Вимір шумів джерела живлення за допомогою осцилографа

1. Вступ
2. «Шум»
3. Проблеми, що виникають при вимірі
4. Методи і передовий досвід вимірювань
5. висновок
6. література
7. Інші статті на цю тему:

Наши партнеры ArtmMisto

2008

Сучасні напівпровідникові прилади відрізняються високою швидкістю перемикання, більшою крутизною фронтів, великим числом активних висновків і малим розмахом сигналу.

Вступ

Підвищення швидкості перемикання, крутизни фронтів і збільшення числа активних висновків корпусу призводить до збільшення наведеного комутаційного шуму в джерелах живлення. У той же час підвищується сприйнятливість схем до шумів джерела живлення, оскільки зниження амплітуди сигналу призводить до звуження кордонів допустимих значень шуму.

В результаті конструктори всіх пристроїв - від стільникових телефонів до серверів - все більше приділяють увагу шумів джерела живлення. Як правило, для вимірювання шумів джерела живлення використовуються осцилографи реального часу, що пов'язано з широкосмуговим характером цих шумів. У цій статті обговорюються шуми джерел живлення і їх вимірювання за допомогою осцилографа Agilent серії Infiniium 8000.

«Шум»

В ідеальному випадку джерело живлення шуміти не повинен, так чому ж він шумить? Простий гауссовский шум, неминуче породжується тепловими процесами, в даному випадку не є домінуючим. Головним джерелом шумів в більшості цифрових схем є процеси комутації.

Імпульсні джерела живлення породжують власні шуми - як правило, на частотах, кратних робочої частоті перетворювача. Крім того, в момент перемикання логічних схем і формувачів імпульсного сигналу виникають перехідні струми, які надають додаткове навантаження на джерело живлення. Хоча такі перемикання можуть відбуватися в випадкові моменти часу, вони так чи інакше прив'язані до тактовій частоті системи. Тому їх слід вважати не стільки «шумами», скільки «сигналами», що накладаються на постійну напругу джерела живлення (рис. 1). Такий підхід до розгляду шуму значно спрощує його аналіз.

Проблеми, що виникають при вимірі

Широкосмугова природа шумів джерела живлення змушує дослідників використовувати для його вимірювання осцилографи. Осцилографи дають унікальну можливість поглянути на природу виникнення шуму. Але, на жаль, широкосмугові цифрові осцилографи реального часу і осциллографические щупи володіють власними шумами, які слід враховувати. Якщо вимірюваний рівень шуму джерела живлення має той же порядок, що і власні шуми осцилографа і щупа, точне вимірювання шуму сильно ускладнюється.

Іншу проблему представляє динамічний діапазон. Сигнал джерела живлення прив'язаний до постійної напруги. Невелике змінну напругу шуму, накладене на це постійна напруга, становить зазвичай лише дуже малу його частину. Для багатьох осцилографів і щупів таке постійне зміщення може виявитися проблематичним, особливо при вимірюванні з великою чутливістю (для оптимального відображення шуму при мінімальному рівні шумів осцилографа).

Методи і передовий досвід вимірювань

Існує безліч методів, що дозволяють поліпшити ефективність вимірювання шумів джерела живлення.

Оцінка шумового вкладу осцилографа і щупа

Очевидно, що для досягнення максимальної точності вимірювання осцилограф і щуп повинні мати досить низьким рівнем власних шумів.

Природа власних шумів осцилографа пояснюється блок-схемою на рис. 2. У системі «щуп-осцилограф» присутній два основних джерела шуму. З одного боку, деякий шум вносять вхідний підсилювач і буферні схеми осцилографа, а з іншого - має шумами підсилювач щупа. Все осцилографи використовують атенюатор для установки вертикального розмаху сигналу. Через це атенюатора шум осцилографа зростає. Тому якщо аттенюатор встановлений на будь-яке значення, крім 1: 1 (що відповідає максимальній чутливості осцилографа), що відображається шум, наведений у вхідний порт осцилографа, буде рости. Наприклад, візьмемо осцилограф з власної чутливістю без атенюатора 5 мВ / справ. Припустимо, що при такій чутливості він має власний рівень шумів 500 мкв (середньоквадратичне).

Щоб знизити чутливість до 50 мВ / справ., Послідовно з входом осцилографа включається атенюатор 10: 1. При цьому значення відображуваного шуму, наведене до входу атенюатора, дорівнюватиме 5 мВ середньоквадратичного значення (500 мкв помножити на 10). Тому, щоб уникнути небажаного «посилення» власних шумів осцилографа, потрібно використовувати діапазон з найбільшою чутливістю. Шум, створюваний щупом, потрапляє в систему до вхідного атенюатора осцилографа, тому його внесок не залежить від коефіцієнта ослаблення.

Завжди використовуйте диференційний щуп

У більшості випадків шум щупа значно перевершує шум осцилографа при максимальній чутливості. Більшість джерел живлення без проблем витримують навантаження 50 Ом входу осцилографа, так навіщо ж додавати ще й шум щупа? Відповідь криється в динамічному діапазоні.

Щоб сигнал виявився в центрі екрану і в середині робочої характеристики АЦП осцилографа при вимірюванні шуму джерела живлення напругою 1,5 В, осцилограф повинен забезпечити роботу при зміщенні 1,5 В. Найбільш чутливий діапазон, в якому осцилограф дозволяє подати на вхід зміщення 1,5 В, дорівнює 100 мВ / справ. В діапазоні 100 мВ / справ. шум осцилографа становить ~ 3 мВ (середньоквадратичне). До того ж в діапазоні 100 мВ / справ. вимірюваний шум буде використовувати лише малу частину робочої характеристики АЦП, що призведе до втрати дозволу.

Якщо сам осцилограф здатний працювати з необхідним зсувом лише при мінімальній чутливості, ситуацію можуть виправити можливості щупа. Використовуючи активні щупи, що працюють з великим рівнем зсуву, можна досягти більшої точності вимірювання і знизити вплив власних шумів осцилографа. Активний диференційний щуп забезпечує зміщення сигналу на 1,5 В, дозволяючи тим самим використовувати для вимірювання більш чутливий діапазон 10 мВ / справ. і отримувати більш точні результати.

Для вирішення проблеми динамічного діапазону можна використовувати також вхід зі зв'язком по змінному струмі (якщо осцилограф це допускає). Якщо осцилограф має вхідний опір 50 Ом, і інженер хоче використовувати коаксіальний кабель з хвильовим опором 50 Ом і щуп з коефіцієнтом передачі 1: 1, то для підключення сигналу по змінному струмі можна використовувати включений послідовно з входом розділовий конденсатор. Розділовий конденсатор повинен забезпечувати вимірювання мінімальної частоти шумового спектра. Недоліком підключення по змінному струмі є те, що воно не дозволяє спостерігати повільний дрейф напруги джерела живлення.

Аналіз за допомогою швидкого перетворення Фур'є

Більшість цифрових осцилографів реального часу мають функцію швидкого перетворення Фур'є (FFT). Після кожного запуску осцилограф може обробити кінцевий фрагмент сигналу, тривалість якого визначається об'ємом пам'яті і частотою дискретизації осцилографа. Дозвіл сигналу в частотній області, яке виходить за допомогою FFT, визначається рівнянням:

Щоб побачити в FFT передбачуваний джерело шуму, обсяг пам'яті повинен бути досить великим для захоплення достатнього числа відліків. Наприклад, якщо імпульсний джерело живлення працює на частоті 33 кГц, потрібно захопити сигнал тривалістю 1 / (33 кГц), тобто 30 мкс. При частоті дискретизації 20 × 109 відліків / с це еквівалентно 600 000 осередків пам'яті.

У цифрових запам'ятовуючих осцилографах серії 8000 і осцилографах серії DSO 80 000 компанії Agilent функція FFT працює тільки з даними, видимими на екрані. Щоб побачити мінімальні частоти для обраного обсягу пам'яті і частоти дискретизації, швидкість розгортки треба встановити так, щоб вся пам'ять виявилася на екрані. Це дуже легко визначити по розташованому над шкалою індикатору пам'яті.

Аналіз FFT дозволяє глибше дослідити властивості сигналу. Він забезпечує швидкий аналіз джерел шуму. Наприклад, якщо пристрій містить блок живлення з частотою перетворення 33 кГц і тактовий генератор 500 МГц, піки спостерігаються на частоті 33 кГц і на частотах, кратних 500 МГц. Відносна амплітуда цих піків дозволяє в першому наближенні оцінити внесений ними рівень шуму.

На рис. 3 показані результати аналізу FFT, де крім білого шуму видно ще дві складові. Одна з них лежить на частоті 49,5 МГц, а інша - на частоті 500 МГц.

Інший спосіб підвищення помітності піків полягає в усередненні FFT. Істинно випадковий шум істотно пригнічується при усередненні FFT, що дозволяє виділяти з шуму дуже слабкі сигнали.

Синхронізація з передбачуваними джерелами і застосування усереднення для придушення некорреліровани шуму

У деяких випадках вдається засінхронізіроваться з сигналом, що збігається по фазі з джерелом невипадкового шуму, і потім використовувати усереднення. Усереднення дозволяє зменшити або придушити всі компоненти, які не корелюють з синхросигналом. Таким чином можна виділяти компоненти сигналу, які в іншому випадку маскувалися б випадковим шумом самого джерела живлення або осцилографа і щупа.

На рис. 4 показаний приклад синхронізації від сигналу прямокутної форми. Сигнал прямокутної форми може представляти, наприклад, шум комутації, що виникає на виходах потужних каскадів або в результаті інших перехідних процесів в ланцюзі навантаження. Шумові складові, які стосуються сигналу синхронізації, добре видно на тлі інших шумів.

висновок

Вимір шумів джерел живлення породжує певні проблеми. Завдяки притаманною йому широкій смузі, оптимальним приладом для таких вимірювань є осцилограф. У цій статті перераховані деякі методи, які можна використовувати для таких вимірювань. За умови правильного вибору осцилографа і щупа ці методи дозволяють ефективно вимірювати шум джерел живлення.

література

1. Суть і застосування зсуву в активних щупах InfiniiMax. Вказівки щодо застосування 5988-9264EN.
2. Порівняння параметрів диференціальних і несиметричних активних датчиків напруги. Вказівки щодо застосування 5988-8006EN.
3. www.agilent.com/find/scopes

Завантажити статтю в форматі PDF

Інші статті на цю тему:

повідомити про помилку