示波器精確測量電源完整性的五大技巧

在測試測量工作中我們會遇到這樣的問題，電源軌電壓(rail voltage)和容差越來越小，對電源完整性進行精確測量也變得越來越困難。過去，任何示波器都能夠測量5V電源軌上10%容差的漣波(ripple)，因為500mV要求遠高于示波器的噪聲位準(noise level)；但現在，無論使用何種示波器都難以測量1V電源軌上2%容差的漣波電壓。這種情況下我們該怎么測量呢，安泰告訴你一些小技巧讓你利用示波器精確測量電源完整性。

圖1：電源軌直流電壓及其容差

技巧1：調整顯示特性波形強度(waveformintensity)

測量電源軌直流電壓容差需要測出較壞情況下的電壓峰-峰值(Vpp)，這可透過自動化測量完美實現；有時目測判定也很有用，所有示波器均有顯示設置，使用者可透過該設定改變波形強度。該強度值通常被設為約50%，將強度設為更高的值可讓使用者更輕松地查看出現頻率較低的波形對應的示波器像素。但增加波形強度的不利之處在于，這樣更難以判斷任何特定像素上顯示波形的出現頻率；雖然這對于觀察調變信號很重要，但這種分辨率對于電源完整性測量通常并不重要。

無限持續時間(Infinite persistence)：打開無限持續時間模式可讓連續采集的波形累迭顯示；無限持續時間對于建檔也非常有用，示波器可顯示較長時間內的直流電壓容差范圍。

色彩分級(Color grading)：打開色彩分級模式可生成電源軌波形的3D圖；色彩分級結合無限持續時間顯示有助于更深入地認識電源軌信號。

技巧2：降低噪聲選擇低噪聲示波器

如果信號強度小于示波器和探棒/纜線系統的噪聲，你永遠也測量不出該信號。信號在進入示波器后、進入模擬數字轉換器(ADC)前，會迭加前端噪聲；然后每個儲存的樣本除了包含原始的信號值，也會存在一些偏移量(offset)，偏移量大小取決于獲取樣本時存在的噪聲大小。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。大于真實信號的峰-峰值會顯示并被測量到。

比較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？大多數示波器制造商都會提供產品規格表，列出該特定示波器的典型均方根(RMS)噪聲值；這些噪聲值是根據大量示波器樣本所特征化。噪聲是一種特征(characteristic)而非規格，制造商只會提供RMS噪聲的典型值，但噪聲的峰-峰值其實才是影響精確測量漣波的重要因素。

一個簡單的方法是自己測量。快速特征化僅需幾分鐘，且無需使用外部設備。斷開示波器的所有輸入，打開Vpp測量，設置噪聲測量的垂直刻度和采樣率，讓示波器運行，直到獲得穩定且一致的Vpp噪聲值。噪聲水平取決于垂直靈敏度設置、帶寬設置和阻抗選擇(50Ω或1MΩ)，并且在同一示波器上的不同信道上會存在微小的差別。

選擇噪聲低的信號路徑阻抗：用于測量電源完整性的示波器通常具有兩種信號路徑阻抗：50Ω和1MΩ一般來說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路徑是測量電源完整性的不錯選擇。電源軌的輸出阻抗通常為mΩ等級。對于沒有任何探棒的纜線測量設備來說，50Ω路徑具有50Ω的直流輸入阻抗，會產生一些負載效應，從而會減小電源軌直流幅度值。使用專用電源完整性探棒可以較大限度地減低該問題的影響。

使用靈敏的垂直刻度：示波器噪聲位準與示波器全屏幕垂直刻度值有關。因此，使用更靈敏的垂直分辨率將會減少測量的總噪聲量。此外，當放大信號使其覆蓋大部分垂直范圍時，示波器將更充分利用ADC分辨率，這時Vpp的測量值將更準確。
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，有助于更精確地測量電源軌，但缺點在于如果帶寬限制設定值太低，較高頻率的異常就不會顯示。

應該使用多大帶寬？答案是這取決于具體的信號。雖然切換速度可能在kHz范圍內，但快速邊緣會產生MHz范圍的諧波。對于頻率更高的耦合信號，包括頻率諧波，則需要更大的帶寬來擷取這些信號。

使用具有1:1衰減比的探棒可以顯著提高測量電源完整性的精確度；具有較高衰減比的探棒會放大噪聲，較高的衰減比則會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的探棒只能設置至10 mV/div。

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

技巧3：達到足夠的偏移量交流耦合和阻隔電容

示波器內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，這會導致兩個負面因素：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，從而產生額外的噪聲；這會降低測量品質。

如果在選定的路徑和探棒上使用阻隔電容或示波器的交流耦合模式，將去除信號中的直流分量；這可以解決部分問題，但會無法看到實際的DC值和漂移。

內建偏移的探棒一些探棒具有額外的內建偏移，其優勢在于可讓使用者獲得足夠的偏移量，從而能看到真實的DC值和低頻特性，諸如漂移和驟降(sag)。

技巧4：評估開關與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，此外大家有時需要考慮開關諧波。查看時域波形無法確定這些干擾因素，但透過示波器的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，包括頻率信號和快速邊緣諧波。

但要找出并隔離電源軌上的耦合信號(例如本例中的2.4 GHz Wi-Fi信號)，則需要使用頻域圖。

技巧5：加快測量速度更新速率對電源完整性測量速度的影響

電源軌測量需要找出較差情況下的電壓值，建立高可靠度意味著在更長時間內進行數百或數千次測量；這會耗費很長的時間，而且過程也會很枯燥。電源完整性測量的獨特之處在于它們通常需要很長的時間跨度，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存。

波形更新速率用于描述示波器處理內存、在顯示器上顯示結果并開始擷取新數據的速度；數字示波器的更新速率高達100萬個波形/秒。快速的更新速率則意味著可以更快地完成Vpp和FFT等測量。許多示波器的更新速率在每秒數十次或數百次采樣的范圍內，這意味著這種示波器要準確獲得較差情況下的容差測試，所需時間比更新速率高的示波器要高出幾個等級。更新速率高的示波器能讓使用者更快速地完成精確測量。

說了這么多安泰來給大家總結一下：

1、選擇低噪聲示波器對于精確測量電源完整性至關重要；

2、示波器搭配衰減比 1:1 、內建偏移、高帶寬、高直流阻以及整合電壓計的探棒使用，可提升測量性能；

3、了解并正確設定一系列示波器屬性，例如垂直刻度和帶寬限制濾波器，可提高測量結果的精確度；

4、添加頻域圖可讓用戶快速隔離耦合信號；

5、快速更新速率能讓用戶更快速地測試電源軌。

如果您在使用示波器測量電源完整性時通過以上幾點還出現測量不精準的問題，安泰測試作為西北專業的的測試儀器服務商隨時為您提供費的技術咨詢服務，咨詢熱線4000-029-016或者關注安泰測試官網在線咨詢。