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諧波電位：如何考慮振蕩器電路
當我們僅隔離地考慮單個對象時，振蕩器就是簡單的系統(tǒng)-運動跨越兩個具有一定周期的極限之間，并且似乎對了解振蕩系統(tǒng)沒有更多的了解。但是，實際上，在具有和不具有耦合的復雜系統(tǒng)中都可能發(fā)生振蕩，導致振蕩的條件可能并不明顯。只要系統(tǒng)受諧波電位控制，就有可能發(fā)生阻尼振蕩。
發(fā)現(xiàn)振蕩。您需要知道在系統(tǒng)的運動方程中尋找什么。對于具有耦合的系統(tǒng)，您需要定義和求解耦合系統(tǒng)的特征值方程。最糟糕的是，您必須對隔離的電路塊進行仿真。簡單的電路和系統(tǒng)在運動方程中將具有明顯的諧波電勢，但是在具有許多組件的大型電路中可能并不明顯。幸運的是，有一些仿真功能可用于發(fā)現(xiàn)諧波電位或直接搜索振蕩。
什么是諧波電位？
通常用牛頓力學來討論術語“諧波勢”。在從力學上討論胡克定律時，以下齊次方程用于定義作用在質量為“ m”的粒子上并經受強度為“ k”的恢復力的凈力：
式（1）：諧波電位對粒子的作用力
在函數(shù)的二階導數(shù)與該函數(shù)成比例的情況下，產生這種力的勢能稱為諧波勢。通常，這種類型的方程會產生一些振蕩。如果我們在系統(tǒng)中有某種耗散源（例如，由于摩擦造成的損耗），則我們有一個阻尼振蕩器，它可能會顯示出衰減不足的瞬態(tài)振蕩和共振。
在任何情況下，歸因于諧波電位的振蕩器方程的一般形式定義為：
式（2）：振蕩器的一般運動方程
在這里，比例常數(shù)“ a”可以是復數(shù)，這意味著我們可以同時具有振蕩和耗散。也可以使用代數(shù)以與標準阻尼振蕩器運動方程式相同的形式編寫該方程式。同樣，“ f”是一些可測量的量，可能會顯示出振蕩。該方程式是識別電子設備中諧波電位的關鍵。如果可以為您的系統(tǒng)推導一個方程式。（2），那么您知道存在諧波電位并且可能存在振蕩。
電子中的諧波勢
盡管我們不需要電子中的機械勢能函數(shù)，但仍可以從存儲在各種電路元件中的勢能中得出一個振蕩器方程。考慮一個簡單的串聯(lián)LC電路。跨電容器測得的電壓取決于電容器中的電荷，并且與電感器產生的反電動勢成正比。在這種情況下，在任何給定的時刻，電容器上的總電荷為（根據(jù)法拉第定律）：
方程（3）：LC電路中電容器上電荷的運動方程示例。
顯然，我們具有一些控制電路行為的諧波電位。電容器中存儲的作為時間函數(shù)的勢能是電容器兩端電壓的積分：
式（4）：電容器的諧波電位。
由于電容器中的電荷和電壓是時間的連續(xù)變化函數(shù)，因此存儲的勢能也將隨時間變化。實際電路中可能發(fā)生的各種振蕩可能非常復雜，尤其是當我們考慮存在復雜電路的耦合時。
耦合系統(tǒng)
耦合系統(tǒng)更為復雜，通常被寫為線性方程組。這些系統(tǒng)作為特征值問題可以手工解決; 關于這一主題的指南可以在許多數(shù)學教科書中找到。對于耦合系統(tǒng)和非常復雜的RLC電路，更好的方法是使用SPICE仿真器來解決這些系統(tǒng)并發(fā)現(xiàn)振蕩。您不會直接計算諧波電位，而是可以在模擬結果中尋找振蕩。
使用SPICE仿真了解諧波勢
仿真工具在非常復雜的系統(tǒng)中非常有用，并且系統(tǒng)中的運動特征方程對于導出和/或求解而言可能很棘手。可以執(zhí)行兩種SPICE仿真，以發(fā)現(xiàn)電路中的振蕩：
查看具有參數(shù)掃描（時域）的瞬態(tài)分析中的脈沖響應。
使用零極點分析來找出哪些驅動頻率會產生穩(wěn)定或不穩(wěn)定的振蕩（頻域）。
瞬態(tài)分析和參數(shù)掃描的反復試驗
參數(shù)掃描是一種在系統(tǒng)中搜索振蕩的簡單方法，直覺上，人們可能會期望它發(fā)生。參數(shù)掃描可用于掃描系統(tǒng)中的組件值或其他參數(shù)值，以確定可能發(fā)生振蕩的位置。作為瞬態(tài)分析的示例，RLC電路具有諧波電勢，當電路中的等效阻尼變得足夠低時，該諧波電勢會切換為欠阻尼行為。
下圖顯示了使用脈沖源驅動的任意RLC電路的瞬態(tài)分析結果，以顯示這些振蕩何時變得明顯。從紅色曲線可以看出，振蕩條件從過阻尼切換為欠阻尼。最終，振蕩變得更大，如綠色曲線所示。這種類型的仿真結果很重要，因為它告訴我們電路中存在諧波電位，這可以證實我們的直覺，而掃描結果可以幫助我們了解發(fā)生振蕩的極限。
零點分析
零極點分析對于可能需要在一定頻率范圍內運行的復雜電路（例如，在交流系統(tǒng)中）是更好的選擇。該分析可以處理耦合的或不耦合的LTI系統(tǒng)。如果沒有線性逼近，就無法處理非線性電路或組件。這種類型的分析將為您提供系統(tǒng)中每個極點的瞬態(tài)振蕩頻率和阻尼常數(shù)，兩者結合起來可在系統(tǒng)中產生瞬態(tài)響應。此數(shù)值技術還可與參數(shù)掃描一起用于設計探索。