Измерване на шума на захранването с осцилоскоп

рубрикатор

Нашите новини

Абонирайте се за новини

Казенбахер Петер

Съвременните полупроводникови устройства се характеризират с висока скорост на превключване, по-стръмни ръбове, голям брой активни изходи и малък размах на сигнала.

Увеличаването на скоростта на превключване, стръмността на фронтовете и увеличаването на броя на активните изводи на пакета води до увеличаване на индуцирания шум при превключване в захранващите устройства. В същото време се увеличава чувствителността на веригите към шума на захранването, тъй като намаляването на амплитудата на сигнала води до стесняване на границите на допустимите стойности на шума.

В идеалния случай захранването не трябва да шуми, така че защо шуми? Простият шум на Гаус, неизбежно генериран от топлинни процеси, не е доминиращ в този случай. Основният източник на шум в повечето цифрови схеми са процесите на превключване.

Импулсните захранвания генерират собствен шум - обикновено при честоти, кратни на работната честота на преобразувателя. Освен това в момента на превключване на логически схеми и генератори на импулси възникват преходни токове, които допълнително натоварват захранването. Въпреки че такова превключване може да се случи в произволни моменти, те по някакъв начин са свързани със скоростта на системния часовник. Следователно те трябва да се считат не толкова за „шум“, колкото за „сигнали“, насложени върху постоянното напрежение на източника на захранване (фиг. 1). Този подход за разглеждане на шума значително опростява неговия анализ.

Проблеми с измерването

Широколентовият характер на шума от захранването принуждава изследователите да използват осцилоскопи, за да го измерват. Осцилоскопите даватуникална възможност да погледнете природата на шума. Но, за съжаление, широколентовите цифрови осцилоскопи в реално време и осцилоскопните сонди имат собствен шум, който трябва да се вземе предвид. Ако измереното ниво на шума на захранването е от същия порядък като собствения шум на осцилоскопа и сондата, става много трудно да се измери точно шумът.

Друг проблем е динамичният обхват. Сигналът на захранването е свързан с постоянно напрежение. Малко AC шумово напрежение, насложено върху това DC напрежение, обикновено е само много малка част от него. За много осцилоскопи и сонди това постоянно отместване може да бъде проблематично, особено при измерване с висока чувствителност (за оптимално показване на шума с минимален шум на осцилоскопа).

Методи за измерване и най-добри практики

Има много методи за подобряване на производителността на измерванията на шума на захранването.

Оценяване на шумовия принос на осцилоскопа и сондата

Очевидно, за да се постигне максимална точност на измерване, осцилоскопът и сондата трябва да имат достатъчно ниско ниво на собствен шум.

Природата на собствения шум на осцилоскопа е илюстрирана от блоковата диаграма на фиг. 2. Има два основни източника на шум в системата сонда-осцилоскоп. От една страна, се въвежда известен шум от входния усилвател и буферните вериги на осцилоскопа, а от друга страна, усилвателят на сондата има шум. Всички осцилоскопи използват атенюатор за настройка на вертикалния пик на сигнала. Поради този атенюатор шумът на осцилоскопа се увеличава. Следователно, ако атенюаторът е настроен на стойност, различна от 1:1 (съответстваща на максималната чувствителност на осцилоскопа), показаният шум, отнасящ се до входния конекторосцилоскопът ще се издигне. Например, нека вземем осцилоскоп със собствена чувствителност без атенюатор от 5 mV / div. Да приемем, че при тази чувствителност той има ниво на собствен шум от 500 μV (rms).

За да се намали чувствителността до 50 mV/div, последователно с входа на осцилоскопа е включен атенюатор 10:1. В този случай стойността на показания шум, нормализиран към входа на атенюатора, ще бъде равна на 5 mV rms (500 µV x 10). Следователно, за да избегнете нежелано "усилване" на собствения шум на осцилоскопа, трябва да използвате диапазона с най-висока чувствителност. Шумът, генериран от сондата, влиза в системата преди входния атенюатор на осцилоскопа, така че неговият принос не зависи от коефициента на затихване.

Винаги използвайте диференциална сонда

В повечето случаи шумът от сондата значително надвишава шума на осцилоскопа при максимална чувствителност. Повечето захранващи устройства могат да се справят с 50 ома осцилоскопен вход без проблем, така че защо да добавяте шум от сондата? Отговорът се крие в динамичния диапазон.

За да може сигналът да бъде центриран върху екрана и в средата на производителността на ADC на осцилоскопа при измерване на шума от захранването от 1,5 V, осцилоскопът трябва да може да работи при отместване от 1,5 V. Най-чувствителният диапазон, в който осцилоскопът ще позволи отместване от 1,5 V да бъде приложено към входа, е 100 mV/div. В диапазона 100 mV/div. осцилоскоп шум е

3 mV (RMS). В допълнение, в диапазона от 100 mV / div. измереният шум ще използва само малка част от производителността на ADC, което ще доведе до загуба на разделителна способност.

Ако самият осцилоскоп може да работи с необходимото отместване само при минимална чувствителност,ситуацията може да бъде коригирана от възможностите на сондата. Чрез използване на активни сонди, работещи на високо ниво на отместване, можете да постигнете по-голяма точност на измерване и да намалите ефекта от присъщия шум на осцилоскопа. Активната диференциална сонда осигурява 1,5 V отместване, което позволява по-чувствителният диапазон от 10 mV/div да се използва за измервания. и да получите по-точни резултати.

AC-свързан вход може също да се използва за решаване на проблема с динамичния обхват (ако осцилоскопът го позволява). Ако осцилоскопът има входен импеданс от 50 ома и инженерът иска да използва коаксиален кабел от 50 ома и сонда за усилване 1:1, може да се използва свързващ кондензатор последователно с входа за свързване на променливотоковия сигнал. Разделителният кондензатор трябва да може да измерва минималната честота на спектъра на шума. Недостатъкът на променливотоковото свързване е, че не ви позволява да наблюдавате бавния дрейф на захранващото напрежение.

Анализ с бърза трансформация на Фурие

Повечето цифрови осцилоскопи в реално време имат функция за бързо преобразуване на Фурие (FFT). След всяко задействане осцилоскопът може да обработи последна част от сигнала, чиято продължителност се определя от обема на паметта и честотата на дискретизация на осцилоскопа. Разделителната способност на сигнала в честотната област, която се получава чрез FFT, се дава от уравнението:

За да видите предполагаемия източник на шум в FFT, обемът на паметта трябва да е достатъчно голям, за да улови достатъчен брой проби. Например, ако импулсното захранване работи на 33 kHz, трябва да уловите сигнал с продължителност 1/(33 kHz), тоест 30 µs. На честотавземане на проби 20 × 10 9 проби/s, това е еквивалентно на 600 000 клетки с памет.

При DSO от серия 8000 и DSO от серия 80000 на Agilent, функцията FFT работи само с данни, които се виждат на екрана. За да видите минималните честоти за избраното количество памет и честота на дискретизация, скоростта на сканиране трябва да бъде зададена така, че цялата памет да е на екрана. Това се определя много лесно от индикатора за памет, разположен над скалата.

FFT анализът позволява по-задълбочено изследване на свойствата на сигнала. Предоставя бърз анализ на източниците на шум. Например, ако устройството съдържа захранване с честота на преобразуване от 33 kHz и тактов генератор от 500 MHz, пикове се наблюдават при честота от 33 kHz и при честоти, които са кратни на 500 MHz. Относителната амплитуда на тези пикове дава възможност, като първо приближение, да се оцени нивото на шума, въведено от тях.

На фиг. 3 показва резултатите от FFT анализа, където освен белия шум се виждат още два компонента. Единият от тях е на честота 49,5 MHz, а другият на честота 500 MHz.

Друг начин за увеличаване на видимостта на пиковете е да се осредни FFT. Истинският случаен шум е значително потиснат чрез усредняване на FFT, което позволява много слабите сигнали да бъдат отделени от шума.

Време с подозрителни източници и прилагане на усредняване за потискане на некорелиран шум

В някои случаи е възможно да се заключи сигнал, който е във фаза с източник на неслучаен шум и след това да се използва осредняване. Осредняването ви позволява да намалите или потиснете всички компоненти, които не корелират с часовниковия сигнал. По този начин можете да подчертаете компонентите на сигнала, които иначе биха били маскирани от произволен шум от самото захранване или от осцилоскопа и сондата.

Наориз. 4 показва пример за синхронизация от правоъгълен сигнал. Сигналът с правоъгълна вълна може да представлява, например, шум при превключване, който се появява на изходите на силовите стъпала или в резултат на други преходни процеси във веригата на натоварване. Компонентите на шума, свързани със сигнала за синхронизация, са ясно видими на фона на друг шум.

Заключение

Измерването на шума от захранването представлява някои предизвикателства. Поради присъщата си широка честотна лента, осцилоскопът е оптималният инструмент за такива измервания. Тази статия изброява някои методи, които могат да се използват за такива измервания. С правилния избор на осцилоскоп и сонда, тези методи могат ефективно да измерват шума на захранващите устройства.

Литература

Същността и приложението на отклонението в активните сонди InfiniiMax. Бележка за приложението 5988-9264EN.
Сравнение на параметрите на диференциални и несиметрични сензори за активно напрежение. Бележка за приложението 5988-8006EN.
www.agilent.com/find/scopes

Други свързани статии:

Ако забележите неточности в статията (липсващи цифри, таблици, невярна информация и др.), моля, уведомете ни. Моля, дайте връзка към страницата и описание на проблема.