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【Loto實踐干貨】虛擬示波器在工程師手中的生存方式

【Loto實踐干貨】虛擬示波器在工程師手中的生存方式

Loto實踐干貨(1)正確而又優雅地測試電源紋波我發現測量電源紋波的需求越來越普遍,不僅僅是針對電源工程師而言。紋波是電源的核心指標,電源工程師自然需要時刻關注紋波。其他領域的硬件工程師也會越來越多的要和電源紋波打交道。因為隨著我們經驗的累積,制作和接觸的電路越來越復雜,我們越來越認識到一個干凈的電源系統對電路的穩定工作室多么重要。我自己就會多次遇到莫名其妙不合邏輯的硬件問題最終發現是電源系統不干凈造成的。所以我們調試復雜一些的電路,尤其是數字和模擬混合的電路時,需要對電源紋波保持高度警惕。
電源紋波是電源性能的最直觀的表現,是電源輸出電壓的波動。如果是開關電源,輸出紋波是有規律的擺動,擺動的頻率等于開關頻率。紋波的形成是因為電流流過輸出電容在電容的ESR上所引起的壓降,開關電源中不斷地有脈動的電流流經電容,所以它的紋波的頻率等于開關頻率。電源系統的紋波疊加噪聲會傳遞到芯片的電源引腳,影響芯片的性能。
拿我剛做的一塊運動控制板的電源系統測試,直觀的給大家展示電源紋波的測試過程和方法,同時自己也做個筆記。如下圖所示,M是我的運動控制板,P是給M供電的開關電源,S是loto的USB示波器OSC802。 圖片1.jpg
                              
運動控制板M的電源部分原理圖和PCB layout如下圖所示: 圖片2.jpg

我們需要測試V和G兩端的電源的紋波,以便檢驗該電源系統是否達到了設計的要求。
當然,首先我們知道要使用示波器的AC耦合檔位來測試紋波大小,去掉我們不關心的直流分量。第一次我為了方便使用了較長的示波器探頭的接地線,如下圖所示: 圖片3.jpg

電源的紋波本身可能不大,由于地線較長,圖中所示的黃色線條所示的環流路徑會將這個區域內的輻射干擾吸收進來,疊加在真實的紋波的基礎上。在這種情況下,我的測試結果如下圖: 圖片4.jpg

大概測到了80mv左右的紋波,甚至疊加了100多mv的噪聲(使用的是OSC802的50mv/div檔位)。由于擔心這個環流路徑接收噪聲干擾影響,我改進了測試方法,盡量減小這個環路面積,將外界干擾減小到最低限度。查詢得知,使用接地彈簧測量環路面積非常小。但是手頭沒有接地彈簧,臨時用了一根曲別針掰直,繞制了一個簡易的接地彈簧。 圖片5.jpg

這樣一來,可以使用很小的環路面積來測量V和G之間的紋波。 圖片6.jpg

測量結果果然改進很多,紋波變得很干凈整齊,大概測到了20mv左右的紋波,(使用的是OSC802的20mv/div檔位)如下圖所示: 圖片7.jpg

看來電源系統的紋波還是比較干凈的,而且穩定在20mv左右,基本滿足了我們當初的設計要求。同時也看到,僅僅是改變了測試的地線長短(其實改變了環路面積)測試的結果差異如此之大。為了謹慎起見,我又借來了一臺臺式的示波器,把兩種操作又重復了一遍,虛擬示波器和臺式數字示波器得到了相同的結論,分別也是80mv和20mv的紋波: 圖片8.jpg 圖片9.jpg


所以可以肯定的是,測量電源紋波,確實是需要使用AC耦合,然后用接地彈簧來連接地盡量減少環路面積才可以,如果沒有接地彈簧完全可以順手自制一個。另外,USB示波器OSC802測量電源紋波毫不遜色,20mv的紋波可以輕松測出來和清晰展現。
我把整個過程重現了一遍錄制成視頻了放在優酷上了,方便大家互相交流:
https://v.youku.com/v_show/id_XNDA0NDcxMTAxNg==.html?spm=a2h0j.11185381.listitem_page1.5~A 圖片10.jpg

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