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五种快速精确测量电源完整性的技巧

时间:2019-02-01 作者:Rohde & Schwarz 阅读:
随着行业的不断发展,电源轨电压和容差越来越小。例如,无论使用何种示波器,都难以测量1V电源轨上2%容差的纹波电压。本文介绍了五种利用示波器精确测量电源完整性的技巧。
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随着电源轨电压和容差越来越小,对电源完整性进行精确测量也变得越来越困难。过去,任何示波器都能够测量5V电源轨上10%容差的纹波,因为500mV要求远高于示波器的噪声电平。

随着行业的不断发展,电源轨电压和容差越来越小。例如,无论使用何种示波器,都难以测量1V电源轨上2%容差的纹波电压。本文介绍了五种利用示波器精确测量电源完整性的技巧。

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图1:电源轨直流电压及其容差。

技巧1:调整显示特性

波形亮度

测量电源轨直流电压容差需要测出最坏情况下的电压峰峰值(Vpp)。这可通过自动测量方法很好地实现。此外,有时目测判定也很有用。所有示波器均有显示设置,用户可通过该设置改变波形亮度。该亮度值通常被设为约50%。将亮度设为更高的值可让用户更轻松地查看出现频率较低的波形对应的示波器显示像素。但增加波形亮度的不利之处在于,这样更难以判断任何特定像素上显示波形的出现频率。虽然这对于观察调制信号很重要,但这种分辨率对于电源完整性测量通常并不重要。

无限余晖

打开无限余晖,让连续采集的波形累叠显示。无限余晖对于文档记录也非常有用。示波器可显示较长时间内的直流电压容差范围。 

颜色等级

打开颜色等级可生成电源轨波形的三维视图。颜色等级结合无限余晖显示有助于更深入地认识电源轨信号。

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图2:通过颜色等级和无限余晖,可以快速查看电源轨动态。添加缩放窗口后还可以更详细地查看信号特征。

技巧2:降低噪声

选择噪声水平低的示波器

如果信号强度比示波器和探头/线缆系统的噪声还小,则永远无法测出该信号。信号在进入示波器后、进入模数转换器(ADC)前,会叠加前端噪声。然后,每个存储的样本除了包含原始的信号值,也会存在一些偏移量,偏移量大小取决于获取样本时存在的噪声大小。用户将在示波器的显示屏上看到较粗波形,不要将它与快速更新速率相混淆。如此一来,将显示并测量出大于真实信号的峰峰值。

最好的方法是使用噪声更低的示波器。如何确定示波器的噪声水平?大多数示波器制造商都会提供一张数据表,数据表上会列出特定示波器的典型RMS噪声值,每个型号的示波器都会用噪声值来表征。噪声是一种特征值,而不是一种规格。此外,制造商只会提供RMS噪声的典型值,但噪声的峰峰值其实才是影响精确测量纹波的重要因素。

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图3:噪声是导致电源轨直流纹波测量不准确的主要原因。

一个简单的方法是自己测量。快速确定其噪声特征仅需几分钟,且无需使用外部设备。断开示波器的所有输入,打开Vpp测量,设置噪声测量的垂直刻度和采样率,让示波器运行,直到获得稳定且一致的Vpp噪声值。噪声水平取决于垂直灵敏度设置、带宽设置和阻抗选择(50Ω或1MΩ),并且在同一示波器上的不同通道上会存在微小的差别。

不同制造商的示波器的噪声水平差异可能会高达100%。如果需要精确地测量纹波,请确保选择噪声水平更低的示波器。

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图4:断开输入,选择垂直灵敏度和带宽,并打开示波器的Vpp噪声测量。打开无限余晖可以更方便地查看噪声包络。

选择噪声水平最低的阻抗

用于测量电源完整性的示波器通常具有两种信号路径阻抗:50Ω和1MΩ。用户可以使用支持其中任意一种阻抗的探头,或者使用线缆来完成电源轨测量。

对于具有上述两种阻抗的示波器来说,50Ω阻抗通常噪声更小,且支持示波器全带宽。1MΩ路径上的噪声可能是50Ω路径上的噪声的两到三倍,并且1MΩ路径上的带宽通常限制为500MHz,因此50Ω路径是测量电源完整性的最佳选择。

电源轨的输出阻抗通常为mΩ级别。对于没有任何探头的线缆测量设备来说,50Ω路径具有50Ω的直流输入阻抗,会产生一些负载效应,从而会减小电源轨直流幅度值。使用专用电源完整性探头,例如具有50kΩ输入阻抗的R&S RT-ZPR20,可以最大限度地减小该问题的影响。

由于失配的1MΩ和50Ω传输线之间会发生反射,因此不建议将50Ω线缆(例如 50Ω尾纤同轴线)直接连接到示波器的1MΩ输入端。

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图5:比较垂直灵敏度不断增加的R&S RTO数字示波器上的50Ω和1MΩ路径上的噪声。

使用最灵敏的垂直刻度

示波器噪声电平与示波器全屏垂直刻度值有关。因此,使用更灵敏的垂直分辨率将会减少测量的总噪声量。此外,当放大信号使其覆盖大部分垂直范围时,示波器将更充分利用ADC分辨率,这时Vpp的测量值将更准确。

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图6:噪声与垂直刻度有关。选择最灵敏的垂直刻度可以降低噪声。在这个例子中, 2mV/div时的噪声几乎比20mV/div时的噪声小了3.5倍。

限制带宽

噪声具有宽频特性。在示波器未连接输入的情况下打开FFT功能,便可看到示波器的整个带宽上存在的噪声。打开带宽限制滤波器可以降低宽带噪声,有助于更精确地测量电源轨。但不足之处在于,如果带宽限制设定值太低,则高频异常将不会显示出来。

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图7:在没有连接任何输入的情况下对示波器进行FFT分析,然后与连接信号情况下的FFT进行比较。比较后便可得知哪些成分是信号内容,哪些高频成分只是来自示波器和探测系统的宽带噪声。然后便可以适当地设置带宽限制。

应该使用多大带宽?答案是这取决于具体的信号。虽然切换速度可能在kHz范围内,但快速边沿会产生MHz范围的谐波。对于频率更高的耦合信号,包括时钟谐波,则需要更大的带宽来捕获这些信号。R&S RTO和R&S RTE数字示波器均配备了带宽限制滤波器。此外,HD模式可进一步降低宽带噪声,并将垂直分辨率提高到16位。

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图8:带宽限制可降低宽带噪声,从而实现更精确的时域测量。在示波器通道未连接输入的情况下,这里比较了1mV/div时20MHz、200MHz和4GHz时的噪声。20MHz时的Vpp噪声约为200MHz时的50%,约为4GHz全带宽时噪声量的13%。

选择合适的探头(衰减比、带宽和连接)

使用具有1:1衰减比的探头可以显著提高测量电源完整性的精确度。具有较高衰减比的探头会放大噪声。此外,较高的衰减比会限制可以使用的垂直灵敏度。例如,在输入低至1 mV/div的示波器上使用衰减比为1:1的探头可以使灵敏度减小至1mV/div,而使用衰减比为10:1的探头只能设置至10 mV/div。

如何探测电源轨信号与其他技巧一样重要。一些用户将电源轨连接至信号质量高、便于连接的SMA接头。一些用户选择焊接连接点。一些用户选择在旁路电容上夹一个夹子来作为简易的接入点使用。还有一些用户使用手持探测器进行探测。每种技术在易用性、所需的前期规划和信号质量方面都各有利弊。

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图9:对于小辐度信号,使用衰减比为 1:1 的探头可以获得更精确的测量结果。

为了获得高精度测量结果,Rohde & Schwarz建议使用SMA接头或焊接50Ω SMA 尾纤同轴线缆(附带探头)的R&S RT-ZPR20电源完整性探头。该探头可提供2GHz全带宽,且噪声极低。虽然该探头的带宽规格为2.0GHz,但其频率响应衰减较慢,并能捕获电源轨上可能耦合的2.4GHz Wi-Fi信号。尽管2.4 GHz幅度值将衰减至3dB左右,但捕获这些耦合信号的能力对于查找耦合源非常重要。

使用R&S RT-ZPR20探头时,配合使用R&S RT-ZA25探测前端时带宽将降至350MHz。使用能够最大限度减小接地回路面积的接地装置,例如弹簧地,可极大提升测量精确度。

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图10:图中尾纤中的2GHz同轴焊接接头连接通道2,右侧为带旁路帽夹和接地弹簧的无源350MHz探头。

技巧3:设置足够大的偏置

交流耦合和隔直电容

示波器内置的偏置通常不足以让用户将波形放置在显示屏的中央并放大显示。这会导致两个负面影响: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,从而产生额外的噪声。这将降低测量质量。

使用隔直电容或在示波器上使用交流耦合模式将去除信号中的直流分量(如果选定路径和探头支持)。这解决了部分问题,但却无法看到实际的DC值和低频漂移。

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图11:使用隔直电容或交流耦合时,无法在示波器上看到DC值或低频漂移。R&S RT­ZPR20电源完整性探头内置偏置高达±60V,即使在较小垂直刻度的情况下进行缩放,也可使用户看到绝对直流值,包括低频直流变化。

具有内置偏置的探头

一些探头具有额外的内置偏置。这种探头的优势在于可使用户获得足够的偏置量,从而能看到真实的DC值和低频特性,诸如漂移和下降。例如,R&S RT-ZPR20电源完整性探头具有±60V的内置偏置和850mV的动态范围。这意味着用户可以在-60V和+60V的范围内查看直流电源轨上高达850mV的交流特性。

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图12:动态范围规定了探头正确测量的最大交流电压值。该探头的动态范围为850mV,专用于测量直流电源轨上的小幅度交流电压值。对于交流电压值需要超过850mV的应用场合,则该探头不适用。

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图13:R&S RT-ZPR20电源完整性探头包含一个R&S ProbeMeter探头电压表,即使示波器显示屏上没有显示该信号,该电压表也能显示直流电压值。这样便可通过该电压表轻松确定所需的偏置量,或者利用该电压表直接提供精确的直流电压值。

技巧4:评估切换和电磁干扰

频域视图

确定电源轨的特性通常需要确保电源轨上未耦合干扰信号。此外,用户有时需要考虑切换谐波。查看时域波形无法确定这些干扰因素,但通过示波器的FFT功能可以在频域看到这些干扰。

查看频域波形需要多大的带宽?这取决于电源轨上可能耦合的潜在信号,包括时钟信号和快速边沿谐波。

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图14:查看电源轨在时域中的波形图可以得到Vpp。但要找出并隔离电源轨上的耦合信号(例如本例中的2.4 GHz Wi­Fi信号),则需要使用频域的频谱图。R&S RT­ZPR20电源完整性探头的指定带宽为2GHz,–3dB带宽可达2.4GHz。这便可使用户查看2.4 GHz上的耦合信号。

技巧5:加快测量速度

更新速率对电源完整性测量速度的影响

电源轨测量需要找出最坏情况下的电压值。建立高可信度意味着在更长时间内进行数百或数千次测量。这将耗费很长的时间,而且过程也会很枯燥。电源完整性测量的独特之处在于它们通常需要很长的时间跨度。为了保持更高的带宽,示波器需要更高的采样率,从而将占用大量的内存。

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图15:由于性能测试方面存在的差异,我们采用了对数刻度以方便显示。R&S RTO和R&S RTE在正常模式下具有明显更高的更新速率(高达100万个波形/秒),是业内最快的。此外,两者还具有硬件加速的FFT。这种性能优势有助于更快速地获得测量结果。

例如,在采样率为10 Gsample/s的情况下,一毫秒捕获的数据需要使10 Msample的内存。10毫秒捕获的数据需要使100 Msample的内存。

波形更新速率用于描述示波器处理存储器、在显示屏上显示结果并开始捕获新数据的速度。例如,R&S RTO和R&S RTE数字示波器的更新速率高达10万个波形/秒。快速的更新速率则意味着可以更快地完成Vpp和FFT等测量。许多示波器的最大更新速率在每秒数十次或数百次采集的范围内。这意味着,这种示波器要准确获得最坏情况下的容差测试所需的时间比更新速率高的示波器要高出几个数量级。更新速率高的示波器可以使用户更快速地完成精确测量。

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图16:R&S RTO和R&S RTE具有比业内其他示波器都快的更新速率,从而可更加快速地获得电源轨的特性。

结论

本文介绍了使用示波器精确测量电源完整性的五个技巧:

❙   选择噪声水平低的示波器对于精确测量电源完整性至关重要

❙   衰减比为 1:1 、内置偏置、高带宽、高直流阻抗、带 R&S®ProbeMeter 电压表的探头与示波器结合使用可提升测量性能

❙   了解并正确设置多个示波器属性(如垂直刻度和带宽限制滤波器)可提高测量结果的精确性

❙   添加频域视图可使用户快速隔离耦合信号

❙   快速更新速率可以让用户更快速地测试电源轨

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