描图案中点与点之间的间距会随着振幅的增加而增加。因为在这种情况下，无论半径大小，每圈的采样点数量相同。随着半径的增加，点与点之间的间距自然会增大（图1）。因此，需要一个随着振幅增加，频率相对减小的函数。

通过MATLAB产生了这个等间距螺旋扫描所需的函数，并且将此函数的X-Y坐标值数据导成csv文件，通过SD卡导入了Moku:lab中，使用Moku:Lab读取导入的数据，显示效果如图2中看到。

图4: 起始结果

数学通道 (橙色) 展示了系统的Bode图

输入1 (红色) 和输入 2(蓝色) 也分别展示在图中

iPad用户界面提供了方便实用的光标功能。图中较为明显的三个峰分别被光标标注

图中可以看到较为明显的噪声

实验优化

在电源稳定性分析中，通过提高提平均测量时间（至少200毫秒或100周期），并些许提高整定时间（至少20毫秒或20周期）的方法提高信噪比。新得到的Bode图中，信噪比明显提高。

图5: 噪声明显减少，有些许过载现象

调整平均测量时间与整定时间后，噪声明显减少

在0分贝增益点处，有些许非线性现象。可能是由于过高驱动电压所导致

在100-300千赫区间有较为明显的相位噪声

或可以通过减少驱动电压来提升测量质量

图6:钽质电容最终Bode图

我们将驱动电压改为-30dBm，并将输入改为交流耦合，1伏峰-峰输入范围

0dBm点已经趋于线性，大约在6.39千赫兹。所得36.9°左右相位裕度

最后，切换开关并检测铝电解电容的响应。图7展示了该电容的Bode图

图7:铝电解电容最终Bode图

0dBm在点大约在8.461千赫兹，相位裕度增长到了75.295°

总结

在电源稳定性分析应用中，我们演示了如何使用Moku:Lab频率响应分析仪以及注入变压器来测量线性电压调节器的频率响应。通过改变以及优化分析仪的输出电压、平均时间，我们得到了高信噪比

的Bode图。

通过Bode图，可以看到两种不同电容的相位裕度。

Moku:Lab拥有快捷方便的用户操作界面，用户可轻松将采集完数据或屏幕截图直接上传到云端或者通过邮件等方式发送，或将采集到的数据直接上传到电脑上进行分析。

应用案列

• 太赫兹时域光谱、时域热反射测量（TDTR)   

• 气体谐波测量实验
• 激光器稳频/锁频实验                          
• 原子物理实验
• 飞秒脉冲受激拉曼损耗显微成像                  

• 微弱信号测量   
• 光声粘弹性成像测量                           
• 光声光谱测量
• 光电实验信号的分析和测量                     
• 电子工程类实验
• 迈克尔逊干涉实验                             
• RC、RL电路实验
• 对有用信号与噪声信号分离的数字滤波器实验     
• 光速的测量
• 系统输出信号的相位差测量以及幅值、频率的同时测量