示波器測量電源紋波時的注意事項

紋波是電源的核心指標，但如何準確測量紋波確實一個被廣泛忽略的問題。也許您認為不就是示波器交流耦合，然後把探頭點在電源上嘛?事實遠非如此，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 探頭進行測量。因為這種探頭不會損失示波器的測量檔位，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檔位測量紋波，即可以準確測量出10mv以內的紋波。但是由於這種探頭的帶寬只能做到6MHz左右，所以隨著開關電源頻率的提升，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範圍，被測電壓不要超出探頭允許的範圍。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。使用之前要測量信號的電壓範圍在此範圍內。否者將無法進行正確的測量。

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底噪的放大，從而判斷信號的真實有效部分。採用探頭測量時的示意圖如圖2所示，其中Gn1是虛擬的一個雜訊源，表示示波器的本低雜訊，而Gn2表示探頭的本底雜訊。由於信號經過了探頭的衰減，為了還原真實信號的大小，示波器內部會對信號再進一步放大，而此時Gn1和Gn2也就跟著被放大，其放大倍數就是衰減比的倒數。所以衰減倍數越大，其測量系統的本底雜訊也就被放大的越多。

圖2 底噪放大示意圖

例如使用500：1高壓差分探頭進行測量，示波器本底雜訊是1mv，探頭雜訊為為1mv，這樣累加雜訊是2mv，再經過500倍的放大，其本底雜訊就達到了1V。此時就需要考慮，1V的雜訊是否在允許範圍內。如果您的被測系統紋波本身也就只有1V或者更小，那1V的雜訊顯然是不允許的。

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長的接地夾線。如圖3所示，這種接地方式，確實是一種簡單方便的接地方式，但是卻並不是一種嚴謹的、準確的接地方式。

圖3 接地夾線示意圖

由於地夾線比較長，其會形成一個寄生電感Lgnd，隨著夾線的增長，這個電感也會增大，而這個迴路電感會和示波器探頭的輸入電容Cin產生諧振。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 接地夾線等效電路圖

但是這還不是接地夾線最致命的。開關電源，隨著開關管的開合，不僅僅產生了電源紋波，同時也產生了很多電磁干擾，通過空間進行輻射，而這部分輻射就會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，就導致這部分信號對測量的干擾非常可觀。電磁干擾雖然也可以說是電源的一項參數，但是這部分信號是無法通過示波器探頭來進行準確測量的，測量出來的值是毫無意義的。

圖5 電磁輻射示意圖

因為以上兩點，所以在測試電源紋波時，是不應該使用接地夾線的，而應該使用接地彈簧。如圖6所示，這樣既降低了環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雙絞在一起，如圖7所示，用以降低環路面積。

圖7 高壓差分探頭輸入線雙絞示意圖

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性的方法。但是有些情況卻無法按這兩點來操作。比如利用高壓差分探頭進行測量，一般有兩個衰減比可以選擇：50:1(MAX 130V)、500:1(MAX 1300V)。若測量的電壓是200V，這時便發現只能選用500:1的探頭衰減比。而按第一部分內容中的計算可知，本底雜訊有1V左右，這個底噪就有些偏大了，會影響最終的結果。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進行固定，但是這樣又會引入大量的電磁輻射干擾。

這時候就需要使用濾波器了。雜訊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雜訊濾除掉，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。

示波器都會有一個20M帶寬限制的功能，就是為了降低底噪和輻射干擾，將關心的信號從一堆混亂的信號中摘出來。但是隨著開關電源頻率的升高，頻率的多樣化，一個固定的20M帶寬限制顯然已經不再夠用了。為此ZDS4000系列示波器集成了一個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，只需要預估一下自己想要測量的頻率範圍，然後設置好數字濾波器，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

測量出電源紋波後，ZDS4000示波器還具有很多後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FFT功能，對得到的紋波波形進行頻率上的分析，這樣可以準確的知道每個頻點上的雜訊大小。這樣就可以更加準確的得到由開關引起的紋波大小，如圖10所示：

圖10 FFT對紋波結果進行分析

這裡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範圍和被測信號的電壓範圍來選取，同時還要考慮探頭衰減比對本底雜訊的放大作用。

2、接地方式的選擇，應該儘可能的降低接地迴路，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、靈活的使用數字濾波器，將我們需要的信號從「紛紛擾擾」的雜訊中提取出來。使得結構更加精確。

4、通過FFT的後期分析功能，可以更加準確的測量開關頻率上的雜訊大小。

ZDS4000示波器具有靈活的數字濾波器和強大的FFT功能，可以完美使用於大多數電源測量場景。同時ZDS4000示波器還具有強大的環路分析功能，可以對電源做進一步的環路分析，使電源兼顧穩定與快速響應。

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