示波器測量電源紋波時(shí)的注意事項

　　紋波是電源的核心指標，但如何準確測量紋波確實(shí)一個(gè)被廣泛忽略的問(wèn)題。也許您認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)遠非如此，本文為您呈現紋波測試的正確方式。

　　探頭的選擇

　　在十幾年前，很多公司的電源測試標準中都有明確的規定，要求使用1:1 探頭進(jìn)行測量。因為這種探頭不會(huì )損失示波器的測量檔位，比如示波器原來(lái)最小檔位是2mv/div，使用1:1探頭就仍然可以通過(guò)這個(gè)檔位測量紋波，即可以準確測量出10mv以?xún)鹊募y波。但是由于這種探頭的帶寬只能做到6MHz左右，所以隨著(zhù)開(kāi)關(guān)電源頻率的提升，這種探頭便不再適合使用。

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

　　圖1 10:1無(wú)源探頭輸入額定電壓曲線(xiàn)

　　除此之外，還需要考慮探頭衰減比對底噪的放大，從而判斷信號的真實(shí)有效部分。采用探頭測量時(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。由于信號經(jīng)過(guò)了探頭的衰減，為了還原真實(shí)信號的大小，示波器內部會(huì )對信號再進(jìn)一步放大，而此時(shí)Gn1和Gn2也就跟著(zhù)被放大，其放大倍數就是衰減比的倒數。所以衰減倍數越大，其測量系統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(guò)500倍的放大，其本底噪聲就達到了1V。此時(shí)就需要考慮，1V的噪聲是否在允許范圍內。如果您的被測系統紋波本身也就只有1V或者更小，那1V的噪聲顯然是不允許的。

　　接地方式的選擇

　　傳統的使用習慣上，示波器的接地方式就是那根長(cháng)長(cháng)的接地夾線(xiàn)。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謹的、準確的接地方式。

　　圖3 接地夾線(xiàn)示意圖

　　由于地夾線(xiàn)比較長(cháng)，其會(huì )形成一個(gè)寄生電感Lgnd，隨著(zhù)夾線(xiàn)的增長(cháng)，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。這就導致示波器的幅頻特性變得不平坦，導致測量不準確。其等效電路如圖4所示：

　　圖4 接地夾線(xiàn)等效電路圖

　　但是這還不是接地夾線(xiàn)最致命的。開(kāi)關(guān)電源，隨著(zhù)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)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(guò)空間進(jìn)行輻射，而這部分輻射就會(huì )被接地夾線(xiàn)與探頭形成的線(xiàn)圈給接收到，再加上示波器是高阻輸入的，就導致這部分信號對測量的干擾非?？捎^(guān)。電磁干擾雖然也可以說(shuō)是電源的一項參數，但是這部分信號是無(wú)法通過(guò)示波器探頭來(lái)進(jìn)行準確測量的，測量出來(lái)的值是毫無(wú)意義的。

　　圖5 電磁輻射示意圖

　　因為以上兩點(diǎn)，所以在測試電源紋波時(shí)，是不應該使用接地夾線(xiàn)的，而應該使用接地彈簧。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，則應該將兩根輸入線(xiàn)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(xiàn)雙絞示意圖

　　濾波器的應用

　　上面講了兩種情況，是能夠有效的增強測量結果真實(shí)性的方法。但是有些情況卻無(wú)法按這兩點(diǎn)來(lái)操作。比如利用高壓差分探頭進(jìn)行測量，一般有兩個(gè)衰減比可以選擇：50:1(MAX 130V)、500:1(MAX 1300V)。若測量的電壓是200V，這時(shí)便發(fā)現只能選用500:1的探頭衰減比。而按第一部分內容中的計算可知，本底噪聲有1V左右，這個(gè)底噪就有些偏大了，會(huì )影響最終的結果。再比如有些測量情況下不方便固定接地彈簧，而必須使用接地夾線(xiàn)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)心的信號從一堆混亂的信號中摘出來(lái)。但是隨著(zhù)開(kāi)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)強大的數字濾波器功能，其通帶頻率可以任意設置，最高到200MHz。圖8和圖9是濾波器對底噪和電磁輻射干擾的抑制效果。

　　圖8 數字濾波器對底噪的降低

　　圖9 數字濾波器對電磁輻射干擾的抑制

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

　　結果的分析

　　測量出電源紋波后，ZDS4000示波器還具有很多后期數據分析功能如峰峰值統計、最大值統計、最小值統計等。還有強大的FFT功能。我們可以通過(guò)FFT功能，對得到的紋波波形進(jìn)行頻率上的分析，這樣可以準確的知道每個(gè)頻點(diǎn)上的噪聲大小。這樣就可以更加準確的得到由開(kāi)關(guān)引起的紋波大小，如圖10所示：

　　圖10 FFT對紋波結果進(jìn)行分析

　　這里指出了一些測量電源紋波的一些注意事項，歸納如下：

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

　　2、接地方式的選擇，應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(xiàn)，又能降低電磁輻射的干擾。

　　3、靈活的使用數字濾波器，將我們需要的信號從“紛紛擾擾”的噪聲中提取出來(lái)。使得結構更加精確。

　　4、通過(guò)FFT的后期分析功能，可以更加準確的測量開(kāi)關(guān)頻率上的噪聲大小。

　　ZDS4000示波器具有靈活的數字濾波器和強大的FFT功能，可以完美使用于大多數電源測量場(chǎng)景。同時(shí)ZDS4000示波器還具有強大的環(huán)路分析功能，可以對電源做進(jìn)一步的環(huán)路分析，使電源兼顧穩定與快速響應。