如何準(zhǔn)確測(cè)量電源的核心指標(biāo)紋波

紋波是電源的核心指標(biāo)，但如何準(zhǔn)確測(cè)量紋波確實(shí)一個(gè)被廣泛忽略的問題。也許您認(rèn)為不就是示波器交流耦合，然后把探頭點(diǎn)在電源上嘛？事實(shí)遠(yuǎn)非如此，本文為您呈現(xiàn)紋波測(cè)試的正確方式。

一、探頭的選擇

在十幾年前，很多公司的電源測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中都有明確的規(guī)定，要求使用1:1 探頭進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)檫@種探頭不會(huì)損失示波器的測(cè)量檔位，比如示波器原來最小檔位是2mv/div，使用1:1探頭就仍然可以通過這個(gè)檔位測(cè)量紋波，即可以準(zhǔn)確測(cè)量出10mv以內(nèi)的紋波。但是由于這種探頭的帶寬只能做到6MHz左右，所以隨著開關(guān)電源頻率的提升，這種探頭便不再適合使用。

目前常用的電源測(cè)量探頭是10:1無源探頭、100:1無源探頭、高壓差分探頭。探頭的選擇上首先要考慮電壓范圍，被測(cè)電壓不要超出探頭允許的范圍。比如說一般的10:1的無源探頭，其低頻耐壓值是300VRMS，且隨著頻率的升高而降低，如圖1所示。使用之前要測(cè)量信號(hào)的電壓范圍在此范圍內(nèi)，否者將無法進(jìn)行正確的測(cè)量。

圖1 10:1無源探頭輸入額定電壓曲線

除此之外，還需要考慮探頭衰減比對(duì)底噪的放大，從而判斷信號(hào)的真實(shí)有效部分。采用探頭測(cè)量時(shí)的示意圖如圖2所示，其中Gn1是虛擬的一個(gè)噪聲源，表示示波器的本低噪聲，而Gn2表示探頭的本底噪聲。由于信號(hào)經(jīng)過了探頭的衰減，為了還原真實(shí)信號(hào)的大小，示波器內(nèi)部會(huì)對(duì)信號(hào)再進(jìn)一步放大，而此時(shí)Gn1和Gn2也就跟著被放大，其放大倍數(shù)就是衰減比的倒數(shù)。所以衰減倍數(shù)越大，其測(cè)量系統(tǒng)的本底噪聲也就被放大的越多。

圖2 底噪放大示意圖

例如使用500：1高壓差分探頭進(jìn)行測(cè)量，示波器本底噪聲是1mv，探頭噪聲為為1mv，這樣累加噪聲是2mv，再經(jīng)過500倍的放大，其本底噪聲就達(dá)到了1V。此時(shí)就需要考慮，1V的噪聲是否在允許范圍內(nèi)。如果您的被測(cè)系統(tǒng)紋波本身也就只有1V或者更小，那1V的噪聲顯然是不允許的。

二、接地方式的選擇

傳統(tǒng)的使用習(xí)慣上，示波器的接地方式就是那根長(zhǎng)長(zhǎng)的接地夾線。如圖3所示，這種接地方式，確實(shí)是一種簡(jiǎn)單方便的接地方式，但是卻并不是一種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、?zhǔn)確的接地方式。

圖3 接地夾線示意圖

由于地夾線比較長(zhǎng)，其會(huì)形成一個(gè)寄生電感Lgnd，隨著夾線的增長(zhǎng)，這個(gè)電感也會(huì)增大，而這個(gè)回路電感會(huì)和示波器探頭的輸入電容Cin產(chǎn)生諧振。這就導(dǎo)致示波器的幅頻特性變得不平坦，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。其等效電路如圖4所示：

圖4 接地夾線等效電路圖

但是這還不是接地夾線最致命的。開關(guān)電源，隨著開關(guān)管的開合，不僅僅產(chǎn)生了電源紋波，同時(shí)也產(chǎn)生了很多電磁干擾，通過空間進(jìn)行輻射，而這部分輻射就會(huì)被接地夾線與探頭形成的線圈給接收到，再加上示波器是高阻輸入的，就導(dǎo)致這部分信號(hào)對(duì)測(cè)量的干擾非常可觀。電磁干擾雖然也可以說是電源的一項(xiàng)參數(shù)，但是這部分信號(hào)是無法通過示波器探頭來進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的，測(cè)量出來的值是毫無意義的。

圖5 電磁輻射示意圖

因?yàn)橐陨蟽牲c(diǎn)，所以在測(cè)試電源紋波時(shí)，是不應(yīng)該使用接地夾線的，而應(yīng)該使用接地彈簧。如圖6所示，這樣既降低了環(huán)路電感從而保證了較好的幅頻特性，又降低了電磁輻射的引入。

圖6 接地彈簧示意圖

如果是使用的高壓差分探頭，則應(yīng)該將兩根輸入線雙絞在一起，如圖7所示，用以降低環(huán)路面積。

圖7 高壓差分探頭輸入線雙絞示意圖

三、濾波器的應(yīng)用

上面講了兩種情況，是能夠有效的增強(qiáng)測(cè)量結(jié)果真實(shí)性的方法。但是有些情況卻無法按這兩點(diǎn)來操作。比如利用高壓差分探頭進(jìn)行測(cè)量，一般有兩個(gè)衰減比可以選擇：50:1（MAX 130V）、500:1（MAX 1300V）。若測(cè)量的電壓是200V，這時(shí)便發(fā)現(xiàn)只能選用500:1的探頭衰減比。而按第一部分內(nèi)容中的計(jì)算可知，本底噪聲有1V左右，這個(gè)底噪就有些偏大了，會(huì)影響最終的結(jié)果。再比如有些測(cè)量情況下不方便固定接地彈簧，而必須使用接地夾線進(jìn)行固定，但是這樣又會(huì)引入大量的電磁輻射干擾。

這時(shí)候就需要使用濾波器了。噪聲和電磁輻射的干擾也和正常信號(hào)一樣，也是分頻段的。如果我們把一部分頻段的噪聲濾除掉，就可以大大降低底噪和輻射干擾。但是我們又不希望關(guān)心的信號(hào)被濾除掉，這就需要使用低通濾波器了。

示波器都會(huì)有一個(gè)20M帶寬限制的功能，就是為了降低底噪和輻射干擾，將關(guān)心的信號(hào)從一堆混亂的信號(hào)中摘出來。但是隨著開關(guān)電源頻率的升高，頻率的多樣化，一個(gè)固定的20M帶寬限制顯然已經(jīng)不再夠用了。為此ZDS4000系列示波器集成了一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)字濾波器功能，其通帶頻率可以任意設(shè)置，最高到200MHz。圖8和圖9是濾波器對(duì)底噪和電磁輻射干擾的抑制效果。

圖8 數(shù)字濾波器對(duì)底噪的降低

圖9 數(shù)字濾波器對(duì)電磁輻射干擾的抑制

您在測(cè)量時(shí)，只需要預(yù)估一下自己想要測(cè)量的頻率范圍，然后設(shè)置好數(shù)字濾波器，就可以使你的示波器擁有更低的底噪，使得測(cè)量更加準(zhǔn)確。

四、結(jié)果的分析

測(cè)量出電源紋波后，ZDS4000示波器還具有很多后期數(shù)據(jù)分析功能如峰峰值統(tǒng)計(jì)、最大值統(tǒng)計(jì)、最小值統(tǒng)計(jì)等。還有強(qiáng)大的FFT功能。我們可以通過FFT功能，對(duì)得到的紋波波形進(jìn)行頻率上的分析，這樣可以準(zhǔn)確的知道每個(gè)頻點(diǎn)上的噪聲大小。這樣就可以更加準(zhǔn)確的得到由開關(guān)引起的紋波大小，如圖10所示：

圖10 FFT對(duì)紋波結(jié)果進(jìn)行分析

五、總結(jié)

本文中指出了一些測(cè)量電源紋波的一些注意事項(xiàng)，歸納如下：

1、探頭的選擇，需要結(jié)合探頭的耐壓范圍和被測(cè)信號(hào)的電壓范圍來選取，同時(shí)還要考慮探頭衰減比對(duì)本底噪聲的放大作用。

2、接地方式的選擇，應(yīng)該盡可能的降低接地回路，如使用接地彈簧。這樣既能改善幅頻曲線，又能降低電磁輻射的干擾。

3、靈活的使用數(shù)字濾波器，將我們需要的信號(hào)從“紛紛擾擾”的噪聲中提取出來，使得結(jié)構(gòu)更加精確。

4、通過FFT的后期分析功能，可以更加準(zhǔn)確的測(cè)量開關(guān)頻率上的噪聲大小。

以上就是本文的主要內(nèi)容。ZDS4000示波器具有靈活的數(shù)字濾波器和強(qiáng)大的FFT功能，可以完美使用于大多數(shù)電源測(cè)量場(chǎng)景。同時(shí)ZDS4000示波器還具有強(qiáng)大的環(huán)路分析功能，可以對(duì)電源做進(jìn)一步的環(huán)路分析，使電源兼顧穩(wěn)定與快速響應(yīng)。