不降频，不改PCB，不调电路参数，如何抑制振铃呢？

硬件笔记本

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一道问题
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文章开头图片中，激励源VG1是2MHz的方波，经过L1和C1，输出端VF2的边沿有明显的振铃。问在此电路基础上，不调激励源频率，不调L和C数值，如何抑制振铃？
9 U# `: n9 _: \! j这个问题，在现实的问题调试中很常见。我们经常遇到PCB已经做好，板子也贴好，上电测试发现某驱动信号波形很差劲，有明显振铃。怎么办？
①调整电路参数；-->要改BOM，已贴好的板子都要返工改制；
  X+ n5 R% ]0 s. T* I5 v' U% D②增加抑制振铃电路；-->要改PCB，重新打板，浪费时间和钱；
③降频；-->降低激励源频率是常见的SI调试手段，但现实条件未必允许。频率通常是在设计阶段提前规划好，牵一发则动全身。
8 r( z# p; }9 x3 Q4 w$ `) W这些都不行，怎么办呢？今天我们就来一起探讨一下……
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激励源的频谱
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4 C+ Q, f& [* R, }* ?1 q# c3 p前面仿真我们用的激励源是2MHz的方波，上升沿为2ns。我们依然使用TINA-TI进行仿真，选用“示波器”来看激励源的时域信号，选用“信号分析仪”来看信号的频谱。仿真结果如下图所示：

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我们再把频谱的图片单独拉出来看下。
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2 Y9 a7 Y5 _1 S# s" W可能单看这个图，可能看不出来什么，不妨我们标记2组数据。

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第一组：光标a处是5.82MHz，对应的幅值为-7.53dB；光标b处是58.2MHz，对应的幅值为-27.89dB，两者相差约20dB。
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第二组：光标a处是365MHz，对应的幅值为-56.84dB；光标b处是3.65GHz，对应的幅值为-95.4dB，两者相差约40dB。
+ ]" m: K. u6 a$ ?, s7 [说到这里，有点同学可能想起来一些内容。对了，就是梯形波频谱的包络渐近线。现实中的方波，都不会是理想的方波，会存在一定上升沿和下降沿，即便是ns级，ps级，依然可以看做是梯形波。所以，理解梯形波频谱的包络渐近线，具有广泛的指导意义。
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' a5 z  A2 X6 M1 y$ m- O8 c梯形波的频谱包络渐近线
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梯形波的频谱包络由3条渐近线和2个分界点围城：
: D  Z) c" Z) E①渐近线0dB/10dec：在0~f1范围内；
②渐近线-20dB/10dec：在f1~f2范围内；
③渐近线-40dB/10dec：在大于f2的范围内；
7 H% s5 [2 U( Z" I* P! d④分界点f1：1/πtw；
1 \  S5 S. t3 H⑤分界点f2：1/πtr；
tw为梯形波的脉冲宽度，tr为梯形波的脉冲上升沿时间。
0 s, h1 n9 x8 w) a在我们了解梯形波包络渐近线后，我们可以通过调整tw和tr来调整梯形波的频谱包络。
在不改变激励源频率的前提下，我们尝试把上升沿从2ns调整为10ns，再看下

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对比tr=2ns和tr=10ns的频谱包络，可以粗略看出在高频段幅值有明显跌幅。此时我们可以重点关注下分界点f2（1/πtr），定量来分析。
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tr=2ns时，可以粗略计算出f2=159MHz。即：当频率大于159MHz时，频率分量的幅值才以-40dB/dec的速率减小。
: f( F! k7 w& w4 Z+ `" u2 z7 Mtr=10ns时，可以粗略计算出f2=31.8MHz。即：当频率大于31.8MHz时，频率分量的幅值就开始以-40dB/dec的速率减小。
: A" p* X6 F8 @  f+ f9 ~. c. @从上图中，确实可以看出这样的趋势。当上升沿从2ns增大到10ns后，频谱以-40dB/dec速率下降的频点明显提前（从159MHz提前到31.8MHz）。
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5 K7 e7 O1 U- a7 m* U$ _+ R" g再结合电路分析

* Y# C, w& }2 H9 ]( M前面我们花了大量的篇幅来分析激励源的频谱，并对包络渐近线进行了定量解析，这只是对电路激励源的分析。我们再结合电路来看。
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6 O5 {6 M% u% ?8 A$ J8 kLC电路的频率增益曲线，如上图所示，相信各位同学并不陌生。谐振点的位置在689MHz附近。这个谐振频率属于电路的硬件特性，不会随着激励源的频率、上升沿变化而变化。不论激励源tr是2ns还是10ns，LC电路的谐振频率和Q值是不变的。
+ L& D- h- H) t. i; T结合上一小节的结论，我们可以知晓：tr从2ns增大到10ns，频谱开始以-40dB/dec速率衰减的频点从159MHz提前到31.8MHz。当频率上升到689MHz附近时，相较于tr=2ns，tr=10ns的激励源频谱衰减的更多，幅值更低。基于LC谐振的选频特性，被选频放大后的幅值也会比tr=2ns的要小。
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如上图所示，左侧为tr=2ns的VF1和VF2，右侧为tr=10ns的VF1和VF2。可以看出tr变缓后，输出端的振铃得到了明显的削弱。
强调：这里的振铃只是削弱/抑制，并不是消除。因为上面提到所有动作并没有从根本上改变振荡系统的工作状态，系统依旧处于欠阻尼状态。只是使得进入振荡系统的激励源能量减弱而已。
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. C( I5 U, }3 v4 j总  结
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) p, Q% N7 t( p& ?& F先聊到这里，梳理下今天讨论的内容：
①讲述一种实际问题：不能改PCB，不能改电路参数，不能改频率，又需要抑制振铃，如何破局？
②以实际仿真波形来解析梯形波频谱包络及其渐近线；
③以实际仿真波形对比来解析不同tr对应的梯形波频谱包络区别；
④结合电路及仿真来对比不同tr的振铃抑制情况；
4 z0 E8 G2 Q- m, ]* M$ N⑤最后“强调”的那一段文字，说出了问题本质，尤其重要。

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                                                                                        MCU、DSP、PLC的优缺点对比
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