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用示波器測電源紋波,你真的測準了嗎?
2019/4/29  11:30:02
一、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

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。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。


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。


二、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

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。其等效電路如圖所示:

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。

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

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,如圖所示,用以降低環路面積。



高壓差分探頭輸入線雙絞示意圖


三、總結

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、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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