波德图
波德图(英语:Bode plot,“Bode”的英文发音类似Boh-dee,荷兰文的发音则类似Bow-dah),又名伯德图、波特图,是线性非时变系统的传递函数对频率的半对数座标图,其横轴频率以对数尺度表示,利用波德图可以看出系统的频率响应。波德图一般是由二张图组合而成,一张幅频图表示频率响应增益的分贝值对频率的变化,另一张相频图则是频率响应的相位对频率的变化。
波德图可以用电脑软件(如MATLAB)或仪器绘制,也可以自行绘制。利用波德图可以看出在不同频率下,系统增益的大小及相位,也可以看出大小及相位随频率变化的趋势。
波德图的图形和系统的增益,极点、零点的个数及位置有关,只要知道相关的资料,配合简单的计算就可以画出近似的波德图,这是使用波德图的好处。
简介
波德图是由贝尔实验室的荷兰裔科学家亨德里克·韦德·波德在1930年发明。波德用简单但准确的方法绘制增益及相位的图,因此他发明的图也就称为波德图。
波德图幅频图的频率用对数尺度表示,增益部分一般都用功率的分贝值来表示,也就是将增益取对数后再乘以20。由于增益用对数来表示,因此一传递函数乘以一常数,在波德增益图只需将图形的纵向移动即可,二传递函数的相乘,在波德幅频图就变成图形的相加。幅频图纵轴0分贝以下具有正增益裕度、属稳定区,反之属不稳定区:
波德图相频图的频率也用对数尺度表示,而相位部分的单位一般会使用度。配合波德相频图可以估算一信号进入系统后,输出信号及原始信号的比例关系及相位。例如一个Asin(ωt) 的信号进入系统后振幅变原来的k倍,相位落后原信号Φ,则其输出信号则为(A k) sin(ωt − Φ),其中的k和Φ都是频率的函数。相频图纵轴-180度以上具有正相位裕度、属稳定区,反之属不稳定区
若将系统的增益以复数表示,则复数增益取对数后的虚部即为相位,因此二传递函数的相乘,在波德相位图上也是图形的相加。
以下考虑有一个极点的高通滤波器、如图2:
其中 f 是频率,f1是极点的位置,单位都是Hz。图中f1 = 100 Hz。此传输函数的绝对值为:
其相位为:
由于波德相位图的纵轴相位使用角度而不是弪度,需要使用对应角度的反正切函数。波德增益图的纵轴是转换函数的分贝,其数值如下:
如下图3是一个单一极点低通滤波器的波德图:
于图3中也有用直线近似的波德图,常在自行绘制波德图时使用,其原理会在后面的章节中说明。