周波数特性解析...目次 1. アナログ/デジタルの周波数特性解析 . . . . . . . ....

周波数特性解析株式会社スマートエナジー研究所

Version 1.0.0, 2018-08-03

目次

1. アナログ/デジタルの周波数特性解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2. 一巡周波数特性(電圧フィードバック). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1. 部分周波数特性解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3. 一巡周波数特性(電流フィードバック). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

4. 補足 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4.1. 周波数範囲の設定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4.2. 信号電圧について . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4.3. Slow解析における設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4.3.1. 周波数分割数の設定(Ndiv). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4.3.2. 解析時間の設定(Tanl) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4.4. 周波数特性の結果がうまく得られないときは . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1. アナログ/デジタルの周波数特性解析

サンプルファイル AnalogDigitalLpfFra.cvt2

アナログのLPF(Low Pass Filter)とデジタルのLPFを例に挙げ、周波数特性を確認する例です。

まず初めに Waveform で 100サイクルシミュレーションを行います。

シミュレーション結果からアナログとデジタルのシミュレーション結果の違いを確認すること

ができます。

このLPFの周波数特性を解析しましょう。

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Example 1. アナログLPFの場合

周波数特性解析を行う場合、回路状態を十分定常状態にする必要があります。定常状態を

保存し、周波数特性解析を行います。以下の手順に従って解析を行ってください。

1. Analysis:Transient を 1000サイクル

実行し応答が十分安定になっていることを確認してください。このTransient解析は

、回路パラメータの変更など、回路状態を変化させた場合には、必ず実行します。

2. Parameter:Update を行い、Transient解析の最終値を保持します。

3. Analysis:Frequency:Fast

を実行します。するとダイアログボックスが表示されるので、周波数測定範囲の

From , to を選択します。ここでは、 OUT1:V:AVE , AnalogOut:V:AVE を選択し

OK を押下します。

以上で周波数特性解析完了です。

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Example 2. デジタルLPFの場合

アナログの手順 1, 2と同様に十分定常状態になった結果を保持します。



From , to を選択します。ここでは、 OUT1:V:AVE , LPF.DigitalOut:FIN を選択し

OK を押下します。


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2. 一巡周波数特性(電圧フィードバック)

サンプルファイル AnalogPidControlFra.cvt2

この例では、フィードバック制御された回路の一巡の周波数特性を解析します。図のように、

AC Sweep素子を挿入し、その前後に入力出力波形検出用のOpen素子 OUT1 ,OUT2

を接続します。周波数特性解析では、この OUT1 から OUT2

までを測定します。このようにすることで、 AC Sweep

から出力された微小変動が、フィードバック信号に加算され、一巡の周波数特性を解析するこ

とができます。

以下に解析手順を示します。

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Example 3. 一巡周波数特性解析

先述のアナログの周波数特性解析と同様に、


実行し応答が十分安定になっていることを確認してください。




From , to を選択します。ここでは、 OUT1:V:AVE , OUT2:V:AVE を選択し OK

を押下します。


2.1. 部分周波数特性解析

系の一部分の周波数特性解析を行うには以下の様にします。

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Example 4. 補償器の周波数特性解析

1. 同様にして十分定常状態になっている状態を保持します。

2. From , to に、 OUT1:V:AVE , AMP1.Vo:V:AVE を選択し OK

を押下します。このとき Phase Fold

のチェックボックスを外しておくと、位相軸が固定されるのを解除できます。

Example 5. 主回路の周波数特性解析

1. 同様にして十分定常状態になっている状態を保持します。

2. From , to に、 CMP1.Vo:V:AVE , OUT2:V:AVE を選択し OK を押下します。

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3. 一巡周波数特性(電流フィードバック)

サンプルファイル AnalogPidCurrControlFra.cvt2

電流フィードバックの一巡周波数特性を測定したい場合には、例として図のように構成します

。

制御対象の電流を IV Sensor を用いてフィードバックします。 IV Sensor の出力電圧と、 AC

Sweep の合計を OUT1 で測定します。周波数特性解析では、この OUT1 から制御対象の

L電流までを測定します。このようにすることで、 AC Sweep

から出力された微小変動が、フィードバック信号に加算され、一巡の周波数特性を解析するこ

とができます。

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Example 6. 一巡周波数特性解析(電流フィードバック)

先述のアナログの周波数特性解析と同様に、


実行し応答が十分安定になっていることを確認してください。




From , to を選択します。ここでは、 OUT1:V:AVE , L:I:AVE を選択し OK

を押下します。


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4. 補足

4.1. 周波数範囲の設定

AC Sweep素子の Fmin 最低周波数, Fmax 最大周波数で設定します。 Fast解析

で解析結果が乱れている場合、 Fmin を低く設定すると正しく解析できる場合があります。

Fmax はメイン周波数の約1/4程度が限界です。

4.2. 信号電圧について

交流信号源の電圧Vacを設定します。Vacは、理論的にはなるべく小さいほうが解析は正確にな

りますが、小さすぎるとリップル等の雑音の影響を受けやすくなります。また、逆に大きすぎ

る場合には飽和したり波形が歪んだりします。通常は、デフォルトの１mVで良いでしょう。1u

V～1V程度で設定してください。

4.3. Slow解析における設定

4.3.1. 周波数分割数の設定(Ndiv)

Slow解析の場合は、周波数の分割数をNdivに設定します。Fast解析の場合は、自動的に設定さ

れます。

4.3.2. 解析時間の設定(Tanl)

Slowを使用する場合、解析時間Tanlを設定します。解析時間とは、過渡応答が終わり定常状態

になるまでの時間です。周波数特性解析ではAC

Sweep素子の周波数や電圧を変化させ、その応答を観測します。このとき、過渡応答が生じま

すが、これが十分安定しないと正確な測定ができません。通常は、デフォルトの10msで良いと

思いますが、時定数の大きい回路の場合は、長く設定する必要があります。もし、解析結果が

正確でないようなら20ms、30ms･･･等設定してください。Fast解析の場合は、自動的に設定さ

れます。

4.4. 周波数特性の結果がうまく得られないときは

周波数特性解析は、系によっては正確な結果が得られない場合もあります。正確な結果を得る

ために、下記の項目を検討してください。

Table 1. 周波数特性のチェックポイント

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ポイント説明

回路を安定系にする周波数特性は定常状態で計測するため、系全体が安定系となる

よう設計してください。

直流波形を解析する交流電源や他の理由で波形が振動する場合、AC Sweep

素子の正弦波信号が乱されてしまうため、正確な周波数特性は

得られません。直流波形に変換して解析してください。

変数のモードをAveに設定する入力・出力波形には任意の変数モードを指定可能ですが、通常

、平均値の特性で周波数特性を解析することが一般的と考えら

れるため、変数モードには「Ave」を設定してください。

周波数特性の解析帯域を確認す

る

AC Sweep

素子のパラメーターで、周波数特性を解析する帯域を指定する

「Fmin」と「Fmax」の値を確認してください。

「Fmin」の値が大きい場合、正確な特性が得られないことが

あるため、十分に小さい値にしてください。「Fmax」

はメイン周波数の約1/4程度が限界です。

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