圖1:一個二階系統的波德圖
波德圖 (英語:Bode plot ,“Bode”的英文發音類似Boh-dee,荷蘭文 的發音則類似Bow-dah),又名伯德图 ,是線性非時變系統 的傳遞函數 對頻率的半對數座標圖 ,其橫軸頻率以對數尺度 表示,利用波德圖可以看出系統的頻率響應 。波德圖一般是由二張圖組合而成,一張幅頻圖表示頻率響應增益 的分貝 值對頻率的變化,另一張相頻圖則是頻率響應的相位 對頻率的變化。[ 1]
波德圖可以用電腦軟體(如MATLAB )或儀器繪製,也可以自行繪製。利用波德圖可以看出在不同頻率下,系統增益的大小及相位,也可以看出大小及相位隨頻率變化的趨勢[ 2] 。
波德圖的圖形和系統的增益 ,極點 、零點 的個數及位置有關,只要知道相關的資料,配合簡單的計算就可以畫出近似的波德圖,這是使用波德圖的好處。
簡介
波德圖是由貝爾實驗室 的荷蘭裔科學家亨德里克·韋德·波德 在1930年發明。波德用簡單但準確的方法繪製增益及相位的圖,因此他發明的圖也就稱為波德圖。[ 3]
波德圖幅頻圖的頻率用對數尺度表示,增益部份一般都用功率 的分貝 值來表示,也就是將增益取對數後再乘以10。由於增益用對數來表示,因此一傳遞函數乘以一常數,在波德增益圖只需將圖形的縱向移動即可,二傳遞函數的相乘,在波德幅頻圖就變成圖形的相加。幅頻圖縱軸0分貝以下具有正增益裕度、屬穩定區,反之屬不穩定區:
log
-->
(
a
⋅ ⋅ -->
b
)
=
log
-->
(
a
)
+
log
-->
(
b
)
.
{\displaystyle \log(a\cdot b)=\log(a)+\log(b).\ }
波德圖相頻圖的頻率也用對數尺度表示,而相位部份的單位一般會使用度 。配合波德相頻圖可以估算一信號進入系統後,輸出信號及原始信號的比例關係及相位 。例如一個A sin(ωt ) 的信號進入系統後振幅變原來的k 倍,相位落後原信號Φ,則其輸出信號則為(A k ) sin(ωt − Φ),其中的k 和Φ都是頻率 的函數。相頻圖縱軸-180度以上具有正相位裕度、屬穩定區,反之屬不穩定區
若將系統的增益以複數 表示,則複數增益取對數後的虛部即為相位,因此二傳遞函數的相乘,在波德相位圖上也是圖形的相加。
圖2:一階(單極點)高通濾波器 的波德圖,其中用直線近似的相位部份,在低頻時是90度,高頻率是0度,中間部份的相位則隨頻率線性變化
以下考慮有一個極點的高通濾波器 、如圖2:
T
H
i
g
h
(
f
)
=
j
f
/
f
1
1
+
j
f
/
f
1
,
{\displaystyle \mathrm {T_{High}} (f)={\frac {jf/f_{1}}{1+jf/f_{1}}}\ ,}
其中 f 是頻率,f 1 是極點的位置,單位都是Hz。圖中f 1 = 100 Hz。此傳輸函數的絕對值為:
|
T
H
i
g
h
(
f
)
|
=
f
/
f
1
1
+
(
f
/
f
1
)
2
,
{\displaystyle \left|\mathrm {T_{High}} (f)\right|={\frac {f/f_{1}}{\sqrt {1+(f/f_{1})^{2}}}},\ }
其相位為:
φ φ -->
T
H
i
g
h
=
90
∘ ∘ -->
− − -->
tan
− − -->
1
-->
(
f
/
f
1
)
.
{\displaystyle \varphi _{T_{High}}=90^{\circ }-\tan ^{-1}(f/f_{1}).\ }
由於波德相位圖的縱軸相位使用角度 而不是弳度 ,需要使用對應角度的反正切 函數。波德增益圖的縱軸是轉換函數的分貝,其數值如下:
20
log
10
-->
|
T
H
i
g
h
(
f
)
|
=
20
log
10
-->
(
f
/
f
1
)
− − -->
20
log
10
-->
(
1
+
(
f
/
f
1
)
2
)
.
{\displaystyle {\begin{aligned}20\log _{10}\left|\mathrm {T_{High}} (f)\right|&=20\log _{10}\left(f/f_{1}\right)\\&\quad -20\log _{10}\left({\sqrt {1+(f/f_{1})^{2}}}\right).\end{aligned}}}
如下圖3是一個單一極點低通濾波器 的波德圖:
T
L
o
w
(
f
)
=
1
1
+
j
f
/
f
1
.
{\displaystyle \mathrm {T_{Low}} (f)={\frac {1}{1+jf/f_{1}}}.\ }
於圖3中也有用直線近似的波德圖,常在自行繪製波德圖時使用,其原理會在後面的章節中說明。
波德圖的增益和相位很難單獨的變動、二者會互相牽扯,當調整系統的增益響應時,系統的相位響應也會隨之變化,反之亦然。最小相位 系統的增益和相位特性之間可以用希爾伯特轉換 來轉換,因此知道其中一項即可求出另外一項。
若轉換函數是有理函數 ,其零點及極點均為實數,則其波德圖可以用幾條漸近線的直線來近似,利用簡單的規則即可以徒手繪製。若近似的波德圖再修正每個截止頻率 時的增益值,則其近似值會更接近實際值。
波德圖手繪的規則
波德圖的前提就是可以處理以下型式函數的對數值:
f
(
x
)
=
A
∏ ∏ -->
(
x
+
c
n
)
a
n
{\displaystyle f(x)=A\prod (x+c_{n})^{a_{n}}}
上述函數的對數值可以轉換為極點及零點對數的和:
log
-->
(
f
(
x
)
)
=
log
-->
(
A
)
+
∑ ∑ -->
a
n
log
-->
(
x
+
c
n
)
.
{\displaystyle \log(f(x))=\log(A)+\sum a_{n}\log(x+c_{n}).}
在繪製波德相位圖時直接使用了上述的概念。增益圖的繪製時則是以此概念為基礎,因為每個極點或零點其增益的對數均從0開始,而且其漸近線只有一個轉折點,因此繪製時可以再作簡化。
直線近似的增益圖
波德圖增益分貝值一般都利用
20
log
10
-->
(
X
)
{\displaystyle 20\log _{10}(X)}
的公式。考慮以下的轉換函數:
H
(
s
)
=
A
∏ ∏ -->
(
s
+
x
n
)
a
n
(
s
+
y
n
)
b
n
{\displaystyle H(s)=A\prod {\frac {(s+x_{n})^{a_{n}}}{(s+y_{n})^{b_{n}}}}}
其中
x
n
{\displaystyle x_{n}}
及
y
n
{\displaystyle y_{n}}
是常數,
s
=
j
ω ω -->
{\displaystyle s=j\omega }
,
a
n
,
b
n
>
0
{\displaystyle a_{n},b_{n}>0}
,而H 是轉換函數。
在每個對應
ω ω -->
=
x
n
{\displaystyle \omega =x_{n}}
(零點)的位置,將直線的斜率增加
20
⋅ ⋅ -->
a
n
d
B
{\displaystyle 20\cdot a_{n}\ dB}
/十倍頻[ 註解 1] 。
在每個對應
ω ω -->
=
y
n
{\displaystyle \omega =y_{n}}
(極點)的位置,將直線的斜率減少
20
⋅ ⋅ -->
b
n
d
B
{\displaystyle 20\cdot b_{n}\ dB}
/十倍頻。
圖在起始點時的增益值,可以依照圖中的角頻率下限,計算其對應的|H (j ω)|。
圖在起始點時的斜率則依照有多少零點及極點低於角頻率下限,再依上述二個方式計算斜率,若所有點及極點均高於角頻率下限,起始點時的斜率為零。
在處理無法分解的二次多項式
a
x
2
+
b
x
+
c
{\displaystyle ax^{2}+bx+c\ }
時,多半可以用
(
a
x
+
c
)
2
{\displaystyle ({\sqrt {a}}x+{\sqrt {c}})^{2}}
的方式近似。
修正後的增益圖
直線近似的增益圖可以用以下方式修正:
針對每個零點,在直線上方
3
⋅ ⋅ -->
a
n
d
B
{\displaystyle 3\cdot a_{n}\ \mathrm {dB} }
的位置增加一點。
針對每個極點,在直線下方
3
⋅ ⋅ -->
a
n
d
B
{\displaystyle 3\cdot a_{n}\ \mathrm {dB} }
的位置增加一點。
以原來的直線為漸近線繪製平滑曲線,通過上述各點,即為修正後的增益圖。
上述的修正方式只針對實數的極點或零點。若
x
n
{\displaystyle x_{n}}
或
y
n
{\displaystyle y_{n}}
為複數時,比較好的作法仍是找出無法分解的二次式,計算其在零點(或極點)附近的數值,再依數值決定要在直線上方或下方加點。
直線近似的相位圖
考慮一個以下型式的傳遞函數:
H
(
s
)
=
A
∏ ∏ -->
(
s
+
x
n
)
a
n
(
s
+
y
n
)
b
n
{\displaystyle H(s)=A\prod {\frac {(s+x_{n})^{a_{n}}}{(s+y_{n})^{b_{n}}}}}
可以先依每個極點及零點分別繪製相位圖,再將各相位圖相加。相位圖的曲線為以下的反正切 函數
− − -->
a
r
c
t
a
n
(
I
m
[
H
(
s
)
]
/
R
e
[
H
(
s
)
]
)
{\displaystyle -\mathrm {arctan} (\mathrm {Im} [H(s)]/\mathrm {Re} [H(s)])}
。
在繪製相位圖時,針對每個極點及零點:
若A為正數,其對應的相位圖是0度的水平線。
若A為負數,其對應的相位圖是180度的水平線。
對每個穩定的零點
ω ω -->
=
x
n
{\displaystyle \omega =x_{n}}
(其零點滿足
R
e
(
z
)
<
0
{\displaystyle Re(z)<0}
,即
R
e
(
x
n
)
>
0
{\displaystyle Re(x_{n})>0}
),低於
ω ω -->
=
x
n
10
{\displaystyle \omega ={\frac {x_{n}}{10}}}
的部份為相位為0度的水平線,之後的直線斜率為+
45
⋅ ⋅ -->
a
n
{\displaystyle 45\cdot a_{n}}
度/十倍頻,到
ω ω -->
=
10
⋅ ⋅ -->
x
n
{\displaystyle \omega =10\cdot x_{n}}
為止,該點的相位為+
90
⋅ ⋅ -->
a
n
{\displaystyle 90\cdot a_{n}}
度,超過此頻率的部份為相同相位的水平線。
對每個穩定的極點
ω ω -->
=
y
n
{\displaystyle \omega =y_{n}}
(其極點滿足
R
e
(
p
)
<
0
{\displaystyle Re(p)<0}
,即
R
e
(
y
n
)
>
0
{\displaystyle Re(y_{n})>0}
),低於
ω ω -->
=
y
n
10
{\displaystyle \omega ={\frac {y_{n}}{10}}}
的部份為相位為0度的水平線,之後的直線斜率為-
45
⋅ ⋅ -->
b
n
{\displaystyle 45\cdot b_{n}}
度/十倍頻,到
ω ω -->
=
10
⋅ ⋅ -->
y
n
{\displaystyle \omega =10\cdot y_{n}}
為止,該點的相位為-
90
⋅ ⋅ -->
b
n
{\displaystyle 90\cdot b_{n}}
度,超過此頻率的部份為相同相位的水平線。
若是不穩定的零點(或極點),其相位增加或減少的趨勢恰與上述相反。
將所有的相位圖相加,即為傳遞函數的完整相位圖。
簡易傳遞函數的波德圖趨勢
以下是常見簡易传递函数 的波德圖趨勢:
傳遞函數
範例圖形
波德增益圖
波德相位圖
K
{\displaystyle K}
20
⋅ ⋅ -->
log
-->
|
K
|
{\displaystyle 20\cdot \log {|K|}}
若 K > 0,相位為 0 若 K < 0,相位為180度
s
ω ω -->
0
{\displaystyle {\frac {s}{\omega _{0}}}}
斜率+20dB/十倍頻的斜線,
ω ω -->
=
ω ω -->
0
{\displaystyle \omega =\omega _{0}}
的增益為0dB
固定為+90度
ω ω -->
0
s
{\displaystyle {\frac {\omega _{0}}{s}}}
斜率-20dB/十倍頻的斜線,
ω ω -->
=
ω ω -->
0
{\displaystyle \omega =\omega _{0}}
的增益為0dB
固定為-90度
1
+
s
ω ω -->
0
{\displaystyle 1+{\frac {s}{\omega _{0}}}}
(穩定零點)
ω ω -->
0
{\displaystyle \omega _{0}}
以下增益為0dB水平線,
ω ω -->
0
{\displaystyle \omega _{0}}
以上則以+20 dB/十倍頻的斜率上昇
ω ω -->
0
10
{\displaystyle {\frac {\omega _{0}}{10}}}
以下相位為0度水平線,
10
ω ω -->
0
{\displaystyle 10\omega _{0}}
以上相位為+90度水平線,中間以+45度/十倍頻的斜線上昇,
ω ω -->
=
ω ω -->
0
{\displaystyle \omega =\omega _{0}}
的相位為+45度
1
1
+
s
ω ω -->
0
{\displaystyle {\frac {1}{1+{\frac {s}{\omega _{0}}}}}}
(穩定極點)
ω ω -->
0
{\displaystyle \omega _{0}}
以下增益為0dB水平線,
ω ω -->
0
{\displaystyle \omega _{0}}
以上則以-20 dB/十倍頻的斜率下降
ω ω -->
0
10
{\displaystyle {\frac {\omega _{0}}{10}}}
以下相位為0度水平線,
10
ω ω -->
0
{\displaystyle 10\omega _{0}}
以上相位為-90度水平線,中間以-45度/十倍頻的斜線下降,
ω ω -->
=
ω ω -->
0
{\displaystyle \omega =\omega _{0}}
的相位為-45度
1
− − -->
s
ω ω -->
0
{\displaystyle 1-{\frac {s}{\omega _{0}}}}
(不穩定零點)
ω ω -->
0
{\displaystyle \omega _{0}}
以下增益為0dB水平線,
ω ω -->
0
{\displaystyle \omega _{0}}
以上則以+20 dB/十倍頻的斜率上昇
ω ω -->
0
10
{\displaystyle {\frac {\omega _{0}}{10}}}
以下相位為0度水平線,
10
ω ω -->
0
{\displaystyle 10\omega _{0}}
以上相位為-90度水平線,中間以-45度/十倍頻的斜線下降,
ω ω -->
=
ω ω -->
0
{\displaystyle \omega =\omega _{0}}
的相位為-45度
− − -->
1
1
− − -->
s
ω ω -->
0
{\displaystyle -{\frac {1}{1-{\frac {s}{\omega _{0}}}}}}
(不穩定極點)
ω ω -->
0
{\displaystyle \omega _{0}}
以下增益為0dB水平線,
ω ω -->
0
{\displaystyle \omega _{0}}
以上則以-20 dB/十倍頻的斜率下降
ω ω -->
0
10
{\displaystyle {\frac {\omega _{0}}{10}}}
以下相位為0度水平線,
10
ω ω -->
0
{\displaystyle 10\omega _{0}}
以上相位為+90度水平線,中間以+45度/十倍頻的斜線上昇,
ω ω -->
=
ω ω -->
0
{\displaystyle \omega =\omega _{0}}
的相位為+45度
1
1
+
2
d
s
ω ω -->
0
+
s
2
ω ω -->
0
2
{\displaystyle {\frac {1}{1+2d{\frac {s}{\omega _{0}}}+{\frac {s^{2}}{\omega _{0}^{2}}}}}}
ω ω -->
0
{\displaystyle \omega _{0}}
以下增益為0dB水平線,
ω ω -->
0
{\displaystyle \omega _{0}}
以上則以-40 dB/十倍頻的斜率下降
ω ω -->
0
10
{\displaystyle {\frac {\omega _{0}}{10}}}
以下相位為0度水平線,
10
ω ω -->
0
{\displaystyle 10\omega _{0}}
以上相位為-180度水平線,中間區域的特性則隨d 不同而不同
舉例
圖3:一階(單極點)低通濾波器 的波德圖;其中在近似直線的部份標上“波德極點”;相位為-90°低於圖2(相位為+90°)、起因於在所有頻率時相位的表現為 0°。
考慮以下的低通 RC電路 、如圖3,其頻域 的轉換函數如下:
H
(
j
f
)
=
1
1
+
j
2
π π -->
f
R
C
.
{\displaystyle H(jf)={\frac {1}{1+j2\pi fRC}}.}
由轉換函數可以得到其截止頻率 f c (以Hz 為單位)為
f
c
=
1
2
π π -->
R
C
{\displaystyle f_{\mathrm {c} }={1 \over {2\pi RC}}}
另一種等效表示法為
ω ω -->
c
=
1
R
C
{\displaystyle \omega _{\mathrm {c} }={1 \over {RC}}}
其中
ω ω -->
c
=
2
π π -->
f
c
{\displaystyle \omega _{\mathrm {c} }=2\pi f_{\mathrm {c} }}
為截止角頻率 ,單位是弧度每秒。
以角頻率表示的轉換函數如下
H
(
j
ω ω -->
)
=
1
1
+
j
ω ω -->
ω ω -->
c
.
{\displaystyle H(j\omega )={1 \over 1+j{\omega \over {\omega _{\mathrm {c} }}}}.}
上述的方程式是一個正規化後的轉換函數,其波德圖如圖3,後續將介紹如何用直線來近似波德圖。
增益圖
上述轉換函數的增益
A
v
d
B
{\displaystyle A_{\mathrm {vdB} }}
(以分貝 表示)和頻率的關係如下:
A
v
d
B
=
20
log
-->
|
H
(
j
ω ω -->
)
|
=
20
log
-->
1
|
1
+
j
ω ω -->
ω ω -->
c
|
=
− − -->
20
log
-->
|
1
+
j
ω ω -->
ω ω -->
c
|
=
− − -->
10
log
-->
[
1
+
ω ω -->
2
ω ω -->
c
2
]
{\displaystyle {\begin{aligned}A_{\mathrm {vdB} }&=20\log |H(j\omega )|=20\log {1 \over \left|1+j{\omega \over {\omega _{\mathrm {c} }}}\right|}\\&=-20\log \left|1+j{\omega \over {\omega _{\mathrm {c} }}}\right|=-10\log {\left[1+{\frac {\omega ^{2}}{\omega _{\mathrm {c} }^{2}}}\right]}\end{aligned}}}
若在對數尺度的頻率下繪製不同頻率
ω ω -->
{\displaystyle \omega }
的增益,上式可以用二條直線近似,而這二條線也就是其波德圖增益圖的二條漸近線:
在角頻率小於
ω ω -->
c
{\displaystyle \omega _{\mathrm {c} }}
時,因
ω ω -->
ω ω -->
c
{\displaystyle {\omega \over {\omega _{\mathrm {c} }}}}
項較小,相對 1 而言可以忽略,因此其增益值為定值1,在增益圖上是一條位在0dB的水平線。
在角頻率大於
ω ω -->
c
{\displaystyle \omega _{\mathrm {c} }}
時,因
ω ω -->
ω ω -->
c
{\displaystyle {\omega \over {\omega _{\mathrm {c} }}}}
項比較大,相對而言 1 可以忽略,因此式子簡化為
− − -->
20
log
-->
ω ω -->
ω ω -->
c
{\displaystyle -20\log {\omega \over {\omega _{\mathrm {c} }}}}
,是斜率為-20dB/十倍頻的斜線。[ 4]
上述的二條線在截止頻率
ω ω -->
c
{\displaystyle {\omega _{\mathrm {c} }}}
處交會,在圖3可以看出,當頻率遠低於截止頻率時,電路的衰减量是0dB,對應其通带增益為 1,此時濾波電路的輸出值和輸入值相同,而當頻率高於截止頻率時,信號會被電路衰减,越高頻的信號其衰减量越大。
相位圖
上述轉換函數的相位和頻率的關係如下
φ φ -->
=
− − -->
tan
− − -->
1
-->
ω ω -->
ω ω -->
c
{\displaystyle \varphi =-\tan ^{-1}{\omega \over {\omega _{\mathrm {c} }}}}
其中
ω ω -->
{\displaystyle \omega }
,
ω ω -->
c
{\displaystyle \omega _{\mathrm {c} }}
分別是輸入角頻率及截止角頻率。 當輸入角頻率遠小於截止角頻率時(
ω ω -->
≪ ≪ -->
ω ω -->
c
{\displaystyle \omega \ll \omega _{\mathrm {c} }}
),
ω ω -->
ω ω -->
c
{\displaystyle {\omega \over {\omega _{\mathrm {c} }}}}
比例的數值很小,因此相位角接近零度。當頻率增加,相位角的絕對值也隨之增加。在(
ω ω -->
=
ω ω -->
c
{\displaystyle \omega =\omega _{\mathrm {c} }}
)時為-45度。當輸入角頻率遠大於截止角頻率時(
ω ω -->
{\displaystyle \omega }
>>
ω ω -->
c
{\displaystyle \omega _{\mathrm {c} }}
,
ω ω -->
{\displaystyle \omega }
→∞),相位角會趨近-90度。
正規化圖
波德圖(包括幅頻圖及幅相圖)的橫軸頻率部份均可以用正規化的頻率(無因次頻率,
ω ω -->
ω ω -->
c
{\displaystyle {\omega \over {\omega _{\mathrm {c} }}}}
)表示。此時的圖稱為正規化的波德圖,而且其中不需考慮頻率的單位,因為頻率已改用頻率和截止頻率
ω ω -->
c
{\displaystyle \omega _{\mathrm {c} }}
的比值來表示。
有極點和零點的範例
圖4至圖7是有極點和零點的波德圖,可用來說明如何疊加不同極點的零點的圖形,得到完整的波德圖。
圖4是一個零點及極點(在相同頻率)的波德增益圖,及其直線近似的增益圖。以直線近似的圖來看,在頻率小於零點(或極點)時其增益圖為一水平線,超過零點(或極點)100後以20dB/十倍頻的斜率上升(或下降)。圖5則為其相位圖及直線近似的版本,在頻率小於零點(或極點)的十分之一時,其相位圖為一水平線,超過(10)之後以45度/十倍頻的斜率上升(或下降),直到等於零點(或極點)的十倍(1000)為止,之後相位圖為一數值為+90度(或-90度)的水平線。
圖6及圖7分別是有一個極點及零點的系統的波德增益圖及波德相位圖,其中零點的頻率為極點的十倍。圖6中因為極點中的影響,在頻率超過100極點後,波德極點增益會以-20dB/十倍頻的斜率下降,但到1000時,因波德零點增益會以+20dB/十倍頻的斜率上昇,抵消極點的影響,因此在頻率超過1000之後,增益為一定值。
圖7的相位圖中,在高頻(頻率高於零點十倍)及低頻(頻率高於極點十分之一)處,其相位都為0度,低頻相位為零是因為零點及極點對相位的貢獻均為0度,高頻相位為零是因為零點及極點對相位的貢獻分別為+90度及-90度,互相抵消後總相位為0度。而中間的區域因極點及零點的相位抵消後不為零,因此可以看出其相位的變化。
在系統穩定性的應用
波德圖可用來計算負反饋 系統的增益裕度(gain margin)及相位裕度 ,進而確認系統的穩定性。
相關符號定義
先定義以下的符號:
A
F
B
=
A
O
L
1
+
β β -->
A
O
L
,
{\displaystyle A_{FB}={\frac {A_{OL}}{1+\beta A_{OL}}}\ ,}
其中
A FB 是考慮反饋時的放大器增益(閉迴路增益)
β是反饋係數
A OL 是不考慮反饋時的放大器增益(開迴路增益 )。
在開迴路增益A OL 遠大於1時,閉迴路增益A FB 可以用以下方式近似
A
F
B
=
A
O
L
1
+
β β -->
A
O
L
≈ ≈ -->
A
O
L
β β -->
A
O
L
=
1
/
β β -->
{\displaystyle A_{FB}={\frac {A_{OL}}{1+\beta A_{OL}}}\approx {\frac {A_{OL}}{\beta A_{OL}}}=1/\beta }
在開迴路增益A OL 遠小於1時,閉迴路增益A FB 可以用以下方式近似
A
F
B
=
A
O
L
1
+
β β -->
A
O
L
≈ ≈ -->
A
O
L
{\displaystyle A_{FB}={\frac {A_{OL}}{1+\beta A_{OL}}}\approx A_{OL}}
增益A OL 是頻率的複變函數,有大小及相位。[ 註解 2]
上述的式子中,若βA OL 乘積=−1時,可能會出現增益無窮大(即為不穩定)的情形。(若用大小和相位來表示,此時βA 的大小為1,相位為-180度,此條件會滿足巴克豪森穩定性準則 )。配合波德圖,不但可以判斷系統是否穩定,也可以判斷系統接近以上不穩定條件的程度。
在判斷系統穩定性時,會用到以下二個頻率。第一個頻率f 180 是上述乘積相位恰為-180度的頻率,第二個頻率f 0dB 則為乘積的絕對值|β A OL |=1時的頻率(若以分貝表示時,則為0dB)。頻率f 180 可以用下式來計算:
β β -->
A
O
L
(
f
180
)
=
− − -->
|
β β -->
A
O
L
(
f
180
)
|
=
− − -->
|
β β -->
A
O
L
|
180
,
{\displaystyle \beta A_{OL}\left(f_{180}\right)=-|\beta A_{OL}\left(f_{180}\right)|=-|\beta A_{OL}|_{180},\ }
其中| |表示複數的絕對值(例如| a + j b | = [ a 2 + b 2 ]1/2 )。而頻率f 0dB 有以下的關係:
|
β β -->
A
O
L
(
f
0
d
B
)
|
=
1.
{\displaystyle |\beta A_{OL}\left(f_{0dB}\right)|=1.\ }
增益裕度及相位裕度
增益裕度
增益裕度(gain margin, GM)是衡量系統穩定程度的一種方法。在波德相位圖上可以找到βA OL 相位到達-180度時的頻率,該頻率即為f 180 ,之後就可以在增益圖上找到該頻率時βA OL 的大小。
若|βA OL |180 > 1,表示此系統不穩定。若|βA OL |180 < 1,此系統穩定,而|βA OL |分貝值和0dB(對應增益大小為1)的距離表示系統距離不穩定的程度,稱為增益裕度。
增益裕度也可以用下式表示:
20
log
-->
(
|
β β -->
A
O
L
|
180
)
=
20
log
-->
(
|
A
O
L
|
180
)
− − -->
20
log
-->
(
1
/
β β -->
)
{\displaystyle 20\log(|\beta A_{OL}|_{180})=20\log(|A_{OL}|_{180})-20\log(1/\beta )\ }
相位裕度
相位裕度 (phase margin, PM)是另一種衡量系統穩定程度的方法。在波德增益圖上可以找到|βA OL |大小為1的頻率,該頻率即為f 0dB ,之後就可以在相位圖上找到該頻率時βA OL 的相位。
若βA OL ( f 0dB ) 的相位 > −180°,表示在任何頻率時系統都會穩定,因為在f 180 時大小已小於1,f 0dB 時的相位和-180度之間的差稱為相位裕度。
若只是單純要判斷系統是否穩定,在系統為最小相位 系統時,若以下的式子成立,則系統穩定:
f
0
d
B
<
f
180
{\displaystyle f_{0dB}<f_{180}\ }
若是非最小相位系統,需要用其他方式判斷穩定性,如奈奎斯特圖 [ 5] [ 6] 。
舉例
臨界穩定系統 1/β = 58 dB
增益裕度及相位裕度範例,1/β = 58 dB
圖8:放大器的波德增益圖,其中有以分貝表示的閉迴路增益A FB 及開迴路增益A OL ,參數1/β = 58 dB,低頻時A FB ≈ 58 dB,因為 | βA OL | = 1 出現的頻率和f 180° 的頻率非常接近,其增益裕度幾乎為0。
圖9:放大器的波德相位圖,其中有以度表示的閉迴路相位°A FB 及開迴路相位°A OL ,因為相位到-180度的位置非常接近f = f 0dB (即 | βA OL | = 1)的頻率,因此相位裕度也很接近零度。
圖8及圖9可說明增益裕度及相位裕度在實際系統中的應用。圖8是一個放大器的波德增益圖,圖中有繪出不考慮反饋的增益大小(開迴路增益)A OL 及考慮反饋的增益大小(閉迴路增益)A FB 。在負反饋放大器 條目中有進一步的說明。
在此例中,低頻的A OL = 100 dB,而1/β=58dB。低頻時A FB 的近似值也是58dB。
因為圖中只繪出開迴路增益A OL ,不是β A OL ,因此判斷f 0dB 的條件改為A OL = 1 / β。在低頻時βA OL 遠大於1,A FB 可近似為 1 /β,因此可以用A FB 代替 1 /β,因此A FB 及A OL 相交的位置即為f 0dB (後續在計算相位增益時需要頻率f 0dB )。
在f 0dB 附近,閉回路增益有很大的突波,因此該頻率時β A OL 可能很接近-1(若β A OL =-1,就會有無窮大的增益)。頻率超過f 0dB 之後,A OL 遠小於1,因此A FB 可近似為 A OL 。
圖9則是二種增益在相位上的比較,低頻時閉迴路增益的相位接近0度,但在頻率=f 180 時,開迴路增益的相位為-180度,而閉迴路增益突然下降到幾乎-180度的位置。因開迴路增益相位為−180度,因此相位裕度為0度(-180度-(-180度)=0度)。(參閱簡介 )
根據圖8及圖9,可以看出此放大器的零分貝頻率f 0dB 及相位反轉頻率f 180 非常接近:f 180 ≈ f 0dB ≈ 3.332 kHz,而3.332 kHz對應之開迴路增益為58dB(1/β = 58 dB),58db-58dB=0dB。因此增益裕度及相位裕度都非常接近零,此系統為臨界穩定 。
穩定系統 1/β = 77 dB
圖10和圖11是在較小反饋係數β(1 / β = 77 dB)時,同一系統的波德圖,由於β較小,因此| β A OL | = 1出現在較低的頻率,而低頻時A FB 也是近似1/β(77 dB)。
圖10是波德增益圖。1 / β及A OL 的曲線在f 0dB = 1 kHz時相交。在f 0dB 附近閉迴路增益A FB 沒有明顯的突波[ 註解 3] [ 7] 。
圖11是波德相位圖。利用增益圖上得到的f 0dB = 1 kHz,對應的開迴路相位為−135度,因此相位裕度為正45度(-135度-(-180度)=45度)。(參閱簡介 )
圖11和圖9的函數只有反饋係數β不同,其開迴路的波德相位圖均相同,因此圖11的f 180 和圖9相同,都是3.332 kHz。[ 註解 4] 對應的開迴路增益為58dB,和1/β=77dB比較,增益裕度為19dB。而相位裕度為正45度,此為〈穩定系統〉。
在比較放大器的響應時,穩定性不是唯一的重點,在許多應用中良好的階躍響應 比穩定性更重要。依照經驗法則,良好的階躍響應需要至少45度的相位裕度,若將製造時元件參數偏差一併列入考慮,理想的相位裕度最好要超過70度。[ 8] 在階躍響應 條目有關相位裕度 的段落中有更深入的說明。
波德分析儀
使用波德測試軟體繪製的10階切比雪夫濾波器 增益圖。
波德分析儀(Bode plotter)是一種類似示波器 的儀器,可以量測反饋 控制系統或濾波器在各頻率 的增益及相位變化,繪製成波德圖。右圖即為一例,波德測試儀可以量測系統的截止頻率 、增益裕度 及相位裕度 ,在分析或測試系統的穩定性時很有幫助。
波德分析儀的功能和網路分析儀 一様,不過網路分析儀一般會用來分析相當高頻時的系統特性。
在教育或研究的應用上,利用波德分析儀繪製特定传递函数 的波德圖也可助於了解該系統的特性。
其他相關圖
奈奎斯特图 和尼柯尔斯图 都和波德圖有關,這些圖和波德圖都是顯示頻率響應的資料,不過使用的座標系統不同。奈奎斯特图和尼柯尔斯图都是以頻率 為其參數的參數方程 。奈奎斯特图將各頻率的頻率響應以極座標 的方式繪出,因此各點距原點的距離是增益,各點相對原點的角度是相位。尼柯尔斯图即是將頻率響應的增益(縱軸)及相位(橫軸)均以線性刻度表示、用直角坐標系 的方式繪出,其中增益使用對數尺度(
20
l
o
g
A
(
ω ω -->
)
{\displaystyle 20logA(\omega )}
)。
相關條目
註解
^ 由於波德增益圖的橫軸為對應尺度,斜率的單位常用「dB/十倍頻」(dB/decade ),以+20dB/十倍頻為例,在頻率為原來十倍時,增益會增加20dB,波德相位圖的斜率則用「度/十倍頻」表示。
^ 一般而言,頻率上昇時增益的大小會下降,而增益的相位也會往負值移動。不過這個只是趨勢,有時在特定的頻率區域,增益可能不會遵循上述的關係,此時增益裕度及相位裕度的概念就不適用,不過還是可以用其他方法(如奈奎斯特圖 來判斷穩定性)
^ 利用巴特沃斯濾波器 可以使閉迴路增益的波峰降到最小
^ f 180 是相位到達-180度的頻率,在此實數的反饋係數β只會影響增益的大小,不會影響相位。
參考文献
外部連結