五種利用示波器精確測(cè)量電源完整性的技巧

隨著電源軌電壓(rail voltage)和容差越來(lái)越小，對(duì)電源完整性進(jìn)行精確測(cè)量也變得越來(lái)越困難。過(guò)去，任何示波器都能夠測(cè)量5V電源軌上10%容差的漣波(ripple)，因?yàn)?00mV要求遠(yuǎn)高于示波器的噪聲位準(zhǔn)(noise level);但現(xiàn)在，無(wú)論使用何種示波器都難以測(cè)量1V電源軌上2%容差的漣波電壓。下面介紹了五種利用示波器精確測(cè)量電源完整性的技巧。

圖1：電源軌直流電壓及其容差

技巧1：調(diào)整顯示特性

波形強(qiáng)度(waveform intensity)

測(cè)量電源軌直流電壓容差需要測(cè)出最壞情況下的電壓峰-峰值(Vpp)，這可透過(guò)自動(dòng)化測(cè)量完美實(shí)現(xiàn);有時(shí)目測(cè)判定也很有用，所有示波器均有顯示設(shè)置，使用者可透過(guò)該設(shè)定改變波形強(qiáng)度。該強(qiáng)度值通常被設(shè)為約50%，將強(qiáng)度設(shè)為更高的值可讓使用者更輕松地查看出現(xiàn)頻率較低的波形對(duì)應(yīng)的示波器像素。但增加波形強(qiáng)度的不利之處在于，這樣更難以判斷任何特定像素上顯示波形的出現(xiàn)頻率;雖然這對(duì)于觀察調(diào)變信號(hào)很重要，但這種分辨率對(duì)于電源完整性測(cè)量通常并不重要。

無(wú)限持續(xù)時(shí)間(Infinite persistence)

打開無(wú)限持續(xù)時(shí)間模式可讓連續(xù)采集的波形累迭顯示;無(wú)限持續(xù)時(shí)間對(duì)于建檔也非常有用，示波器可顯示較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的直流電壓容差范圍。

色彩分級(jí)(Color grading)

打開色彩分級(jí)模式可生成電源軌波形的3D圖;色彩分級(jí)結(jié)合無(wú)限持續(xù)時(shí)間顯示有助于更深入地認(rèn)識(shí)電源軌信號(hào)。

技巧2：降低噪聲

選擇低噪聲示波器

如果信號(hào)強(qiáng)度小于示波器和探棒/纜線系統(tǒng)的噪聲，你永遠(yuǎn)也測(cè)量不出該信號(hào)。信號(hào)在進(jìn)入示波器后、進(jìn)入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)前，會(huì)迭加前端噪聲;然后每個(gè)儲(chǔ)存的樣本除了包含原始的信號(hào)值，也會(huì)存在一些偏移量(offset)，偏移量大小取決于獲取樣本時(shí)存在的噪聲大小。使用者將在示波器的顯示屏上看到較粗波形，不要將它與快速更新速率相混淆。大于真實(shí)信號(hào)的峰-峰值會(huì)顯示并被測(cè)量到。

最好的方法是使用噪聲更低的示波器。如何確定示波器的噪聲水平?大多數(shù)示波器制造商都會(huì)提供產(chǎn)品規(guī)格表，列出該特定示波器的典型均方根(RMS)噪聲值;這些噪聲值是根據(jù)大量示波器樣本所特征化。噪聲是一種特征(characteristic)而非規(guī)格，制造商只會(huì)提供RMS噪聲的典型值，但噪聲的峰-峰值其實(shí)才是影響精確測(cè)量漣波的重要因素。

圖2：噪聲是導(dǎo)致電源軌直流漣波測(cè)量不準(zhǔn)確的主要原因

一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是自己測(cè)量?？焖偬卣骰瘍H需幾分鐘，且無(wú)需使用外部設(shè)備。斷開示波器的所有輸入，打開Vpp測(cè)量，設(shè)置噪聲測(cè)量的垂直刻度和采樣率，讓示波器運(yùn)行，直到獲得穩(wěn)定且一致的Vpp噪聲值。噪聲水平取決于垂直靈敏度設(shè)置、帶寬設(shè)置和阻抗選擇(50Ω或1MΩ)，并且在同一示波器上的不同信道上會(huì)存在微小的差別。

不同制造商的示波器的噪聲水平差異可能會(huì)高達(dá)100%，如果需要精確地測(cè)量漣波，請(qǐng)確保選擇噪聲水平更低的示波器。

選擇噪聲最低的信號(hào)路徑阻抗

用于測(cè)量電源完整性的示波器通常具有兩種信號(hào)路徑阻抗：50Ω和1MΩ;使用者可以使用支持其中任意一種阻抗的探棒，或者使用纜線來(lái)完成電源軌測(cè)量。

對(duì)于具有上述兩種阻抗的示波器來(lái)說(shuō)，50Ω阻抗通常噪聲更小，且支持示波器全帶寬。1MΩ路徑上的噪聲可能是50Ω路徑上的噪聲的兩到三倍，并且1MΩ路徑上的帶寬通常限制為500MHz，因此50Ω路徑是測(cè)量電源完整性的最佳選擇。

電源軌的輸出阻抗通常為mΩ等級(jí)。對(duì)于沒有任何探棒的纜線測(cè)量設(shè)備來(lái)說(shuō)，50Ω路徑具有50Ω的直流輸入阻抗，會(huì)產(chǎn)生一些負(fù)載效應(yīng)，從而會(huì)減小電源軌直流幅度值。使用專用電源完整性探棒，例如具有50kΩ輸入阻抗的R&S RT-ZPR20，可以最大限度地減低該問題的影響。

由于不匹配的1MΩ和50Ω?jìng)鬏斁€之間會(huì)發(fā)生反射(reflection)，因此不建議將50Ω纜線(例如 50Ω尾纖同軸線)直接連接到示波器的1MΩ輸入端。

使用最靈敏的垂直刻度

示波器噪聲位準(zhǔn)與示波器全屏幕垂直刻度值有關(guān)。因此，使用更靈敏的垂直分辨率將會(huì)減少測(cè)量的總噪聲量。此外，當(dāng)放大信號(hào)使其覆蓋大部分垂直范圍時(shí)，示波器將更充分利用ADC分辨率，這時(shí)Vpp的測(cè)量值將更準(zhǔn)確。

限制帶寬

噪聲具有寬帶特性，在示波器未連接輸入的情況下打開FFT功能，便可看到示波器的整個(gè)帶寬上存在的噪聲。打開帶寬限制濾波器可以降低寬帶噪聲，有助于更精確地測(cè)量電源軌，但缺點(diǎn)在于如果帶寬限制設(shè)定值太低，較高頻率的異常就不會(huì)顯示。

應(yīng)該使用多大帶寬?答案是這取決于具體的信號(hào)。雖然切換速度可能在kHz范圍內(nèi)，但快速邊緣(fast edges)會(huì)產(chǎn)生MHz范圍的諧波。對(duì)于頻率更高的耦合信號(hào)，包括頻率諧波，則需要更大的帶寬來(lái)擷取這些信號(hào)。R&S RTO和R&S RTE數(shù)字示波器均配備了帶寬限制濾波器。此外，HD模式可進(jìn)一步降低寬帶噪聲，并將垂直分辨率提高到16位。

選擇合適的探棒(衰減、帶寬和連結(jié))

使用具有1:1衰減比(attenuation ratio)的探棒可以顯著提高測(cè)量電源完整性的精確度;具有較高衰減比的探棒會(huì)放大噪聲，較高的衰減比則會(huì)限制可以使用的垂直靈敏度。例如在輸入低至1 mV/div的示波器上使用衰減比為1:1的探棒就可以將靈敏度縮小至1mV/div，而使用衰減比為10:1的探棒只能設(shè)置至10 mV/div。

如何探測(cè)電源軌信號(hào)與其他技巧一樣重要。一些用戶將電源軌鏈接至信號(hào)質(zhì)量高、便于連接的SMA連接器;有些使用者是選擇焊接連結(jié)，也有使用者選擇在旁路電容使用夾具作為簡(jiǎn)易的接點(diǎn);還有人是使用手持式探棒。每種技巧在易用性、所需的前期規(guī)劃和信號(hào)質(zhì)量方面都各有利弊。

圖3：對(duì)于小信號(hào)，使用衰減比為 1:1 的探棒可以獲得更精確的測(cè)量結(jié)果

為了獲得高精度測(cè)量結(jié)果，Rohde & Schwarz建議使用SMA接頭或焊接式50Ω SMA尾纖同軸電纜(pigtail coax，包括探棒)的R&S RT-ZPR20電源完整性探棒。該探棒可提供2GHz全帶寬，且噪聲極低。雖然該探棒的帶寬規(guī)格為2.0GHz，但其頻率響應(yīng)的滾降(roll-off)較慢，并能擷取電源軌上可能耦合的2.4GHz Wi-Fi信號(hào)。盡管2.4 GHz幅度值將衰減至3dB左右，但擷取這些耦合信號(hào)的能力對(duì)于查找耦合源非常重要。

使用R&S RT-ZPR20探棒搭配R&S RT-ZA25探棒頭(browser)時(shí)，帶寬將降至350MHz。使用能夠最大限度減小接地回路面積的接地裝置，例如接地彈簧(ground spring)，可有效提升測(cè)量精確度。

技巧3：達(dá)到足夠的偏移量

交流耦合和阻隔電容

示波器內(nèi)建的偏移量通常不足以讓使用者將波形放置在顯示器中央并放大顯示，這會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)負(fù)面因素：示波器只使用一小部分ADC垂直分辨率并使用更大的垂直刻度，從而產(chǎn)生額外的噪聲;這會(huì)降低測(cè)量品質(zhì)。

如果在選定的路徑和探棒上使用阻隔電容(blocking caps)或示波器的交流耦合(AC coupling)模式，將去除信號(hào)中的直流分量;這可以解決部分問題，但會(huì)無(wú)法看到實(shí)際的DC值和漂移(drift)。

內(nèi)建偏移的探棒

一些探棒具有額外的內(nèi)建偏移，其優(yōu)勢(shì)在于可讓使用者獲得足夠的偏移量，從而能看到真實(shí)的DC值和低頻特性，諸如漂移和驟降(sag)。R&S RT-ZPR20電源完整性探棒具有±60V的內(nèi)建偏移和850mV的動(dòng)態(tài)范圍，這意味著使用者可以在-60V和+60V的范圍內(nèi)查看直流電源軌上高達(dá)850mV的交流特性。

技巧4：評(píng)估開關(guān)與EMI

頻域圖

特征化電源軌通常需要確保電源軌上沒有耦合干擾信號(hào)，此外用戶有時(shí)需要考慮開關(guān)諧波(switching harmonics)。查看時(shí)域(time domain)波形無(wú)法確定這些干擾因素，但透過(guò)示波器的FFT功能可以在頻域看到這些干擾。

查看頻域波形需要多大的帶寬?這取決于電源軌上可能耦合的潛在信號(hào)，包括頻率信號(hào)和快速邊緣諧波。

圖4：查看電源軌在時(shí)域中的波形圖可以得到Vpp;但要找出并隔離電源軌上的耦合信號(hào)(例如本例中的2.4 GHz Wi-Fi信號(hào))，則需要使用頻域圖

技巧5：加快測(cè)量速度

更新速率對(duì)電源完整性測(cè)量速度的影響

電源軌測(cè)量需要找出最壞情況下的電壓值，建立高可靠度意味著在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)百或數(shù)千次測(cè)量;這會(huì)耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，而且過(guò)程也會(huì)很枯燥。電源完整性測(cè)量的獨(dú)特之處在于它們通常需要很長(zhǎng)的時(shí)間跨度，為了保持更高的帶寬，示波器需要更高的采樣率，從而將占用大量的內(nèi)存。

例如，在采樣率為10 Gsample/s的情況下，1毫秒(millisecond)擷取的數(shù)據(jù)需要使用10 Msample的內(nèi)存，10毫秒擷取的數(shù)據(jù)需要使用100 Msample的內(nèi)存。

波形更新速率用于描述示波器處理內(nèi)存、在顯示器上顯示結(jié)果并開始擷取新數(shù)據(jù)的速度;舉例來(lái)說(shuō)，R&S RTO和R&S RTE數(shù)字示波器的更新速率高達(dá)100萬(wàn)個(gè)波形/秒。快速的更新速率則意味著可以更快地完成Vpp和FFT等測(cè)量。許多示波器的最大更新速率在每秒數(shù)十次或數(shù)百次采樣的范圍內(nèi)，這意味著這種示波器要準(zhǔn)確獲得最壞情況下的容差測(cè)試，所需時(shí)間比更新速率高的示波器要高出幾個(gè)等級(jí)。更新速率高的示波器能讓使用者更快速地完成精確測(cè)量。

結(jié)語(yǔ)

以下總結(jié)使用示波器精確測(cè)量電源完整性的五個(gè)技巧：

? 選擇低噪聲示波器對(duì)于精確測(cè)量電源完整性至關(guān)重要;

? 示波器搭配衰減比 1:1 、內(nèi)建偏移、高帶寬、高直流阻以及整合電壓計(jì)(如R&S ProbeMeter)的探棒使用，可提升測(cè)量性能;

? 了解并正確設(shè)定一系列示波器屬性，例如垂直刻度和帶寬限制濾波器，可提高測(cè)量結(jié)果的精確度;

? 添加頻域圖可讓用戶快速隔離耦合信號(hào);

? 快速更新速率能讓用戶更快速地測(cè)試電源軌。