เรียนรู้ แผนภาพโบดและขอบเสถียรภาพ ตั้งแต่ต้น
ก่อนหน้านี้: อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์, การแปลงลาปลาซ
1กราฟโบเดแสดงอะไร
ป้อนคลื่นไซน์เข้าตัวกรองหรือเครื่องขยาย แล้วไซน์ที่มีความถี่เดียวกันออกมา มีเพียงสองสิ่งที่เปลี่ยน: ขนาดและจังหวะของมัน
อัตราขยาย |H| คืออัตราส่วนของแอมพลิจูดเอาต์พุตต่ออินพุต เฟส φ คือเอาต์พุตเลื่อนไปเท่าใด ในหน่วยองศา เฟสลบหมายความว่าเอาต์พุตล้าหลัง
ทั้งสองขึ้นกับความถี่ กราฟโบเด (Bode plot) วาดมันเทียบกับความถี่: อัตราขยายเป็นเดซิเบลด้านบน เฟสด้านล่าง แกนความถี่เป็นลอการิทึม ดังนั้นทุกเดคาด (×10) มีความกว้างเท่ากัน
เดซิเบลเปลี่ยนอัตราส่วนเป็นตัวเลขที่บวกกันได้:
|H|dB = 20·log₁₀|H|
- อัตราขยาย 1 คือ 0 dB, 10 คือ 20 dB, 100 คือ 40 dB และ 0.1 คือ −20 dB
- อัตราขยาย 1/√2 ≈ 0.707 คือ −3 dB นี่คือขอบของแถบผ่านของตัวกรอง
ตรวจสอบตนเอง เครื่องขยายมีอัตราขยาย 100 อัตราขยายเป็นเดซิเบลเท่าใด
- 100 dB
- 2 dB
- 20 dB
- 40 dB
คำตอบ: 40 dB. 20·log₁₀(100) = 20·2 = 40 dB ส่วน 20 dB ใช้ 10·log₁₀ ซึ่งสำหรับอัตราส่วนกำลัง ไม่ใช่แรงดัน ส่วน 2 เป็นเพียง log₁₀(100)
2ตัวกรองอันดับหนึ่ง
ตัวต้านทานกับตัวเก็บประจุหรือตัวเหนี่ยวนำทำตัวกรองที่ง่ายที่สุด ตัวกรองผ่านต่ำ (low-pass)ผ่านความถี่ต่ำและลดความถี่สูง ตัวกรองผ่านสูง (high-pass)ทำตรงกันข้าม
ในตัวกรองผ่านต่ำ RC (ซ้าย) เอาต์พุตอยู่คร่อมตัวเก็บประจุ ในตัวกรองผ่านสูง RC (ขวา) อยู่คร่อมตัวต้านทาน เมื่อใช้ตัวเหนี่ยวนำ เอาต์พุตของตัวกรองผ่านต่ำอยู่คร่อม R และของตัวกรองผ่านสูงอยู่คร่อม L
การเปลี่ยนแปลงเกิดรอบความถี่มุม (corner frequency) ซึ่งอัตราขยายเป็น −3 dB เท่ากันสำหรับแบบผ่านต่ำและผ่านสูง:
ωc = 1/(R·C) ωc = R/L fc = ωc/(2π)
ωc เป็น rad/s และ fc เป็น Hz ใส่ R, C และ L ในหน่วยฐานก่อน: Ω, F และ H
กราฟแสดงตัวกรองผ่านต่ำ ต่ำกว่า ωc อัตราขยายประมาณ 0 dB สูงกว่านั้นอัตราขยายตก 20 dB ต่อเดคาด เฟสไปจาก 0° ถึง −90° และเป็น −45° ที่มุม
ที่ความถี่ใด ๆ ด้วยอัตราส่วน x = f/fc = ω/ωc:
- ผ่านต่ำ: |H| = 1/√(1 + x²) และ φ = −atan x
- ผ่านสูง: |H| = x/√(1 + x²) และ φ = 90° − atan x
ตัวอย่างที่แก้ให้ดูจงหาความถี่มุม fc ของตัวกรองผ่านสูง RL ที่ R = 470 Ω และ L = 47 mH
2ωc = R/L = 470/0.047 = 10 000 rad/s
3fc = 10 000/(2π) = 1592 Hz
คำตอบ fc ≈ 1592 Hz (ωc = 10 000 rad/s)
ตรวจสอบตนเอง ตัวกรองผ่านต่ำ RC มี R = 1 kΩ และ C = 1 µF ความถี่มุม fc เป็นเท่าใด
- 1000 Hz
- 159 Hz
- 159 kHz
- 6283 Hz
คำตอบ: 159 Hz. ωc = 1/(1000·0.000001) = 1000 rad/s ดังนั้น fc = 1000/(2π) = 159 Hz ส่วน 1000 คือ ωc ใน rad/s ไม่ใช่ Hz ส่วน 6283 คูณด้วย 2π และ 159 kHz ลืม k ใน kΩ
3กราฟโบเดแบบเส้นตรง
สำหรับฟังก์ชันถ่ายโอน G(s) คุณร่างขนาดด้วยเส้นตรงได้ แต่ละตัวประกอบเปลี่ยนความชันที่ความถี่มุมของตัวเอง
- ตัวประกอบโพล (s + p) ในตัวส่วนหักเส้นลง 20 dB/เดคาด ตั้งแต่ ω = p เป็นต้นไป
- ตัวประกอบศูนย์ (s + z) ในตัวเศษหักเส้นขึ้น 20 dB/เดคาด ตั้งแต่ ω = z เป็นต้นไป
- ตัวประกอบ s ในตัวส่วน (ตัวอินทิเกรต) ให้ −20 dB/เดคาด ที่ทุกความถี่ และเฟส −90°
- เมื่อไม่มีตัวอินทิเกรต กราฟเริ่มราบที่อัตราขยาย DC G(0) แปลงเป็น dB
รูปแสดง G(s) = 10 000/((s + 10)(s + 100)) G(0) = 10 000/1000 = 10 ดังนั้นกราฟเริ่มที่ 20 dB มันหักเป็น −20 dB/เดคาด ที่ 10 rad/s และ −40 dB/เดคาด ที่ 100 rad/s
เพื่อหาความชันในแถบหนึ่ง: เริ่มด้วย −20 dB/เดคาดต่อตัวอินทิเกรต แล้วบวก −20 สำหรับแต่ละมุมโพล และ +20 สำหรับแต่ละมุมศูนย์ที่ต่ำกว่าแถบนั้น
ตรวจสอบตนเอง G(s) = 20(s + 50)/(s(s + 5)) ความชันของกราฟเส้นตรงระหว่าง 5 และ 50 rad/s เป็นเท่าใด
- 0 dB/เดคาด
- −20 dB/เดคาด
- −40 dB/เดคาด
- −60 dB/เดคาด
คำตอบ: −40 dB/เดคาด. ตัวอินทิเกรตให้ −20 ตั้งแต่เริ่ม โพลที่ 5 เพิ่ม −20 ดังนั้นความชันคือ −40 ระหว่าง 5 และ 50 ศูนย์ที่ 50 พากลับเป็น −20 เหนือ 50 ส่วน −60 ถือศูนย์เป็นโพล
4ค่าที่แน่นอนที่ความถี่หนึ่ง
เส้นตรงเป็นเพียงภาพร่าง สำหรับค่าที่แน่นอน แทน s = jω แต่ละตัวประกอบ (jω + a) เป็นจำนวนเชิงซ้อนที่มี:
|jω + a| = √(ω² + a²) ∠(jω + a) = atan(ω/a)
ขนาดของ G คือผลคูณของขนาดตัวเศษหารด้วยผลคูณของขนาดตัวส่วน เฟสคือผลรวมของมุมตัวเศษลบผลรวมของมุมตัวส่วน
ตัวอย่าง: G(s) = 150/((s + 3)(s + 4)) ที่ ω = 4 rad/s |j4 + 3| = 5 และ |j4 + 4| = 5.657 ดังนั้น |G| = 150/28.28 = 5.30 ซึ่งเท่ากับ 14.5 dB
เฟสคือ −atan(4/3) − atan(4/4) = −53.1° − 45° = −98.1°
วงจร RLC อนุกรมที่มีเอาต์พุตคร่อม R เป็นตัวกรองผ่านแถบ (band-pass) มันผ่านความถี่ใกล้ความถี่เรโซแนนซ์ ω₀ = 1/√(LC) แบนด์วิดท์คือ BW = R/L ใน rad/s และค่าตัวประกอบคุณภาพ Q = ω₀/BW
- เขียน G(s) หรือ H(jω) สำหรับตัวกรอง RC หรือ RL หา ωc และอัตราส่วน x = ω/ωc ก่อน
- สำหรับแต่ละตัวประกอบ หาขนาด √(ω² + a²) และมุม atan(ω/a)
- คูณและหารขนาด บวกมุมของศูนย์และลบมุมของโพล ตัวอินทิเกรตเพิ่ม −90°
- แปลงขนาดเป็น dB ด้วย 20·log₁₀
- ตรวจสอบกับภาพร่างเส้นตรง: ค่าที่แน่นอนควรอยู่ใกล้มัน และต่ำกว่ามัน 3 dB ที่มุมเดียว
5ตัวอย่างที่แก้ให้ดู
นี่คือโจทย์ปานกลางทั่วไป ลองแต่ละขั้นก่อนที่จะเปิดดู
ตัวอย่างที่แก้ให้ดูตัวกรองผ่านต่ำ RC มี R = 10 kΩ และ C = 100 nF ป้อนคลื่นไซน์ 480 Hz จงหาอัตราขยาย |H| ใน dB และการเลื่อนเฟส φ
1ใช้หน่วยฐาน: R = 10 000 Ω และ C = 0.0000001 F
ωc = 1/(10 000·0.0000001) = 1000 rad/s
fc = 1000/(2π) = 159.2 Hz
2x = f/fc = 480/159.2 = 3.016
อินพุตอยู่เหนือความถี่มุม จึงคาดว่าอัตราขยายจะสูญเสียชัดเจน
3|H| = 1/√(1 + 3.016²) = 1/3.177 = 0.315
20·log₁₀(0.315) = −10.0 dB
4ตัวกรองผ่านต่ำทำให้เอาต์พุตล้าหลัง ดังนั้นเฟสเป็นลบ
φ = −atan(3.016) = −71.7°
5เส้นตรงให้ −20·log₁₀(3.016) = −9.6 dB ใกล้เคียงกับค่าที่แน่นอน −10.0 dB
คำตอบ |H| ≈ −10.0 dB และ φ ≈ −71.7°
6ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย
- ใช้ 10·log₁₀ สำหรับอัตราขยายแรงดัน อัตราขยายของสัญญาณใช้ 20·log₁₀
- สับสนระหว่าง ω กับ f ωc = 1/(RC) อยู่ใน rad/s หารด้วย 2π สำหรับ Hz
- ใช้ L/R เป็นความถี่มุมของ RL L/R คือค่าคงตัวเวลา ความถี่มุมคือ ωc = R/L
- บวกขนาดเหมือน ω + a ขนาดของ jω + a คือ √(ω² + a²)
- ลืมตัวอินทิเกรต: 1/s ให้ −20 dB/เดคาด และ −90° ที่ทุกความถี่
- ตอบค่าเส้นตรงทั้งที่โจทย์ถามขนาดที่แน่นอน
ตรวจสอบตนเอง อัตราขยาย DC ของ G(s) = 400/((s + 2)(s + 5)) ใน dB เป็นเท่าใด
- 16.0 dB
- 32.0 dB
- 40 dB
- 52.0 dB
คำตอบ: 32.0 dB. G(0) = 400/(2·5) = 40 และ 20·log₁₀(40) = 32.0 dB ส่วน 16.0 dB ใช้ 10·log₁₀ ส่วน 40 เป็นอัตราส่วน ไม่ใช่ dB ส่วน 52.0 dB ลืมตั้ง s = 0 ในตัวส่วน
7ข้อสอบมีหน้าตาอย่างไร
- ง่าย: ตัวกรองและเส้นกำกับ ความถี่มุมของตัวกรอง RC หรือ RL ใน Hz หรือ rad/s ความชันของกราฟเส้นตรงในแถบหนึ่ง หรืออัตราขยาย DC ใน dB
- ปานกลาง: ขนาดและเฟส อัตราขยายใน dB หรือเฟสของตัวกรองที่ความถี่ที่กำหนด |G(jω)| หรือ ∠G(jω) ที่แน่นอนของฟังก์ชันถ่ายโอน หรือ f₀, BW หรือ Q ของตัวกรองผ่านแถบ RLC
- ยาก: ขอบเสถียรภาพของวง L(s) เช่น 85/(s(s + 5)) หรือ K/(s(s + a)(s + b))
ในระดับยากคุณต้องการสองความถี่ ที่จุดตัดอัตราขยาย (gain crossover) ωc, |L(jω)| = 1 (0 dB) ที่จุดตัดเฟส (phase crossover) ω180, ∠L(jω) = −180°
PM = 180° + ∠L(jωc) GM = −20·log₁₀|L(jω180)|
สำหรับ L(s) = K/(s(s + a)(s + b)) จุดตัดเฟสอยู่ที่ ω180 = √(a·b) วงเสถียรเมื่อขอบทั้งสองเป็นบวก
เรียนรู้ทีละขั้นในแอปเรียนรู้ทีละขั้นในแอป