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      如何準確的用示波器測電源紋波

      行業:電源適配器  刷新日期:2021年06月02日  發布日期:2017年05月09日  本站網址:www.jeromedauphin.com

       

      如何準確的用示波器測電源紋波

       

         紋波是電源的一項電性指標,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,然后把探頭點在電源上嗎?事實遠非如此,這里將為您呈現如何準確的用示波器測電源紋波.

       

         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.但是由于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范圍,被測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.使用之前要測量信號的電壓范圍在此范圍內,否者將無法進行正確的測量.

       

      無源探頭輸入額定電壓曲線

      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.采用探頭測量時的示意圖如圖2所示,其中Gn1是虛擬的一個噪聲源,表示示波器的本底噪聲,而Gn2表示探頭的本底噪聲.由于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,其測量系統的本底噪聲也就被放大的越多.

       

      底噪放大示意圖

      底噪放大示意圖

       

         例如使用500:1高壓差分探頭進行測量,示波器本底噪聲是1mv,探頭噪聲為為1mv,這樣累加噪聲是2mv,再經過500倍的放大,其本底噪聲就達到了1V,此時就需要考慮,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,但是卻并不是一種嚴謹的、準確的接地方式.

       

      接地夾線示意圖

      接地夾線示意圖

       

         由于地夾線比較長,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,而這個回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:

       

      接地夾線示意圖

      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??捎^.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.

       

      電磁輻射示意圖

      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.

       

      接地彈簧示意圖

      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.

       

      高壓差分探頭輸入線雙絞示意圖

      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,本底噪聲有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.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.這里用ZDS4000系列示波器來說明下,它集成了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.

       

      數字濾波器對底噪的降低

      數字濾波器對底噪的降低

       

      數字濾波器對電磁輻射干擾的抑制

      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.

       

         在輸出端并聯一個電解電容和一個瓷片電容(后面有一篇文章專門講述了這項:為什么紋波測試時示波器要并聯電解和瓷片電容)

       

         我們常??梢砸姷诫娫催m配器測試紋波的一個行業國際標準:使用示波器帶寬為20MHz 連接到適配器的輸出端,同時輸出端并聯一個47uF 的電解電容和一個0.1uF 的瓷片電容.在輸出端并聯電解電容(一般是47uF)是為了隔斷直流干擾,并聯瓷片電容(一般是0.1uF)是為了濾掉高頻干擾,這個干擾的頻率遠比你所測的紋波頻率要大,最后示波器顯示的讀數就是你要的紋波數據了!

       

      輸出端并聯一個電解電容和一個瓷片電容示意圖

      輸出端并聯一個電解電容和一個瓷片電容示意圖

       

       

         結果的分析

       

         測量出電源紋波后,ZDS4000系列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.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噪聲大小.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:

       

      FFT對紋波結果進行分析

      FFT對紋波結果進行分析

         以上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選取,同時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,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,使得結構更加精確.

         4、在輸出端并聯一個電解電容隔斷直流干擾,和一個并聯瓷片電容濾掉高頻干擾.

         5、通過FFT的后期分析功能,可以更加準確的測量開關頻率上的噪聲大小.
         

       

       

       

       

       

       

       

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