0~5V,0~10V电压信号传输途径 | Voltage signal coupling path
图1 电压源信号的传输途径

如图1,电压源信号的传输主要由3部分组成:

  1. 负反馈型电压信号输出电路。
  2. 信号传输电缆。其中,C1、L1为电缆的寄生电容和寄生电感,其参数和电缆长度、布线型式等有直接关系。
  3. 输入信号采集电路。其中,L2、C2为部分采样电路可能布置的低通滤波电路。

对于负反馈型电压信号输出电路,其输入信号的计算公式如下:

        ∣Xi′∣=∣Xi​∣−∣Xf​∣

当∣Xf​∣的相位超期或滞后180°时,输入信号的计算公式就变成了如下形式:

        ∣Xi′∣=∣Xi​∣+∣Xf​∣

也就是说,在没有输入信号(∣Xi​∣为0)的情况下,反馈信号(∣Xf​∣)维持输出信号(|X0|),输出信号(|X0|)又反过来维持反馈信号(∣Xf​∣)。此时,自激振荡就形成了。

总而言之,如下2个条件,是导致自激振荡的前提:

  1. |AF| > 1
  2. φA​+φF​=(2n+1)Π

回路上的相位差从何而来呢?

信号传输电缆上寄生的C1、L1,输入信号采集电路上的L2、C2,以及信号输出电路上的滤波电容都有可能导致提前或滞后的相位差。最终的相位差是这些相位差之和,如果超期或滞后180°,就有可能自激振荡。

如何避免自激振荡呢?

我们只需要确保在应用频域的范围内,前述2个条件不能被同时满足,就可以避免自激振荡了。

负反馈电路不发生振荡的条件
图2 负反馈回路不发生振荡的条件

如图2:

f c为环路增益20log|AF|降到0dB的频率。

f o为环路相位差小于-180°的频率。

所以,当相位差超期或滞后180°时,环路的增益降到0以下,电路就是稳定的。

相对来说,电流源信号为什么不容易产生振荡?

电流信号输出电路的反馈回路 | Current Signal feedback path
图3 电流源反馈回路
电压信号输出电路的反馈回路 | Voltage signal feekback path
图4 电压源反馈回路

如图2所示,目前应用比较广泛的电流源输出为镜像电流源。它的负反馈调节回路只包含红线所标识的镜像电流源的一侧。所以,外部的负载电路对反馈回路的相位差和增益影响小,只要控制好内部反馈回路的参数,就不会发生振荡。

如图3所示,电压源信号的反馈点位于电路输出点。所以,反馈回路包含红线所标示的内部电路和外部的电缆及采样电路。这样,当外部电缆或采样电缆的电气参数发生变化时,负反馈回路的相位差和增益也会发生变化。当这种变化使自激振荡的2个条件被满足时,就发生振荡了。