波德圖

波德圖，又名-{zh-hans:伯德圖;zh-hant:波特圖}-，是線性非時變系統的傳遞函式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。波德圖可以用電腦軟體或儀器繪製，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。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。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，因此一傳遞函式乘以一常數，在波德增益圖只需將圖形的縱向移動即可，二傳遞函式的相乘，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：formula_1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訊號進入系統後，輸出訊號及原始訊號的比例關係及相位。例如一個"A"sin(ω"t") 的訊號進入系統後振幅變原來的"k"倍，相位落後原訊號Φ，則其輸出訊號則為("A" "k") sin(ω"t" − Φ)，其中的"k"和Φ都是頻率的函式。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，因此二傳遞函式的相乘，在波德相點陣圖上也是圖形的相加。以下考慮有一個極點的高通濾波器、如圖2：formula_2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。此傳輸函式的絕對值為：formula_3其相位為：formula_4由於波德相點陣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式。波德增益圖的縱軸是轉換函式的分貝，其數值如下：formula_5如下圖3是一個單一極點低通濾波器的波德圖：formula_6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。若轉換函式是有理函式，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式的對數值：formula_7上述函式的對數值可以轉換為極點及零點對數的和：formula_8在繪製波德相點陣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formula_9的公式。考慮以下的轉換函式：formula_10其中formula_11及formula_12是常數，formula_13, formula_14，而"H"是轉換函式。在處理無法分解的二次多項式formula_19時，多半可以用formula_20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：上述的修正方式只針對實數的極點或零點。若formula_23或formula_24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。直線近似的相點陣圖.考慮一個以下型式的傳遞函式：formula_10可以先依每個極點及零點分別繪製相點陣圖，再將各相點陣圖相加。相點陣圖的曲線為以下的反正切函式formula_26。在繪製相點陣圖時，針對每個極點及零點：簡易傳遞函式的波德圖趨勢.以下是常見簡易傳遞函式的波德圖趨勢：舉例.考慮以下的低通RC電路、如圖3，其頻域的轉換函式如下：formula_41由轉換函式可以得到其截止頻率"f"c為formula_42另一種等效表示法為formula_43其中formula_44為截止角頻率，單位是弧度每秒。以角頻率表示的轉換函式如下formula_45上述的方程式是一個正規化後的轉換函式，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.上述轉換函式的增益formula_46和頻率的關係如下：formula_47若在對數尺度的頻率下繪製不同頻率formula_48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：上述的二條線在截止頻率formula_54處交會，在圖3可以看出，當頻率遠低於截止頻率時，電路的衰減量是0 dB，對應其通帶增益為 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，訊號會被電路衰減，越高頻的訊號其衰減量越大。相點陣圖.上述轉換函式的相位和頻率的關係如下formula_55其中formula_48, formula_49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，相位角會趨近-90度。正規化圖.波德圖表示。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formula_49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點陣圖，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的相點陣圖中，在高頻處，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：formula_66其中在開迴路增益"A"OL遠大於1時，閉迴路增益"A"FB可以用以下方式近似formula_67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formula_68增益"A"OL是頻率的複變函式，有大小及相位。上述的式子中，若β"A"OL乘積=−1時，可能會出現增益無窮大。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。頻率"f"180可以用下式來計算：formula_69其中| |表示複數的絕對值。而頻率"f"0dB有以下的關係：formula_70增益裕度及相位裕度.增益裕度.增益裕度是衡量系統穩定程度的一種方法。在波德相點陣圖上可以找到β"A"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β"A"OL的大小。若|β"A"OL|180 &gt; 1，表示此係統不穩定。若|β"A"OL|180  −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：formula_72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。舉例.臨界穩定系統 1/β = 58 dB.Image:Magnitude of feedback amplifier.PNG|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，引數1/β = 58 dB，低頻時"A"FB ≈ 58 dB，因為 | β"A"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。Image:Phase of feedback amplifier.PNG|圖9：放大器的波德相點陣圖，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"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β"A"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。在"f"0dB附近，閉迴路增益有很大的突波，因此該頻率時β "A"OL可能很接近-1。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，58db-58dB=0dB。因此增益裕度及相位裕度都非常接近零，此係統為臨界穩定。穩定系統 1/β = 77 dB.Image:Gain Margin.PNG|圖10：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，引數1/β = 77 dB，增益裕度為19 dB。Image:Phase Margin.PNG|圖11：放大器的波德相點陣圖，其中有以度表示的閉迴路相位"°A"FB及開迴路相位"°A"OL，相位裕度為45度。圖10和圖11是在較小反饋係數β。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。圖11是波德相點陣圖。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度圖11和圖9的函式只有反饋係數β不同，其開迴路的波德相點陣圖均相同，因此圖11的"f"180和圖9相同，都是3.332 kHz。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，若將製造時元件引數偏差一併列入考慮，理想的相位裕度最好要超過70度。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.波德分析儀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傳遞函式的波德圖也可助於瞭解該系統的特性。其他相關圖.奈奎斯特圖和尼柯爾斯圖都和波德圖有關，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。奈奎斯特圖和尼柯爾斯圖都是以頻率為其引數的引數方程。奈奎斯特圖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。尼柯爾斯圖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。相關條目.