為什么不同示波器的紋波噪聲測量結果總是不同

　　對于同一個(gè)電源，使用不同的示波器測量紋波和噪聲值總是有些差異。甚至使用不同的探頭也會(huì )影響測量結果。是什么原因呢?

　　一、紋波和噪聲的區別

　　紋波

　　由于開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)管工作在高頻的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，每一個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)程，電能從輸入端被“泵到”輸出端，在輸出電容上形成一個(gè)充電和放電的過(guò)程，從而造成輸出電壓的波動(dòng)，而且此波動(dòng)的頻率與開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率相同，這個(gè)波動(dòng)就是輸出紋波，是疊加在輸出直流上的交流成分，紋波的幅值是該交流成分的波峰與波谷之間的峰峰值。

　　噪聲

　　噪聲是開(kāi)關(guān)電源自身產(chǎn)生一種高頻脈沖串，由發(fā)生在開(kāi)關(guān)導通與截止瞬間產(chǎn)生的尖脈沖所造成，噪聲的頻率比開(kāi)關(guān)頻率高的多，噪聲電壓的大小很大程度上與開(kāi)關(guān)電源的拓撲、變壓器的繞制、電路中的寄生參數、測試時(shí)外部的電磁環(huán)境以及PCB的布線(xiàn)設計有關(guān)。

　　基于此，紋波和噪聲的區分就很好理解了。下面開(kāi)始討論測量。

　　二、不同示波器測試結果相差的原因

　　如果不同示波器之間的差別很大，一般是如下幾個(gè)原因：

　　1、 未使用20M帶寬限制

　　不同的帶寬引入的噪聲值不同，噪聲值會(huì )直接影響Pk-Pk值測量。

　　2、 未使用接地彈簧

　　探頭的長(cháng)地線(xiàn)與探針在電路板接觸處所形成的環(huán)太大，很容易將空間中的大量電磁干擾引入測量電路。

　　3、 探頭頻率補償未校正

　　探頭本身在為補償良好狀態(tài)，幅值測量本身不準。

　　需要注意的是：

　　一定不能單純以哪個(gè)品牌或者型號的測量結果作為標榜去標定，認為一定是某品牌是對的、某型號是對的、某示波器很貴所以是對的，這些測量心態(tài)都是不可取的。測試結果在一定范圍內出入是十分正常的，畢竟示波器只有8位的ADC，垂直分辨率較差，另外不同示波器的幅頻響應曲線(xiàn)也略有不同。

　　三、測量過(guò)程中的一點(diǎn)反思

　　這個(gè)時(shí)候讓人不禁發(fā)問(wèn)：為什么非要20M帶寬限制呢?有什么科學(xué)根據么?

　　這個(gè)20M是早期示波器為了避免電源輸出受高頻干擾過(guò)大，來(lái)設計的簡(jiǎn)易硬件濾波電路。如果要深究，個(gè)人認為20M只能是一個(gè)經(jīng)驗值，而并非理論值了。

　　四、用更準確的方式測量紋波噪聲

　　目前新型的數字示波器功能越來(lái)越強，我們不必要一定把自己的思路限制在20M的框架限制里，可以直接通過(guò)數字濾波的方式，來(lái)得到更準確的信號。一般需要使用示波器的三個(gè)功能：FFT、數字濾波器、統計測量

　　(1) FFT運算功能。

　　通過(guò)FFT運算，可以有效地分析波形的頻域特性，直觀(guān)地查看到波形中存在的各個(gè)頻率分量的功率、有效值、相位等特性，有效地應用在分析被測系統中的諧波分量和失真、電源信號中的噪聲特性等場(chǎng)合。ZDS2000系列示波器標配4Mpts的FFT，在1GSa/s的FFT等效采樣率下頻率分辨率仍能精細到250Hz，可準確快速的分析信號干擾來(lái)源。

　　(2) 數字濾波器功能。

　　它是使用IIR或FIR數字濾波器，對被測信號進(jìn)行數字濾波。通過(guò)較少的計算量，可以使通帶內具有很好的平坦度、阻帶內有足夠的衰減和足夠小的阻帶紋波。ZDS2024示波器標配的IIR數字濾波功能可選擇高通或低通濾波，截止頻率可選擇100Hz到100MHz的寬調節范圍。如下圖1所示，是ZDS2024示波器在設置歸一化截止頻率為0.08的低通巴特沃斯濾波器的幅頻響應曲線(xiàn)：

　　圖1 低通濾波器的幅頻響應曲線(xiàn)

　　(3) 自動(dòng)測量功能。

　　不僅可以測量通道源的波形，還可以測量經(jīng)過(guò)數學(xué)運算或者數字濾波后的波形。ZDS2000系列示波器標配的“真正意義”的參數測量統計會(huì )把屏幕上捕獲的所有波形進(jìn)行測量統計，得出當前值、最大值、最小值和平均值、標準差、測量次數。用戶(hù)通過(guò)觀(guān)察統計最大值和最小值可快速了解波形中可能存在的異常，通過(guò)觀(guān)察平均值、標準差可快速評估信號特性。

　　2、各個(gè)功能的典型用途

　　? FFT功能：可以有效地分析信號中的噪聲的頻域范圍;

　　? 數字濾波功能：可以有效地過(guò)濾信號中的噪聲成分;

　　? 自動(dòng)測量功能：可以用于測量經(jīng)過(guò)數學(xué)運算或者數字濾波后的波形的各個(gè)參數指標。

　　如上所述，我們已經(jīng)無(wú)形中就將“FFT + 數字濾波 + 自動(dòng)測量”組合成了一個(gè)可用于定位噪聲、減少噪聲、波形測量的利器，可有效地用于存在干擾的被測信號的干擾定位和快速測量。下面，我們就用這個(gè)利器來(lái)解決一個(gè)經(jīng)常會(huì )遇到的信號測量的問(wèn)題。

　　當我們在測量某些正弦小信號時(shí)，經(jīng)常會(huì )發(fā)現紋波信號會(huì )夾雜很多的高次諧波和噪聲干擾，造成波形不能有效觸發(fā)，更重要的是測量結果誤差很大。波形如下圖2所示：

　　圖2帶干擾的原始波形

　　下面，我們就看如何使用運用三大功能的組合來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，具體步驟如下所示：

　　Step1：定位噪聲范圍

　　使用FFT運算功能，得到該波形的頻域特性，分析波形的噪聲干擾范圍，從而定位噪聲范圍。

　　圖3示波器FFT頻譜分析圖

　　由上圖3可知，FFT測得的波形的基頻是357Hz(由于當前FFT的頻譜分辨率為35.7Hz)，干擾的噪聲信號的頻率范圍都是大于1KHz。

　　Step2：信號濾波

　　使用數字濾波器功能。由于需要將高頻率信號過(guò)濾掉，因此在數字濾波菜單中選擇低通濾波模式，然后將截止頻率設為1KHz，將大于1KHz的頻率信號進(jìn)行低通濾波衰減。

　　濾波后效果如下圖4所示：

　　圖4經(jīng)過(guò)數字濾波后的波形圖

　　Step3：參數測量

　　對于數字濾波后的波形，可以使用自動(dòng)測量功能，對濾波后的波形的電壓、時(shí)間、計數等測量項進(jìn)行測量。如下圖5所示，電壓方面，原始波形的峰峰值(Pk-Pk)為700mV，而數字濾波后波形的峰峰值為357mV，測量更加準確。時(shí)間方面，原始波形的頻率測量值(Freq)為1.127kHz，波動(dòng)很大，而數字濾波后波形的頻率值為355.2Hz，波動(dòng)非常小。

　　圖5原始波形與數字濾波波形的測量結果對比

　　ZDS2000示波器有4Mpts FFT運算、數字濾波功能、51種“真正意義”的自動(dòng)測量統計這三大功能，如果能夠靈活地組合使用，將會(huì )使各個(gè)功能發(fā)揮到極致，能極大地提高工作的效率。