過去，要描述電源的行為特征就意味著要使用數字萬用表測量靜態電流和電壓, 并用計算器或PC進行艱苦的計算。今天，大多數工程師轉而將示波器作為他們的首選電源測量平臺，現代示波器可以配備集成的電源測量和分析軟件, 簡化了設置, 并使得動態測量更為容易。 如何使用示波器更加有效地進行電源信號的準確測量，成為現在工程師越來越急需掌握的技巧方法。 同時，在電源產品的研發和測試中，降低負載端的紋波噪聲是大多數電源工程師都關心的問題。本文結合紋波噪聲的波形、測試方式，闡述幾種有效降低輸出紋波噪聲的方法。 影響示波器測量電源信號準確性的四大因素 示波器垂直量測量出現偏差的原因歸結為以下四點： ●低頻補償調節與否； ●示波器的底噪干擾對測量的影響； ●示波器的幅頻特性曲線差異； ●示波器的垂直分辨率對測量的影響。 當然示波器測量精度不一定比得上高精度的萬用表，所以若要在示波器垂直量測量中測出比較準確的數據需要掌握正確的操作技巧。 低頻補償調節與否 低頻補償（LFC）需要使用kHz范圍內的方波（通常為1kHz 或10kHz）來調整X10檔探頭的頻率響應。在進行低頻補償時，使用探頭連接kHz方波信號，若出現過補償或欠補償的情況，可以用低頻調節棒調節探頭的低頻補償電容至方波平頂即可。 圖1 波形補償情況 如圖2所示為探頭與示波器輸入端相連時的內部電路圖，R1是一個9MΩ的串行電阻，與示波器輸入端1MΩ輸入電阻組成10:1的衰減器，可有效減少輸入電容，有利于高頻信號的測量。使用X10檔探頭測量信號時，隨著信號頻率的增加，容性負載的影響就越明顯，此時探頭主體中探針、電纜存在寄生電容（Cp、Cc）會造成探頭與示波器的阻抗不匹配（R1xC1≠R2x（C2 Cc）），從而影響信號測量。 由于寄生電容的不一致性，所以需要將C1做成可調電容，用來補償寄生電容的影響，使得R1xC1=R2x（C2 Cc），從而使探頭與示波器得以匹配。由于R1、R2的阻值比較大，所以R1、C1、R2、C2形成的極點頻率比較低，所以該電容又稱為低頻補償電容。 圖2 探頭補償電路 示波器的底噪干擾對測量的影響 底噪通常是指示波器的“基線本底噪聲”，在示波器的模擬前端和數字轉換過程造成的垂直噪聲。底噪的大小用信噪比來表示，該值越大，代表該信號的噪聲干擾越小，即測量儀器的底噪越小。 當示波器的底噪較大時，將會掩蓋住小信號，影響微小信號測量的準確度，導致測量垂直量不準確；當示波器的底噪較低，則信號的測量就會比較準確。 若測量中想減小底噪干擾對測量的影響，可以使用以下方法： ●示波器的捕獲模式使用“平均”捕獲，平均捕獲可以將多次觸發的周期信號進行平均顯示，使信號在某個值附近微小浮動，更接近真實值，以減少噪聲的影響。 ●示波器可使用“數字濾波”的方式在低通濾波（高通濾波）下將大于截止頻率（小于截止頻率）噪聲信號進行濾除，提高測量的準確性。 示波器的幅頻特性曲線 具體的說示波器帶寬指示波器測得正弦波的幅度不低于真實正弦波信號-3dB幅度（即真實信號幅度的70.7%）時的最高頻率，也稱-3dB截止頻率點。隨著信號頻率的增加，示波器對信號的準確顯示能力都將會下降。示波器的幅頻特性曲線指的是示波器信號的幅值隨信號頻率的增加而變化的曲線。圖3所示為理想的幅頻特性曲線。 圖3 理想幅頻特性曲線 不同的示波器不同的幅頻特性曲線它們的平坦度是有差異的，但是帶內衰減都在-3dB以內，均符合標準。因此不同示波器在同一個頻率點的信號其幅值衰減可能不同，這就導致了不同示波器在幅值測量上有偏差的原因。 示波器的垂直分辨率對測量的影響 一般數字示波器采用的都是8位ADC，對任何一個波形值都是用256個0和1來重組。假設示波器垂直方向滿量程為8格，對應量化級數256。在垂直檔位為500mV/div的情況下，垂直精度為（500mV*8）/256=15.625mV。測量同一個信號，在垂直檔位為50mV/div的情況下，即（50mV*8）/256=1.5625mV，垂直精度就達到了1.5625mV。 正確的電源紋波測試方法 電源信號實際波形中，直流電源輸出上疊加的與電源開關頻率同頻的波動稱為紋波，高頻雜音稱為噪聲。具體如圖4所示，頻率較低且有規律的波動為紋波，尖峰部分為噪聲。 圖4 紋波噪聲示意圖 對于中小微功率模塊電源的紋波噪聲測試，業內主要采用平行線測試法和靠接法兩種。其中，平行線測試法用于引腳間距相對較大的產品，靠測法用于模塊引腳間距小的產品。但不管用平行線測試法還是靠測法，都需要限制示波器的帶寬為20MHz，同時需要去掉地線夾。具體如圖5和圖6所示。 圖5 平行線測試法 圖6 靠測法 電源紋波的測試需要注意的幾點有： ●首先探頭要選擇合適的檔位，如果電壓比較大，或者對帶寬要求比較高的情況下可使用X10檔，普通情況下建議使用X1檔，避免不必要的噪聲衰減影響紋波的測量。 ●紋波屬于交流成分，所以“通道耦合”方式可使用“交流”方式，限制直流信號的輸入。 ●可適當的使用“帶寬限制”功能，可選擇“20MHz”帶寬限制，將不必要的高頻噪聲濾除。 ●除此之外，更重要的一點就是要避免電磁輻射等對信號的干擾，所以在測量時建議使用“接地彈簧”接地，避免長接地線帶來的不必要干擾。 影響電源紋波噪聲的因素 輸出濾波電容的影響 輸出濾波電容的容值、ESR對模塊輸出的紋波噪聲也有直接影響。同樣的輸入、負載條件下，電源的輸出端加226的MLCC，實測電源輸出的紋波噪聲得到明顯地減小。 實際應用時，電容除容量、ESR外，建議負載端的電容在回到電源之前，先匯集到輸出電容，經過電容濾波后，再回到電源，從而有效降低紋波噪聲對電路的影響。如圖7所示。