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      電源紋波測試如何選擇合適的示波器探頭

        發布時間: 2021-09-02      瀏覽量:57
      示波器探頭,無源探頭,示波器無源探頭

             紋波是電源的核心指標,但如何準確測量紋波卻是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,這里普科科技PRBTEK將為您呈現紋波測試的正確方式。

             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1所示。使用之前將測量信號的電壓范圍設置在此范圍內,否則將無法進行正確的測量。

      無源探頭

      圖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。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。

      示波器探頭

      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。

      示波器無源探頭

      圖3 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:

      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。

             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5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5 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,用以降低環路面積。

      三、濾波器的應用

             上面講了兩種情況,能夠有效增強測量結果真實性方法。但有些情況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。

              所以,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。

      總結

              以上是普科科技PRBTEK分享的一些測量電源紋波的注意事項,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。

              如果您在使用過程有什么問題,咨詢普科科技官網:www.mad-system.net

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