보드선도(Bode Plot)란 무엇인가?

보드선도는 제어공학이나 신호처리 분야에서 시스템의 주파수 응답 특성을 시각적으로 표현한 도구입니다. 이 선도는 로그 스케일을 사용하여 주파수에 따른 **크기(Magnitude)**와 **위상(Phase)**의 변화를 각각의 그래프로 나타냅니다.

보드선도는 두 개의 그래프로 구성됩니다:

  1. 크기 응답 (Magnitude Plot): 20 \log_{10} |H(j\omega)|
  2. 위상 응답 (Phase Plot): \angle H(j\omega) (단위는 도 또는 라디안)

이 두 그래프는 복소수 전달함수 H(s)에서 s = j\omega로 대입하여 얻은 주파수 응답에 따라 그려집니다.


보드선도가 왜 중요한가?

  • 시스템 안정성 평가에 매우 유용합니다.
  • 시스템의 대역폭, 여유이득(Gain Margin), 여유위상(Phase Margin) 등의 특성을 직관적으로 확인할 수 있습니다.
  • 필터의 설계 및 분석, 예: 로우패스, 하이패스, 밴드패스 필터 등의 성능을 분석할 때 사용됩니다.

보드선도 작성 절차

1. 전달함수 표현

먼저 시스템의 전달함수를 H(s) 또는 H(j\omega) 형태로 표현합니다. 예를 들어 다음과 같은 전달함수를 생각해 봅시다.

 H(s) = \frac{10}{s + 10}

이를 s = j\omega로 치환하면 다음과 같습니다.

 H(j\omega) = \frac{10}{j\omega + 10}

2. 크기 응답 계산

크기 응답은 다음과 같이 계산됩니다.

 |H(j\omega)| = \left| \frac{10}{j\omega + 10} \right| = \frac{10}{\sqrt{\omega^2 + 100}}

이를 데시벨(dB) 단위로 변환하면:

 20 \log_{10} \left( \frac{10}{\sqrt{\omega^2 + 100}} \right)

3. 위상 응답 계산

위상 응답은 다음과 같이 계산됩니다.

 \angle H(j\omega) = -\tan^{-1}\left( \frac{\omega}{10} \right)


보드선도 해석법

보드선도에서 중요한 해석 포인트는 다음과 같습니다:

1. 코너 주파수 (Break Frequency)

코너 주파수는 전달함수의 극점(pole)이나 영점(zero)에서 발생하는 변곡점입니다. 위 예시의 전달함수에서 코너 주파수는 10, \text{rad/s}입니다. 이 주파수 이후로 기울기가 바뀝니다.

2. 기울기 분석

  • 1차 극점: -20 dB/dec
  • 1차 영점: +20 dB/dec
  • 2차 극점: -40 dB/dec
  • 2차 영점: +40 dB/dec

이 기울기 변화는 주파수 로그 축 기준으로 한 데케이드(decade; 10배 증가)마다 적용됩니다.


예제: 간단한 RC 회로

아래는 기본적인 RC 로우패스 필터 회로입니다.

전달함수

 H(s) = \frac{V_\text{out}(s)}{V_\text{in}(s)} = \frac{1}{RCs + 1}


보드선도 그래프

크기 응답

위상 응답


주의사항 및 팁

  • log 스케일의 축을 사용할 때, \omega = 0은 표현 불가능합니다. 최소 0.1 또는 1부터 시작하십시오.
  • 복잡한 전달함수는 요소별로 나눠서 그린 후 합산하는 방식이 유리합니다. 예: 극점/영점마다 따로 그리고 겹칩니다.

주파수 응답 해석의 이해와 실전 적용 방법(예제pdf)

푸리에 급수와 푸리에 변환 완전 정복(예제pdf)

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