直流電源真有效值(RMS)測量

直流電源的紋波和噪聲是評估電源質(zhì)量的重要參數(shù)，它們反映了電源輸出的不穩(wěn)定性和干擾情況。大的紋波或噪聲可能會導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定、傳感器誤差增加、模擬信號失真等問題。因此，在設(shè)計(jì)和選擇電源時(shí)，正確測量和評估紋波和噪聲水平是非常重要的。

本文將介紹如何測試直流電源的紋波和噪聲，并提供相應(yīng)的測量方法和技巧。直流電源輸出的交流雜散成分被稱為紋波和噪聲，或稱作周期和隨機(jī)偏差(PARD )，是描述電源質(zhì)量的參數(shù)，測量值為真有效值(RMS)或峰峰值(Vpp)，通常是在 20Hz ~20MHz帶寬范圍內(nèi)指定，它們反映了電源輸出中的不穩(wěn)定性和干擾情況。然而，它們的具體定義和特點(diǎn)略有差異。

電源紋波(Power Ripple)

電源紋波是指電源輸出中存在的周期性變化或波動(dòng)。通常以交流信號的形式存在于直流電源輸出中。電源紋波可以由電源設(shè)計(jì)、電源濾波器等因素引起，也可能受到負(fù)載變化或其他外部干擾的影響。電源紋波的頻率通常與電源輸入頻率相關(guān)，如交流電源的紋波頻率為50Hz或60Hz。

電源噪聲(Power Noise)

電源噪聲是指電源輸出中存在的非周期性的隨機(jī)干擾見圖1。這些干擾信號可以來自電源本身的內(nèi)部電子元件或外部環(huán)境的干擾。電源噪聲通常是寬帶的，并且在頻譜上分布廣泛。

電源紋波與噪聲的大小常用峰峰值(Vpp)或真有效值(RMS)進(jìn)行衡量，單位為伏特(V)，電源紋波與噪聲值是峰峰值還是有效值非常重要。峰峰值提供有關(guān)高幅度、短持續(xù)時(shí)間尖峰的信息，而有效值則有利于確定預(yù)期的信噪比。

電源紋波和電源噪聲都對電路性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。大的紋波或噪聲可能會導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定、傳感器誤差增加、模擬信號失真等問題。因此，在設(shè)計(jì)和選擇電源時(shí)，需要根據(jù)應(yīng)用要求考慮電源紋波和噪聲水平，并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣斫档推溆绊?，所以如何正確測量電源的紋波和噪聲變的至關(guān)重要。

對于直流電源，在測試紋波與噪聲時(shí)，所使用的電子負(fù)載應(yīng)工作于 CR 模式。負(fù)載的紋波與噪聲指標(biāo)要低于被測電源。這在測量電源的紋波與噪聲時(shí)尤為重要，因?yàn)榫€性電源通常有優(yōu)良的紋波噪聲指標(biāo)，例如羅德與施瓦茨公司的HMP系列電源其電壓紋波與噪聲可達(dá)1.5mV(RMS)以下。同時(shí)應(yīng)使用可調(diào)交流源向被測電源施加輸入。在規(guī)定電源最低和最高交流輸入，以及規(guī)定的最低和最高源頻率處進(jìn)行紋波與噪聲測量。

HMP4000系列電源(HMP4040)峰峰值(Vpp )測量

測試設(shè)備：交流電源、電子負(fù)載、數(shù)字示波器、隔直電容

在進(jìn)行紋波與噪聲測量時(shí)，正確連接儀器和被測電源十分重要。由于紋波與噪聲包括低電平的寬帶信號，主測試裝置應(yīng)注意地環(huán)路、正確的屏蔽和阻抗匹配?？捎脭?shù)字示波器作峰峰值測量。由于需要測量高頻噪聲尖峰，因此為進(jìn)行正確采樣，示波器的采樣率至少要比最高紋波與噪聲頻率高5倍。為消除電纜振鈴和駐波，典型配置中包括在兩端以50Ω端接的同軸電纜，要把電容器與信號路徑串聯(lián)，以阻塞直流電流。

同時(shí)，基于電網(wǎng)220V的AC輸入的電源紋波包含了開關(guān)頻率和工頻成分，工頻成份是整流之后的100Hz信號，要捕獲兩個(gè)完整100Hz周期需要20ms，所以，建議時(shí)基設(shè)置為2ms/div以上，由存儲深度=采樣率×采樣時(shí)間可知，提高示波器的存儲深度可以間接提高示波器的采樣率：當(dāng)要測量較長時(shí)間的波形時(shí)，由于存儲深度是固定的，所以只能降低采樣率來達(dá)到，但這樣勢必造成波形質(zhì)量的下降;如果增大存儲深度，則可以以更高的采樣率來測量，以獲取不失真的波形，所以存儲深度與采樣率在測試電源的紋波與噪聲中對測試結(jié)果的準(zhǔn)確性很重要，通過使用羅德與施瓦茨的MXO44系列示波器800M存儲深度與5Gsample/s的采樣率以及最高18位的ADC架構(gòu)，可以更完整的捕獲電源紋波與噪聲的波形。

真有效值(RMS)測量

測試設(shè)備：交流電源、電子負(fù)載、數(shù)字示波器、高頻毫伏表、隔直電容真有效值測量需要用到高頻毫伏表，與峰峰值次測量相同這兩種測量都應(yīng)防止出現(xiàn)地環(huán)路。由于大多數(shù)示波器和高頻毫伏表都使用以地為參照的輸入，測試電源以地為參照的輸出，此時(shí)很可能產(chǎn)生地環(huán)路見圖5。在這種情況下，為避免地環(huán)路問題，可以使用具有浮地(差分)輸入的儀器。

真有效值(RMS)測試連接框圖

在進(jìn)行第一組紋波與噪聲測量時(shí)，交流源的電壓和頻率應(yīng)設(shè)置于規(guī)定的最小值，被測電源在最小，然后為最大額定負(fù)載值。第二組紋波與噪聲測量時(shí)，交流源應(yīng)設(shè)置于規(guī)定的最大幅度和頻率，被測電源在最小，然后為最大負(fù)載值。為測試多路輸出電源，在進(jìn)行各路輸出的紋波與噪聲測量時(shí)，所有其它輸出應(yīng)先設(shè)置在最小負(fù)載，然后至最大負(fù)載。

測試注意事項(xiàng)：

1、盡量使用高垂直分辨率示波器(建議8bit以上);

2、示波器采樣率指標(biāo)至少為紋波與噪聲頻率的5倍;

3、選擇存儲深度長的示波器，以保證波形不失真;

4、盡量使用示波器最小量程以降低示波器本底噪聲;

5、根據(jù)需要使用帶寬限制功能。