為什么不同示波器的紋波噪聲測(cè)量結(jié)果總是不同?

一、紋波和噪聲的區(qū)別

紋波

由于開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)管工作在高頻的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，每一個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)程，電能從輸入端被“泵到”輸出端，在輸出電容上形成一個(gè)充電和放電的過(guò)程，從而造成輸出電壓的波動(dòng)，而且此波動(dòng)的頻率與開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率相同，這個(gè)波動(dòng)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(kāi)關(guān)電源自身產(chǎn)生一種高頻脈沖串，由發(fā)生在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通與截止瞬間產(chǎn)生的尖脈沖所造成，噪聲的頻率比開(kāi)關(guān)頻率高的多，噪聲電壓的大小很大程度上與開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)洹⒆儔浩鞯睦@制、電路中的寄生參數(shù)、測(cè)試時(shí)外部的電磁環(huán)境以及PCB的布線(xiàn)設(shè)計(jì)有關(guān)。

基于此，紋波和噪聲的區(qū)分就很好理解了。下面開(kāi)始討論測(cè)量。

二、不同示波器測(cè)試結(jié)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(gè)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(huì)直接影響Pk-Pk值測(cè)量。

2、 未使用接地彈簧

探頭的長(zhǎng)地線(xiàn)與探針在電路板接觸處所形成的環(huán)太大，很容易將空間中的大量電磁干擾引入測(cè)量電路。

3、 探頭頻率補(bǔ)償未校正

探頭本身在為補(bǔ)償良好狀態(tài)，幅值測(cè)量本身不準(zhǔn)。

需要注意的是：

一定不能單純以哪個(gè)品牌或者型號(hào)的測(cè)量結(jié)果作為標(biāo)榜去標(biāo)定，認(rèn)為一定是某品牌是對(duì)的、某型號(hào)是對(duì)的、某示波器很貴所以是對(duì)的，這些測(cè)量心態(tài)都是不可取的。測(cè)試結(jié)果在一定范圍內(nèi)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(yīng)曲線(xiàn)也略有不同。

三、測(cè)量過(guò)程中的一點(diǎn)反思

這個(gè)時(shí)候讓人不禁發(fā)問(wèn)：為什么非要20M帶寬限制呢?有什么科學(xué)根據(jù)么?

這個(gè)20M是早期示波器為了避免電源輸出受高頻干擾過(guò)大，來(lái)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易硬件濾波電路。如果要深究，個(gè)人認(rèn)為20M只能是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，而并非理論值了。

四、用更準(zhǔn)確的方式測(cè)量紋波噪聲

目前新型的數(shù)字示波器功能越來(lái)越強(qiáng)，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(guò)數(shù)字濾波的方式，來(lái)得到更準(zhǔn)確的信號(hào)。一般需要使用示波器的三個(gè)功能：FFT、數(shù)字濾波器、統(tǒng)計(jì)測(cè)量

(1) FFT運(yùn)算功能。

通過(guò)FFT運(yùn)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(gè)頻率分量的功率、有效值、相位等特性，有效地應(yīng)用在分析被測(cè)系統(tǒng)中的諧波分量和失真、電源信號(hào)中的噪聲特性等場(chǎng)合。ZDS2000系列示波器標(biāo)配4Mpts的FFT，在1GSa/s的FFT等效采樣率下頻率分辨率仍能精細(xì)到250Hz，可準(zhǔn)確快速的分析信號(hào)干擾來(lái)源。

(2) 數(shù)字濾波器功能。

它是使用IIR或FIR數(shù)字濾波器，對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波。通過(guò)較少的計(jì)算量，可以使通帶內(nèi)具有很好的平坦度、阻帶內(nèi)有足夠的衰減和足夠小的阻帶紋波。ZDS2024示波器標(biāo)配的IIR數(shù)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(diào)節(jié)范圍。如下圖1所示，是ZDS2024示波器在設(shè)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(yīng)曲線(xiàn)：

圖1 低通濾波器的幅頻響應(yīng)曲線(xiàn)

(3) 自動(dòng)測(cè)量功能。

不僅可以測(cè)量通道源的波形，還可以測(cè)量經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算或者數(shù)字濾波后的波形。ZDS2000系列示波器標(biāo)配的“真正意義”的參數(shù)測(cè)量統(tǒng)計(jì)會(huì)把屏幕上捕獲的所有波形進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)，得出當(dāng)前值、最大值、最小值和平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、測(cè)量次數(shù)。用戶(hù)通過(guò)觀察統(tǒng)計(jì)最大值和最小值可快速了解波形中可能存在的異常，通過(guò)觀察平均值、標(biāo)準(zhǔn)差可快速評(píng)估信號(hào)特性。

2、各個(gè)功能的典型用途

Ø FFT功能：可以有效地分析信號(hào)中的噪聲的頻域范圍;

Ø 數(shù)字濾波功能：可以有效地過(guò)濾信號(hào)中的噪聲成分;

Ø 自動(dòng)測(cè)量功能：可以用于測(cè)量經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算或者數(shù)字濾波后的波形的各個(gè)參數(shù)指標(biāo)。

如上所述，我們已經(jīng)無(wú)形中就將“FFT + 數(shù)字濾波 + 自動(dòng)測(cè)量”組合成了一個(gè)可用于定位噪聲、減少噪聲、波形測(cè)量的利器，可有效地用于存在干擾的被測(cè)信號(hào)的干擾定位和快速測(cè)量。下面，我們就用這個(gè)利器來(lái)解決一個(gè)經(jīng)常會(huì)遇到的信號(hào)測(cè)量的問(wèn)題。

當(dāng)我們?cè)跍y(cè)量某些正弦小信號(hào)時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)紋波信號(hào)會(huì)夾雜很多的高次諧波和噪聲干擾，造成波形不能有效觸發(fā)，更重要的是測(cè)量結(jié)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(yùn)用三大功能的組合來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，具體步驟如下所示：

Step1：定位噪聲范圍

使用FFT運(yùn)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，F(xiàn)FT測(cè)得的波形的基頻是357Hz(由于當(dāng)前FFT的頻譜分辨率為35.7Hz)，干擾的噪聲信號(hào)的頻率范圍都是大于1KHz。

Step2：信號(hào)濾波

使用數(shù)字濾波器功能。由于需要將高頻率信號(hào)過(guò)濾掉，因此在數(shù)字濾波菜單中選擇低通濾波模式，然后將截止頻率設(shè)為1KHz，將大于1KHz的頻率信號(hào)進(jìn)行低通濾波衰減。

濾波后效果如下圖4所示：

圖4經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后的波形圖

Step3：參數(shù)測(cè)量

對(duì)于數(shù)字濾波后的波形，可以使用自動(dòng)測(cè)量功能，對(duì)濾波后的波形的電壓、時(shí)間、計(jì)數(shù)等測(cè)量項(xiàng)進(jìn)行測(cè)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(shù)字濾波后波形的峰峰值為357mV，測(cè)量更加準(zhǔn)確。時(shí)間方面，原始波形的頻率測(cè)量值(Freq)為1.127kHz，波動(dòng)很大，而數(shù)字濾波后波形的頻率值為355.2Hz，波動(dòng)非常小。

圖5原始波形與數(shù)字濾波波形的測(cè)量結(jié)果對(duì)比

ZDS2000示波器有4Mpts FFT運(yùn)算、數(shù)字濾波功能、51種“真正意義”的自動(dòng)測(cè)量統(tǒng)計(jì)這三大功能，如果能夠靈活地組合使用，將會(huì)使各個(gè)功能發(fā)揮到極致，能極大地提高工作的效率。