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2020年09月10日 | 如何使用示波器较准确测量电源噪声？
2020-09-10 来源：eefocus
这篇文章以实际测试案例说明了测量电源纹波和测量电源噪声在示波器带宽要求上的不同及不同带宽所引起的测量结果的巨大差异。文章给出了坚硬的结论和测量结果。
项目描述
硬件电路的很多问题都和电源相关，好的电源设计对于整个硬件电路至关重要；这篇文章是从一个实际的案例来谈一谈如何使用示波器较准确的测量电源的噪声。
测量对象是在市场上购买的一款 IPAD 扩容外设。此设备是通过在 IPAD 上安装对应的 APP，在充电口加入外围模块来实现对 IPAD 的扩容。
这一款设备所用的存储介质是 MicroSD 卡。我们对其中 MicroSD 卡存储部分的信号进行检测，检测这一部分回路是否符合 SD 规范。在使用示波器检测 SDVCC 电压的时候，根据对电源纹波的测量经验，测量电源纹波一般应限制 20MHZ 带宽。但使用 20MHZ 带宽限制与全带宽 500MHZ 测量的值差别很大。那么，在此处测量 SDVCC 的电压，是否应该把带宽限制在 20MHZ？
问题解决
此电路非常简单，就是通过 IPAD 的供电口以及数据传输线对产品进行扩容；首先来测量产品给 SD 供电的电压波形。按照存储芯片 MicroSD 卡供电要求的范围：2.7V-3.6V；不允许超出此范围，否则，芯片在不稳定的电压下工作会有比较大的风险，甚至会对卡片的正常工作带来影响。
首先需要考虑的是示波器的设置，究竟是否需要进行 20MHZ 的带宽限制？详细的使用环境如下图所示：
IPAD 刚引出来的那个端口可以当做电源的源端，而通过后端的外围模块后在末端进行测试的时候，电源通过了一段 PCB 走线，包括一些芯片回路，应该存在高频的噪声，如果采用 20MHZ 的带宽限制，实际上是将原本属于模块的噪声给滤掉了，为此，我们进行了对比测试进行验证：
第一步，我先验证 IPAD 的供电端在工作时的输出，如下图：
通过直接验证 IPAD 的输出口的电压,保证源端的供电是正常的；通过测试，我们发现在源端测量的电压值在 3.4V（500MHZ 带宽测量）左右，峰峰值最大 29mV，是非常稳定的供电；
因此，可以排除源端供电的问题，接下来，我们直接在通过整个模块后在 MicroSD 卡的供电脚 SDVCC 对电压进行测量，如下图：
当我们在图片上的点进行测试的时候，发现在电源上有相当大的噪声，使得电压超出了规范要求的范围，最大值达到了 3.814V，峰峰值最大达 854mV；
但当我们将示波器设置为 20MHZ 带宽的时候，电源变的非常好，完全在供电要求的范围内；
正如在本文开头描述的，在本次电源测试过程中，已经不是电源纹波测量，而应该是噪声。类似这类电源电压的测量，如按照限制 20MHZ 带宽进行测试，会给测量分析带来误判（因为确实存在比较大的噪声 / 电压波动），示波器的前端滤波会将产品本身所存在的噪声给滤掉了；因此，我们采用了 500MHZ 的满带宽进行测试；
但是，通过以上的测试方式是否真实反映了产品的噪声大小？另外，采用标配的无源探头进行测试会对测量结果带来多大的偏差？是否在可接受的范围内？还需要进一步的验证；
我们采用了不同接地环路对相同的测试点进行了测量。带弹簧地的测试回路减少了信号的回流路径，测试结果会比直接用原来标配的 6 英寸的效果要好些，但二者的差别较小，而测出来的 3.8V 的最大值似乎不够准确（经验判断）；之前在示波器操作培训时也了解到示波器标配的 10:1 的无源探头会对信号测量带来较大的偏差，10:1 的衰减会将示波器的底噪提高 10 倍；因此，我们将采用 1:1 衰减，50 欧姆的同轴线缆对产品再次进行测量，以保证准确的反映产品的真实状况，以便于对测试结果进行分析，如下图：
采用 1:1 的同轴电缆可以将信号传输的路径减小，另外，示波器直接设置为 1:1 衰减，避免了软件算法对示波器底噪的放大，因此带来最准确的测量结果；
采用同轴线缆测试的结果，最大值为 3.645V，比使用无源探头 3.814V 的测量值相差 0.169V。可见在需要做非常精准的测量的时候，应选择同轴线缆来测量，尽量减小测量误差。
总结
本文主要是从测试的角度来分析讨论应该如何去测试“电源”噪声。通过以上分析可以得出以下结论：
1. 如果按照以往电源纹波的测试方法，直接选择 20MHZ 的带宽进行测试，将无法正确地反映出电源的真实状况。在诸如此类的电源电压的监控测量中，应考虑到其他高频噪声的干扰，不能把示波器带宽限制在 20MHZ。测试一个电源电压波动应选择怎么样的带宽，要具体问题具体分析，要正确判断是测量纹波还是噪声，对应地选择如何设置示波器。
2. 如需要更加精准地测量，需要减小示波器 10:1 无源探头带来的误差影响，应使用 1:1 衰减的同轴线缆进行测量。
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史海拾趣
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