过冲、振铃、非单调性

1、过冲（Overshoot）和振铃（Ringing）是电路中常见的信号失真现象，主要出现在开关电源、数字信号传输、通信系统以及其他涉及快速开关动作的电子设备中。它们通常与电路的瞬态响应有关，尤其是当电路受到阶跃输入或脉冲激励时。

2、非单调性（Nonmonotonicity）通常指电子电路、系统或器件的输出特性与输入之间不存在单调（单向）的变化关系，即输入信号增大或减小时，输出信号并不总是相应地单调增大或减小。非单调性可以表现为多种形式，如回钩、台阶、振荡、跳跃等，这些现象往往与电路的非线性特性、动态响应、控制逻辑、系统稳定性等因素密切相关。

一、过冲和振铃

1.1、过冲（Overshoot）

过冲是指在电路响应一个阶跃输入或脉冲信号后，输出信号在达到其稳态值之前，暂时超过其最终稳态值的一种现象。形象地说，就像抛物线越过其顶点后继续上升，然后再回落到顶点下方。过冲表现为输出信号在短时间内出现一个峰值，该峰值明显高于（或低于）其预期的最终稳态值。过冲可能导致系统性能下降、设备损坏或信号失真等问题。

1.2、振铃（Ringing）

振铃是指在电路响应阶跃输入或脉冲信号后，输出信号在达到其稳态值之前，出现一系列连续的、围绕最终稳态值上下震荡的现象。振铃表现为输出信号在过冲之后并不立即稳定下来，而是像钟摆一样来回摆动若干个周期，直至逐渐衰减至最终稳态值。振铃可能会导致信号质量下降、通信误码率增加、系统稳定性变差等问题。

过冲往往伴随着振铃，或者说过冲是振铃的一部分。振铃产生的第一次峰值电压就是过冲。

1.3、过冲和振铃产生原因

过冲和振铃通常是由于电路中存在电感、电容等储能元件以及寄生参数（如PCB板上的杂散电感、电容），在开关动作或阶跃输入时，这些储能元件与电路阻抗构成谐振回路，导致能量在电感和电容之间来回振荡，产生过冲和振铃现象。此外，驱动电路的非理想特性（如上升沿/下降沿过陡峭、驱动电压过高等）也可能加剧过冲和振铃。

1.4、过冲和振铃改善措施

优化电路设计：合理选择电路参数（如电阻、电容、电感值），避免产生谐振；优化PCB布局，减小寄生参数影响；使用阻尼网络（如RC、RLC等）吸收多余能量，抑制振荡。
调整驱动信号：平滑驱动信号的上升沿和下降沿，避免过于陡峭；控制驱动电压幅度，防止过驱动。
使用特殊器件：如带有软启动功能的电源芯片、具有内置阻尼功能的MOSFET驱动器等，有助于减小过冲和振铃。
增加滤波措施：在信号路径中加入适当的滤波器（如低通滤波器），滤除高频振荡成分，改善信号质量。

二、非单调性（Nonmonotonicity）

非单调性通常指电子电路、系统或器件的输出特性与输入之间不存在单调（单向）的变化关系，即输入信号增大或减小时，输出信号并不总是相应地单调增大或减小。非单调性可以表现为多种形式，如回钩、台阶、振荡、跳跃等，这些现象往往与电路的非线性特性、动态响应、控制逻辑、系统稳定性等因素密切相关。

2.1、常见案例列举

1. 磁滞回线：
磁性材料（如铁芯电感、磁性传感器）在磁化过程中，其磁感应强度（B）与磁场强度（H）之间的关系表现为非单调的磁滞回线。当磁场强度增加时，磁感应强度起初增长较快，随后增速放缓，当磁场强度减小时，磁感应强度并不会立即回到原来的起点，而是沿着另一条轨迹下降，形成一个封闭的回环形状。

2. 继电器触点抖动：
继电器在接通或断开瞬间，由于机械振动、电磁干扰等因素，触点间可能会出现多次短暂的接触与分离，导致输出电流或电压出现一系列快速的上下波动，形成非单调的“振铃”现象。这种非单调性可能导致电路误动作或电磁干扰加剧。

3. 开关电源的负载调整率：
开关电源在负载变化时，其输出电压并不总是单调地跟随负载增减而相应增大或减小。在某些负载范围内，由于控制环路的响应特性、补偿网络设计等因素，输出电压可能先升高后降低（或先降低后升高），形成非单调的负载调整率曲线。

4. 数字逻辑中的竞争冒险：
在数字逻辑电路中，由于信号传播延迟的差异，当两个或多个信号同时改变状态时，可能导致某些中间节点或输出出现短暂的非预期值（称为“毛刺”），表现为非单调的逻辑状态变化。竞争冒险可能导致系统功能异常或时序错误。

5. 控制系统的饱和与死区：
在PID控制器或其他控制系统中，当输入信号过大导致控制器输出达到其物理极限（饱和）或在两个控制状态之间存在切换死区时，系统的输出响应可能呈现非单调性。例如，当控制器输出达到上限后，即使输入信号继续增大，输出也无法继续增大，反而可能在达到饱和后保持不变或出现台阶状变化。

2.2、非单调性的回钩和台阶

绝大多数非单调性都是由复杂的信号拓扑造成的。在一个CPU或DSP的本地总线上，非单调性问题最常见。非单调性按表现形式可以分为两种：回钩和台阶，前者表现为响应曲线的滞后效应，后者表现为输出的不连续跃变。

（1）、回钩（Hysteresis）

回钩是非单调性的一种典型表现形式，通常指系统响应在输入变量改变时呈现出滞后或记忆效应的现象。具体表现为输入变量改变时，系统的输出并不立即跟随输入变化，而是保持一段时期内的旧状态，直到输入变量达到某个阈值（正向或负向）后，输出才会突然跳变到新的状态。这种现象如同在输入变量和输出变量之间存在一个“回环”，系统需要跨越这个回环才能完成状态转换。回钩现象常出现在磁性材料（如磁滞回线）、电子开关（如继电器、半导体开关）、控制系统（如PID控制器的抗积分饱和设置）以及某些物理现象（如材料的屈服行为）中。

在电路设计中，回钩现象可能出现在含有磁性元件（如变压器、电感）的电路中，当电流或电压变化时，磁性元件的磁化状态并不立即跟随变化，而是表现出一定的滞后性，形成回环状的响应曲线。

（2）、台阶（Step or Level Jump）

台阶是非单调性另一种表现形式，指系统输出在特定条件下突然发生不连续的跃变，如同在原有输出曲线上出现了一个或多个“台阶”。这种现象通常发生在系统受到某种外部扰动或内部状态变化时，导致输出在短时间内从一个稳定值跳变到另一个稳定值。

台阶现象可能由以下原因引起：

电路状态突变：如电源电压突然变化、负载突然增减、保护电路触发等，导致电路工作点发生跳跃式改变。
控制逻辑切换：在含有多个工作模式或状态机的控制系统中，当满足特定条件时，系统会从一个工作模式切换到另一个工作模式，输出特性随之发生阶跃变化。
饱和效应：在放大器、比较器等电路中，当输入信号达到一定幅值，器件进入饱和区，输出不再线性跟随输入变化，而是保持在饱和电压水平，形成台阶状响应。
锁存现象：在含有锁存器、触发器等数字逻辑电路的系统中，当输入信号满足特定条件时，输出状态会发生一次性的翻转，形成台阶状变化。

2.3 改善措施

（一）、回钩问题的解决措施

优化磁性元件设计：对于由磁性元件（如电感、变压器）引起的回钩，可以通过选择磁滞回线较窄、磁化曲线平缓的材料，或者优化磁芯结构、绕组设计，减少磁化过程中的滞后现象。
增加反馈控制：在控制系统中，通过引入适当的负反馈机制，如PID控制器，可以有效抑制回钩现象。通过调整控制器参数（如比例、积分、微分系数），优化系统动态响应，减少滞后。
使用回环消除技术：在某些应用中，如磁通观测器、磁链观测器等，通过数学建模和信号处理技术，实时估计并补偿磁性元件的磁通或磁链变化，消除回环效应。
软件算法优化：对于由软件算法引起的回钩，如数字滤波器、控制器算法等，可以通过调整算法参数、优化滤波器阶数、采用自适应算法等方式，减小算法的非线性效应，改善回钩现象。

（二）、台阶问题的解决措施

避免工作点进入饱和区：对于由放大器、比较器饱和引起的台阶，可以通过调整电路参数（如增益、偏置电压），确保工作点远离饱和区。或者使用具有更大动态范围的器件，避免饱和现象的发生。
增设缓冲电路：在电源电压、负载突变等可能导致工作点跳跃的场合，增设缓冲电路（如LC滤波器、阻尼电阻等），平滑输入/输出变化，减少台阶效应。
改进控制逻辑：对于由控制逻辑切换引起的台阶，优化状态机设计，确保状态切换时输出平滑过渡。或者采用模糊逻辑、滑模控制等智能控制策略，实现平滑的状态切换。
使用锁存消除技术：在数字系统中，通过锁存消除电路、同步化技术等方法，避免因时钟沿、数据竞争等原因导致的锁存现象，减少输出的不连续跃变。

参考链接：

过冲、振铃，非单调性https://www.cnblogs.com/chenman/p/3649343.html如何消除MOS管GS波形振铃？详解MOS管GS波形-KIA MOS管http://www.kiaic.com/article/detail/3722.html【鼎阳硬件智库荐文︱高速串行总线之测试测量】分析解决测试着色难题https://zhuanlan.zhihu.com/p/93115019