羅德與施瓦茨示波器 FFT 功能在電源噪聲分析中的應用

在現代電子設備中，電源作為關鍵組成部分，其輸出的穩定性對設備性能有著決定性影響。電源噪聲作為電磁干擾的一種，不僅會導致設備工作異常，降低信號的準確性和可靠性，還可能引發系統故障，影響設備的正常運行。羅德與施瓦茨示波器憑借強大的 FFT（快速傅里葉變換）功能，為電源噪聲分析提供了高效、準確的解決方案，幫助工程師深入了解電源噪聲的特性，定位噪聲源，進而優化電源設計，提升設備的整體性能。

電源噪聲的類型與特性

噪聲類型

電源噪聲按照傳播方向，可分為從電源進線引入的外部干擾，以及由電子設備通過電源線向外傳輸的噪聲。從形成特點來看，又可分為串模干擾和共模干擾。串模干擾發生在兩條電源線之間，而共模干擾則是兩條電源線相對于地面所產生的噪聲。

噪聲特性

電源噪聲主要表現為高頻信號，頻率通常在 10kHz 至 30MHz 之間，最高可達 150MHz。其具有上升速度迅速、持續時間短暫、電壓振幅大且隨機性強的特點。這些特性使得電源噪聲對微處理器和數字電路容易產生嚴重干擾，影響設備的正常工作。

羅德與施瓦茨示波器概述

羅德與施瓦茨作為先進的示波器制造商，其示波器產品具備諸多優勢。以 R&S?RTP 高性能示波器為例，帶寬覆蓋 4GHz 至 16GHz，采樣率達 40Gsample/s，存儲深度每通道 3Gpoints，分辨率高達 16 位。這些參數確保了示波器能夠精準捕獲和分析高頻、快速變化的信號。同時，示波器擁有快速的波形捕獲率，在標準采集模式下，可實現高達一百萬次的波形采集和測量，比同類產品快一千倍以上，這使得它能夠快速發現偶發異常信號。此外，其獨特的數字觸發架構，結合實時去嵌功能，即使在激活信號修正的情況下，仍能實現高速采集運行和精確觸發。

FFT 功能原理及優勢

原理

FFT 是一種高效的算法，用于快速計算離散傅里葉變換（DFT）。其基本原理是將時域信號分解為不同頻率的正弦波信號的無限疊加。數字示波器通過采樣，將模擬信號轉換為離散的數字序列，然后運用 FFT 算法，對這些數字序列進行變換，將時域信號轉換到頻域，從而獲取信號的頻率、幅值和相位等信息。

優勢

相較于傳統的時域分析方法，FFT 功能在電源噪聲分析中具有顯著優勢。通過 FFT 變換，工程師可以直觀地觀察到電源噪聲的頻譜分布，快速確定噪聲的主要頻率成分，進而分析噪聲的來源。此外，FFT 功能能夠對復雜信號進行深入分析，有效解決時域分析難以處理的問題，大大提高了電源噪聲分析的效率和準確性。

在電源噪聲分析中的具體應用

傳導發射測試

在開關電源設計流程結束時，傳導發射測試是必不可少的環節。羅德與施瓦茨示波器的 FFT 功能在這一過程中發揮著重要作用。進行測試時，需要借助線路阻抗穩定網絡（LISN）將被測設備從外部電源中解耦出來。LISN 的同軸輸出通過同軸電纜連接至示波器，同時將示波器的輸入阻抗激活為 50Ω，以確保正確匹配。接下來，在示波器上激活 FFT 功能，配置最小頻率、最大頻率以及分辨率帶寬，并調整時域窗口的垂直靈敏度，防止輸入通道過載。在被測設備斷電的情況下進行參考測量，獲取裝置的噪聲基底。然后再次接通電源進行測量，并根據已知的傳導發射限值對被測設備進行驗證，同時考慮 LISN 造成的額外衰減。

定位噪聲源

在電源設計過程中，準確找到噪聲源至關重要。以某單板調試為例，當發現一個網絡的電源噪聲達到 80mV，超過器件要求時，工程師首先采用傳統方法，在該網絡上增加去耦電容，但紋波改善效果甚微。此時，借助示波器的 FFT 功能對電源噪聲進行分析。通過 FFT 變換，發現電源噪聲的主要能量集中在 11.3KHz 左右，并以該頻率為基波頻率諧振。據此推斷，該 PDN 網絡在 11.3KHz 處的阻抗不能滿足要求，而此頻段通常屬于電源調整模塊（VRM）的管轄范圍，說明 VRM 電路設計存在問題。通過對 VRM 反饋環路波特圖的分析，發現其穿越頻率太低，相位裕度稍小。經過優化 VRM 環路，將相位裕度調整到 50 度，穿越頻率推到 46KHz 左右，紋波明顯降低到 33mV，滿足了器件要求。

精確測量電源噪聲

隨著芯片電源電壓的降低和頻率的提高，對電源噪聲測試的準確性提出了更高要求。羅德與施瓦茨的 R&S MXO5 和 MXO4 系列示波器，帶寬最大 2GHz，采用 12bit 位數的 ADC（HD 模式下，分辨最低可達 18bit），示波器底噪在百 uv 級別，垂直刻度擋位最小可達 0.5mv/div。搭配專門的 Power Rail 電源軌探頭 RT - ZPR20（2GHz）/RT - ZPR40（4GHz），不僅在 2GHz/4GHz 帶寬內具備 1：1 的衰減比，能夠測試到 GHz 帶寬 mv 級別的電源噪聲，而且探頭具有 50kohm 的高直流輸入阻抗，可最大程度降低對待測電源的影響。此外，探頭內置 ±60V 的偏置能力，集成 16 位數字電壓計，可同步讀取被測電源的直流電壓數值，并一鍵精準設置測試系統的偏置電壓。在實際測試中，將探頭連接到測試點，通過內置電壓計測得電源電壓，設置好偏置電壓和示波器垂直刻度，即可測得電源噪聲波形。對噪聲波形進行 FFT 分析，得到電源噪聲頻譜，從而根據噪聲頻率分析噪聲來源。

羅德與施瓦茨示波器的 FFT 功能為電源噪聲分析提供了全面、高效的解決方案，在傳導發射測試、噪聲源定位以及精確測量電源噪聲等方面發揮著重要作用。隨著電子技術的不斷發展，對電源質量的要求將越來越高，電源噪聲分析也將面臨更多挑戰。未來，羅德與施瓦茨有望進一步優化示波器的 FFT 功能，提升其性能和易用性，為工程師提供更強大的工具，助力電子行業的持續發展。