2018年11月28日 | 示波器测试中的假波现象和引起电源模块发热形象解析

在工程师使用示波器测量信号时，可能会发现不同的时基档下所测到的波形频率不同。如果这个信号并非是叠加信号，那么可能就是示波器出现假波现象了。本文重点分享示波器假波现象的形成原因以及处理方法。

一、数字示波器的假波现象

图 1.       数字示波器观察到的假波现象

在使用数字示波器时，是否会遇到输入信号频率为10MHz，而示波器测量出来却是远小于10MHz频率的信号波形，你可能会认为这是一个高频率小信号叠加低频率大信号，请不要急着做这样的结论，可能此时已经出现了假波现象了。

图1给出信号实际波形和假波的图形，从图中可以直观的看出假波和实际波形的区别。随后会讨论假波形成原因、特征以及如何判断测量中是否出现假波现象。

二、假波现象形成的原因

了解假波现象如何形成，就得要知道数字示波器的工作原理。图2是数字示波器工作原理框图，与模拟示波器不同，数字示波器通过模数转换器（ADC）把被测电压转换为数字信息。它捕获的是波形的一系列样值，并对样值进行存储，存储限度是判断累计的样值是否能描绘出波形为止。对样值存储后，数字示波器再重构波形。显然示波器是否能重现真实的信号波形，其中关键的步骤就是采样。根据奈奎斯特抽样定律，要保证信号在恢复时不发生混迭现象和失真，采样率至少为信号最高频率带宽的2倍以上。可想而知，如果示波器采样速率不高，无法建立起精确的波形记录时，就会出现假波现象，如图1所示显示为低频信号波形，或者触发显示为不稳定的波形。

图 2.       数字示波器工作原理框图

三、假波现象的判断方法

在实际测量中可以通过以下4个方法判断示波器测量的波形是否为假波。

注：测试输入为10MHz，峰峰值800mV的正弦波信号。所用示波器是广州致远电子有限公司自主研发的ZDS1104，带宽100MHz，最大采样率1GSa/s，最大储存深度28MKpts，支持4通道输入。

1. 旋转“t/div”旋钮改变水平时基档，如果波形形状剧烈变化，则可能出现假波现象。

图 3.       水平时基20us/div、采样率50MSa/s

图 4.       水平时基100us/div、采样率10MSa/s

从图3和图4中可以看出，当水平时基档从“20us /div”增加到“100us /div”时，波形发生剧烈变化，频率为10MHz的信号示波器测量为4.98KHz，可以判断时基档在“100us /div”出现波形为假波。

数字示波器采样率fs和水平时基档（t/div）有如下关系：

其中数字示波器最大采样速率N是一个定值，可知水平时基档越大，采样率越小。水平时基档增加到“100us /div”时，采样率也从50MSa/s减小到10MSa/s，根据奈奎斯特抽样定律，此时的采样率小于信号频率的2倍，也就不能正确的重现波形了。

1. 选择“峰值”捕获模式，如果波形形状剧烈变化，则可能有假波现象。

图 5.       标准捕获模式

图 6.       峰值捕获模式

“峰值”捕获模式，示波器将对最大值和最小值进行取样，因此可以检测更快的信号。图6中，捕获模式由“标准”改为“峰值”，采样率同样是10MSa/s，示波器显示的波形形状剧烈变化。可判断出图5中示波器显示波形为假波。

1. 改变储存深度大小，如果波形形状剧烈变化，则可能有假波现象。

图 7.       储存深度14Kpts

图 8.       储存深度700Kpts

示波器的储存就是把经过A/D数字化后的二进制波形信息存储到示波器的高速CMOS内存中，内存的容量就是储存深度。储存深度M与采样率fs有这样的关系：
 

由以上关系可知，提高示波器的储存深度可以间接提高示波器的采样率。图8中，储存深度由14Kpts改为700Kpts，波形形状发生剧烈变化，可判断出图7示波器显示波形为假波现象。仔细观察图5、图6和图7，都是由于示波器设置储存深度过小，导致采样率不足造成假波的产生。

1. 选择“峰峰值测量”，在改变水平时基档、储存深度或者选择“峰值捕获”，当波形出现剧烈变化时，若峰峰值不改变，则出现假波现象。

图3至图8中都标出了峰峰值测量“PK-PK”，当水平时基档、储存深度和捕获模式改变，无论示波器显示信号波形怎么变化，但是峰峰值800mV并没有发生变化，可以说明示波器显示的波形为假波现象。

五、总结

假波现象只会出现在数字示波器中，现在市场上基本都是数字示波器。

假波现象是由于采样率不足导致的。示波器最大的采样率是固定的，实际采样率是可变的，通过选择合适的时基档位和储存深度可以提高实际采样率，有效避免假波的产生。

示波器测量同一信号在不同时基档显示不相同频率波形时，请用以上4种方法判断是否为假波现象。[page]

引起电源模块发热的四大原因

一摸电源模块的表面，热乎乎的，模块坏了？且慢，有一点发热，仅仅只是因为它正努力地工作着。但高温对电源模块的可靠性影响极其大！基于电源模块热设计的知识，这一次，我们扒一扒引起电源模块发热的原因。

电源模块在电压转换过程中有能量损耗，产生热能导致模块发热，降低电源的转换效率，影响电源模块正常工作，并且可能会影响周围其他器件的性能，这种情况需要马上排查。但什么情况下会造成电源模块发热严重呢？具体原因如下所示：

一、     使用的是线性电源

线性电源工作原理如下图1，通过调节调整管RW改变输出电压的大小。由于调整管相当于一个电阻，电流经过电阻时会发热，导致效率不高。

图1 线性电源原理图

为了防止电源模块发热严重，可采取以下措施：加大散热片、实行风冷、导热材料解决（导热硅脂、导热灌封胶）、改用开关电源

二、     负载太小

电源轻载，即电源电路负载阻抗比较大，这时电源对负载的输出电流比较小。有些电源电路中不允许电源的轻载，否则会使电源电路输出的直流工作电压升高很多，造成对电源电路的损坏。一般电源模块有最小的负载限制，各厂家有所不同，普遍为10%左右。

如果输出负载太轻，建议在输出端并联一个假负载电阻，如图2所示。该假负载电阻功率加上实际负载功率之和>10%负载。

图2  负载太小，并联假负载

三、     负载过流

电源过载，与电源轻载情况恰好相反，就是电源电路的负载电路存在短路，使电源电路输出很大的电流，且超出了电源所能承受的范围。

对于无过流保护的电源模块，输出需要稳压、过压及过流保护的最简单方法就是在输入端外接一带过流保护的线性稳压器，如图3所示。

图3  负载过流，增加线性稳压器

四、     环境温度过高或散热不良

使用模块电源前，务必考虑电源模块的温度等级和实际需要的工作温度范围。根据负载功率和实际的环境温度进行降额设计。

如ZLG致远电子的P_FLS-1W，标出的降额曲线如下图4所示，从图中可明确知道，工作温度范围是-40~105℃，在高温85℃以上后，需降功率使用，在105℃时，最大的允许输出功率为0.8W。

图4  P_FLS-1W的温度降额曲线

致远电子基于近二十年的电源设计经验积累，自主研发设计自主电源IC。以致远电子P系列全工况优选定压电源为例，在解决模块电源发热的问题上，从方案选择、元器件选择到PCB设计突破众多的技术瓶颈，图5是我司P系列电源模块在25℃、湿度40%~75%，输入标称电压和输出纯阻模式下测得的温度。

图5  P系列电源模块外壳温度

在灌封类电源模块中，灌封胶由于良好的导热性模块温度进一步降低。那怎么才能测试准确地测试内部元件的温升呢？请查阅《ZLG是如何测试电源模块内部的温升的！》。电源模块在设计之初如何考虑电源的热设计（元器件选择、PCB设计）《再扒一扒电源模块发热那点事儿》。