為什么不同示波器的紋波噪聲測量結果總是不同

西安安泰Agitek

對于同一個電源，使用不同的示波器測量紋波和噪聲值總是有些差異。甚至使用不同的探頭也會影響測量結果。是什么原因呢？

　　一、紋波和噪聲的區別

　　紋波

　　由于開關電源的開關管工作在高頻的開關狀態，每一個開關過程，電能從輸入端被“泵到”輸出端，在輸出電容上形成一個充電和放電的過程，從而造成輸出電壓的波動，而且此波動的頻率與開關管的開關頻率相同，這個波動就是輸出紋波，是疊加在輸出直流上的交流成分，紋波的幅值是該交流成分的波峰與波谷之間的峰峰值。

　　噪聲

　　噪聲是開關電源自身產生一種高頻脈沖串，由發生在開關導通與截止瞬間產生的尖脈沖所造成，噪聲的頻率比開關頻率高的多，噪聲電壓的大小很大程度上與開關電源的拓撲、變壓器的繞制、電路中的寄生參數、測試時外部的電磁環境以及PCB的布線設計有關。

　　基于此，紋波和噪聲的區分就很好理解了。下面開始討論測量。

　　二、不同示波器測試結果相差的原因

　　如果不同示波器之間的差別很大，一般是如下幾個原因：

　　1、 未使用20M帶寬限制

　　不同的帶寬引入的噪聲值不同，噪聲值會直接影響Pk-Pk值測量。

　　2、 未使用接地彈簧

　　探頭的長地線與探針在電路板接觸處所形成的環太大，很容易將空間中的大量電磁干擾引入測量電路。

　　3、 探頭頻率補償未校正

　　探頭本身在為補償良好狀態，幅值測量本身不準。

　　需要注意的是：

　　一定不能單純以哪個品牌或者型號的測量結果作為標榜去標定，認為一定是某品牌是對的、某型號是對的、某示波器很貴所以是對的，這些測量心態都是不可取的。測試結果在一定范圍內出入是十分正常的，畢竟示波器只有8位的ADC，垂直分辨率較差，另外不同示波器的幅頻響應曲線也略有不同。

　　三、測量過程中的一點反思

　　這個時候讓人不禁發問：為什么非要20M帶寬限制呢？有什么科學根據么？

　　這個20M是早期示波器為了避免電源輸出受高頻干擾過大，來設計的簡易硬件濾波電路。如果要深究，個人認為20M只能是一個經驗值，而并非理論值了。

　　四、用更準確的方式測量紋波噪聲

　　目前新型的數字示波器功能越來越強，我們不必要一定把自己的思路限制在20M的框架限制里，可以直接通過數字濾波的方式，來得到更準確的信號。一般需要使用示波器的三個功能：FFT、數字濾波器、統計測量

　　（1） FFT運算功能。

　　通過FFT運算，可以有效地分析波形的頻域特性，直觀地查看到波形中存在的各個頻率分量的功率、有效值、相位等特性，有效地應用在分析被測系統中的諧波分量和失真、電源信號中的噪聲特性等場合。ZDS2000系列示波器標配4Mpts的FFT，在1GSa/s的FFT等效采樣率下頻率分辨率仍能精細到250Hz，可準確快速的分析信號干擾來源。

　　（2） 數字濾波器功能。

　　它是使用IIR或FIR數字濾波器，對被測信號進行數字濾波。通過較少的計算量，可以使通帶內具有很好的平坦度、阻帶內有足夠的衰減和足夠小的阻帶紋波。ZDS2024示波器標配的IIR數字濾波功能可選擇高通或低通濾波，截止頻率可選擇100Hz到100MHz的寬調節范圍。如下圖1所示，是ZDS2024示波器在設置歸一化截止頻率為0.08的低通巴特沃斯濾波器的幅頻響應曲線：

　　圖1 低通濾波器的幅頻響應曲線

　　（3） 自動測量功能。

　　不僅可以測量通道源的波形，還可以測量經過數學運算或者數字濾波后的波形。ZDS2000系列示波器標配的“真正意義”的參數測量統計會把屏幕上捕獲的所有波形進行測量統計，得出當前值、最大值、最小值和平均值、標準差、測量次數。用戶通過觀察統計最大值和最小值可快速了解波形中可能存在的異常，通過觀察平均值、標準差可快速評估信號特性。

　　2、各個功能的典型用途

　　①FFT功能：可以有效地分析信號中的噪聲的頻域范圍；

　　② 數字濾波功能：可以有效地過濾信號中的噪聲成分；

　　③ 自動測量功能：可以用于測量經過數學運算或者數字濾波后的波形的各個參數指標。

　　如上所述，我們已經無形中就將“FFT + 數字濾波 + 自動測量”組合成了一個可用于定位噪聲、減少噪聲、波形測量的利器，可有效地用于存在干擾的被測信號的干擾定位和快速測量。下面，我們就用這個利器來解決一個經常會遇到的信號測量的問題。

　　當我們在測量某些正弦小信號時，經常會發現紋波信號會夾雜很多的高次諧波和噪聲干擾，造成波形不能有效觸發，更重要的是測量結果誤差很大。波形如下圖2所示：

　　圖2帶干擾的原始波形

　　下面，我們就看如何使用運用三大功能的組合來解決這個問題，具體步驟如下所示：

　　Step1：定位噪聲范圍

　　使用FFT運算功能，得到該波形的頻域特性，分析波形的噪聲干擾范圍，從而定位噪聲范圍。

　　圖3示波器FFT頻譜分析圖

　　由上圖3可知，FFT測得的波形的基頻是357Hz（由于當前FFT的頻譜分辨率為35.7Hz），干擾的噪聲信號的頻率范圍都是大于1KHz。

　　Step2：信號濾波

　　使用數字濾波器功能。由于需要將高頻率信號過濾掉，因此在數字濾波菜單中選擇低通濾波模式，然后將截止頻率設為1KHz，將大于1KHz的頻率信號進行低通濾波衰減。

　　濾波后效果如下圖4所示：

　　圖4經過數字濾波后的波形圖

　　Step3：參數測量

　　對于數字濾波后的波形，可以使用自動測量功能，對濾波后的波形的電壓、時間、計數等測量項進行測量。如下圖5所示，電壓方面，原始波形的峰峰值（Pk-Pk）為700mV，而數字濾波后波形的峰峰值為357mV，測量更加準確。時間方面，原始波形的頻率測量值（Freq）為1.127kHz，波動很大，而數字濾波后波形的頻率值為355.2Hz，波動非常小。

　　圖5原始波形與數字濾波波形的測量結果對比

　　ZDS2000示波器有4Mpts FFT運算、數字濾波功能、51種“真正意義”的自動測量統計這三大功能，如果能夠靈活地組合使用，將會使各個功能發揮到極致，能極大地提高工作的效率。