示波器FFT功能之电源噪声分析

示波器基础系列之五——电源噪声测试
当今的电子产品，信号速度越来越快，集成电路芯片的供电电压也越来越小，90 年代芯片的供电通常是5V 和3.3V，而现在，高速IC 的供电通常为
2.5V, 1.8V 或1.5V 等等。

对于这类电压较低直流电源的电压测试（简称电源噪声测试），本文将简要讨论和分析。

在电源噪声测试中，通常有三个问题导致测量不准确
l 示波器的量化误差
l 使用衰减因子大的探头测量小电压
l 探头的GND 和信号两个探测点的距离过大
示波器存在量化误差，实时示波器的ADC 为8 位，把模拟信号转化为2 的
8 次方（即256 个）量化的级别，当显示的波形只占屏幕很小一部分时，则增大了量化的间隔，减小了精度，准确的测量需要调节示波器的垂直刻度（必要时使用可变增益），尽量让波形占满屏幕，充分利用ADC 的垂直动态范围。

在图一中蓝色波形信号（C3）的垂直刻度是红色波形（C2）四分之一，对两个波形的上升沿进行放大（F1=ZOOM(C2), F2=ZOOM(C3)），然后对放大的波形作长余辉显示，可以看到，右上部分的波形F1 有较多的阶梯（即量化级别），而右下部分波形F2 的阶梯较少（即量化级别更少）。

如果对C2 和C3 两个波形测量一些垂直或水平参数，可以发现占满屏幕的信号C2 的测量参数统计值的标
准偏差小于后者的。

说明了前者测量结果的一致性和准确性。

图一示波器ADC 的量化误差
通常测量电源噪声，使用有源或者无源探头，探测某芯片的电源引脚和地引脚，然后示波器设置为长余辉模式，最后用两个水平游标来测量电源噪声的峰峰值。

这种方法有一个问题是，常规的无源探头或有源探头，其衰减因子为。

为什么不同示波器的纹波噪声测量结果总是不同对于同一个电源，使用不同的示波器测量纹波和噪声值总是有些差异。

甚至使用不同的探头也会影响测量结果。

是什么原因呢？一、纹波和噪声的区别纹波由于开关电源的开关管工作在高频的开关状态，每一个开关过程，电能从输入端被“泵到”输出端，在输出电容上形成一个充电和放电的过程，从而造成输出电压的波动，而且此波动的频率与开关管的开关频率相同，这个波动就是输出纹波，是叠加在输出直流上的交流成分，纹波的幅值是该交流成分的波峰与波谷之间的峰峰值。

噪声噪声是开关电源自身产生一种高频脉冲串，由发生在开关导通与截止瞬间产生的尖脉冲所造成，噪声的频率比开关频率高的多，噪声电压的大小很大程度上与开关电源的拓扑、变压器的绕制、电路中的寄生参数、测试时外部的电磁环境以及PCB的布线设计有关。

基于此，纹波和噪声的区分就很好理解了。

下面开始讨论测量。

二、不同示波器测试结果相差的原因如果不同示波器之间的差别很大，一般是如下几个原因：1、未使用20M带宽限制不同的带宽引入的噪声值不同，噪声值会直接影响Pk-Pk值测量。

2、未使用接地弹簧探头的长地线与探针在电路板接触处所形成的环太大，很容易将空间中的大量电磁干扰引入测量电路。

3、探头频率补偿未校正探头本身在为补偿良好状态，幅值测量本身不准。

需要注意的是：一定不能单纯以哪个品牌或者型号的测量结果作为标榜去标定，认为一定是某品牌是对的、某型号是对的、某示波器很贵所以是对的，这些测量心态都是不可取的。

测试结果在一定范围内出入是十分正常的，毕竟示波器只有8位的ADC，垂直分辨率较差，另外不同示波器的幅频响应曲线也略有不同。

三、测量过程中的一点反思这个时候让人不禁发问：为什么非要20M带宽限制呢？有什么科学根据么？这个20M是早期示波器为了避免电源输出受高频干扰过大，来设计的简易硬件滤波电路。

如果要深究，个人认为20M只能是一个经验值，而并非理论值了。

四、用更准确的方式测量纹波噪声目前新型的数字示波器功能越来越强，我们不必要一定把自己的思路限制在20M的框架限制里，可以直接通过数字滤波的方式，来得到更准确的信号。

如何使用示波器测量电源纹波噪声及注意事项
 在大学时代里，很多电子发烧友都喜欢做一些小的电子制作，至于电路板上的供电方法，7805、7812是当之无愧的性价比之王，多快好省！而当我们做的小制作出现故障时候，几乎没有人会把电源带来的影响列入考虑范围，因为大学时候制作的东西，大多数电路拓扑结构简单，信号频率也不高，所以即使电源端有波动，对后面的电路影响也不大。

 今天的电子电路（比如电子测量仪器、多媒体产品）的电平切换速度、信号复杂度比以前更高，同时芯片的封装和信号幅值却越来越小，对电源波动更加敏感。

因此，电路设计者们比以前会更关心电源端带来的影响。

 以我们ZDS2024示波器本身为例，内部的主电源为一个开关电源，主板上的电源分配网络要把这个直流电源变成各种电压的直流电源（如：+-5V，+3.3V，+12V等等），给CPU以及各个芯片供电，同时我们的风扇也是随时温度动态的在变化。

CPU、IC和风扇用电量很大，而且是动态耗电的，瞬时电流可能很大，也可能很小，但是电压必须平稳（即纹波和噪声必须较小），以保持CPU和IC的正常工作。

这都对电源的平稳性提出了很高的要求。

 所有的数字示波器都使用衰减器和放大器来调整垂直量程。

设置衰减以后。

示波器FFT功能之电源噪声分析。

但是随着数字器件的电压逐步降低、电流逐步升高，电源设计难度增大，在观察时域波形无法定位故障时，可以通过FFT（快速傅立叶变换）方法进行时频转换，将时域电源噪声波形转换到频域进行分析。

电路调试时，从时域和频域两个角度分别来查看信号特征，可以有效地加速调试进程。

示波器的频域分析功能是通过傅立叶变换实现的，傅立叶变换的实质是任何时域的序列都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。

我们分析这些正弦波的频率、幅值和相位信息，就是将时域信号切换到频域的分析方法。

数字示波器采样到的序列是离散序列，所以我们在分析中最常用的是快速傅立叶变换（FFT）。

FFT 算法是对离散傅立叶变换（DFT）算法优化而来，运算量减少了几个数量级，并且需要运算的点数越多，运算量节约越大。

示波器捕获的噪声波形进行FFT 变换，有几个关键点需要注意：1、根据耐奎斯特抽样定律，变换之后的频谱展宽（Span）对应与原始信号的采样率的1/2，如果原始信号的采样率为1GS/s，则FFT 之后的频谱展宽最多是500MHz；2、变换之后的频率分辨率（RBW Resolution Bandwidth）对应于采样时间的倒数，如果采样时间为10mS，则对应的频率分辨率为100Hz；3、频谱泄漏，即信号频谱中各谱线之间相互干扰，能量较低的谱线容易被临近的高能量谱线的泄漏所淹没。

避免频谱泄漏可以尽量采集速率与信号频率同步，延长采集信号时间及使用适当的窗函数。

电源噪声测量时要求采集的信号时间可以足够长，可以认为覆盖到了整个有效信号的时间跨度。

ZDS2000 系列示波器最高标配250Mpts 存储深度，在捕获长时间的波形同时能够保持高采样率，同时，市面上多数2000 系列示波器最大只支持8K 样本点的FFT 分析，在1G 采样率的情况下，频率分辨率仅有125KHz，多数情况都无法准确判断信号频谱分布。

ZDS2000 系列示波器。

用示波器测量电源噪声的3种方法
 方法1:使用频域分析
 FFT分析能更深入的分析信号，如图5和6所示。

在广阔的“白”噪声的基础上明显多了2个峰值，49.5MHz和500MHz。

 FFT能快速深入的分析噪声的来源。

例如，系统中有33KHz的开关电源和500MHz的时钟，你可以在33KHz和500MHz的地方看到毛刺。

毛刺的幅度能让你粗略的了解一下各个噪声源的贡献有多大。

 另外可以通过对FFT取平均提高毛刺的能见度。

平均的方法会很大程度的消除真随机噪声，能在噪声中甄别出微小的信号。

 方法2:使用触发来观察和测量信号。

测试电源噪声的方法我折腾了好久测试电源噪声的方法，总算找到点门道。

我一开始也是瞎摸索，就知道电源噪声这个东西肯定影响设备的性能，但就是不知道咋去测。

我最开始的想法特别简单，就拿个普通的万用表上去测。

我寻思着，这万用表不是能测电压啥的嘛，那电源噪声那不也是种电压的波动吗。

结果啊，根本不行，测出来的数据乱七八糟的，完全没个准头。

后来我才知道，万用表只能测一个平均的电压值，根本反应不出那快速变化的噪声电压。

然后我就找书啊，上网查啊。

看到一种示波器测电源噪声的方法。

我想着，示波器能看到电压随时间的变化，那肯定能测。

我就找了个示波器来试。

但是这也没那么顺利。

我连接电源和示波器的时候就犯难了。

不知道怎么接才能准确的测出来。

我一开始就是直接把测试探头怼上去，得到的数据看着就不太对。

后来仔细研究了才知道，电源和示波器之间还得加一些隔离和衰减的设备，就好比你想把一个热的东西给一个怕冷的人看，中间需要降温的东西一样。

比如说要加一个隔直电容，防止直流成分影响测量。

还有要注意探头的接地，如果接地不好，测出来的数据会有很大的误差。

我就因为这个接地的问题，折腾了好久，有时候测出来的噪声奇大无比，后来才发现是接地的环路太大了，最后把接地搞得妥妥当当才行。

还有一个关键的就是带宽的设置。

我一开始没太在意这个。

就用示波器默认的带宽，结果测出来噪声特别小，我当时还挺高兴，以为电源噪声就是这么小呢。

后来又看资料发现，带宽没设对。

这就好比你在一个戴着眼罩的情况下看东西，只能看到一部分景象。

要设置合适的带宽，才能把电源噪声准确的测出来。

电源噪声可能分布在不同的频率范围内，你要是带宽设置小了，高频的噪声就看不到，要是设置太大，又可能会引入外部的干扰。

我到现在对这个带宽的准确设置还有点没底，还在不断的尝试和摸索和看一些新的资料。

不过要是你也要测电源噪声的话，示波器这个方法确实可行，就是得不断注意这些小细节。

芯片制造中的电源噪声分析与抑制芯片制造是当今科技领域的重要组成部分，而其中电源噪声的分析与抑制更是至关重要。

本文将探讨电源噪声对芯片制造的影响，并提供一些有效的方法来分析和抑制电源噪声。

一、电源噪声对芯片制造的影响电源噪声是指电源在供电过程中引入的一种电压或电流的异常波动。

这种波动会对芯片的正常运行产生严重的干扰，如信号失真、时钟抖动和系统误差等。

因此，电源噪声的分析与抑制对于确保芯片制造的质量和稳定性至关重要。

首先，电源噪声会导致芯片的工作电压不稳定，从而影响芯片正常工作的可靠性。

特别是对于高性能芯片而言，电压波动可能造成芯片在高频信号处理过程中产生失真，进而威胁到芯片的整体性能和功能。

其次，电源噪声还会对芯片的时钟信号产生干扰。

时钟信号的精准和稳定对于芯片的正常工作至关重要。

由于供电过程中的电源噪声，时钟信号会受到抖动，从而导致芯片内部的各个模块同步出现问题，进而影响芯片的整体性能。

最后，电源噪声还会对芯片的模拟信号和数字信号产生影响。

模拟信号的精确度和稳定性是芯片正常运行中最为关键的因素之一，而电源噪声会导致模拟信号的失真和误差增大。

此外，电源噪声也可能通过耦合作用进入芯片的数字信号线路，从而引起数字信号的抖动和误码率的增加。

二、电源噪声的分析方法针对电源噪声的分析需要采用一些专业的工具和方法。

下面介绍几种常用的电源噪声分析方法。

1. 电源噪声频谱分析法：通过使用频谱仪等仪器，对电源噪声的频谱进行测量和分析。

通过观察频谱图，可以确定哪些频率范围的电源噪声较大，从而有针对性地进行抑制。

2. 时域分析法：通过使用示波器等仪器，对电源波形进行观测和分析。

时域分析能够展示电源噪声的快速变化和瞬态特性，有助于找出电源噪声的源头和传播路径。

3. 差分和共模噪声分析法：通过测量输入和输出信号之间的差分和共模噪声，可以分析芯片中电源噪声的耦合和传播情况，进而采取有针对性的抑制手段。

三、电源噪声的抑制方法为了降低电源噪声对芯片制造的影响，可以采取一些有效的抑制方法。

直流稳压电源实验中的电源纹波噪声与滤波技术优化直流稳压电源在电子系统中起到了至关重要的作用。

然而，电源纹波噪声是一个无法避免的问题，它会对电路的性能产生负面影响。

为了提高电源的质量，我们需要采取适当的滤波技术来降低纹波噪声。

本文将介绍直流稳压电源实验中的电源纹波噪声问题，并探讨滤波技术的优化方法。

一、电源纹波噪声的定义与评估电源纹波噪声是指直流电源输出端波形的变化或噪声。

它通常由电源电压中存在的交流成分引起。

电源纹波噪声的大小可以通过纹波电压幅度来衡量。

在直流稳压电源实验中，我们常常使用示波器来观测电源输出端的波形。

通过示波器的测量结果，我们可以获得电源的纹波噪声数据。

通常情况下，电源纹波噪声的要求是越低越好，一般要求在几毫伏以下。

二、电源纹波噪声的影响电源纹波噪声会对电子系统的性能产生负面影响。

首先，它可能导致信号干扰，使得系统的信号质量下降。

其次，纹波噪声还可能影响系统的稳定性，并可能引起系统的震荡。

此外，纹波噪声还可能对系统的灵敏度产生不利影响。

三、滤波技术的优化为了降低电源纹波噪声，我们需要采取适当的滤波技术。

以下是几种常见的优化方法：1.电容滤波电容滤波是一种常见且简单的滤波技术。

它利用电容器的充电和放电特性来降低纹波噪声。

通过将电容器连接到电源输出端，可以减少电源纹波噪声的幅度。

2.电感滤波电感滤波是通过电感器来滤除电源纹波噪声的一种方法。

电感器具有对高频信号的阻抗特性，可以将高频噪声滤除。

通过将电感器连接到电源输出端，并与电容器结合使用，可以有效地降低纹波噪声。

3.多级滤波多级滤波是一种综合利用多种滤波技术来降低纹波噪声的方法。

通过串联连接多个不同的滤波器，可以进一步提高滤波效果。

4.稳压电路设计优化除了传统的滤波技术外，优化稳压电路的设计也可以降低电源纹波噪声。

例如，在电源输出端添加电阻来降低纹波噪声，或者更换更稳定的电源元件。

四、总结直流稳压电源实验中的电源纹波噪声是一个需要关注的问题。

力科示波器基础应用系列之十--- 电源噪声探测在板级的电源噪声测试时，选择准确的探测方案是非常关键的，在笔者的《电源噪声测量的挑战及解决之道》中，详细的介绍了电源纹波、电源噪声、电源配送网络（Power Distribution Network，简称PDN）的相关概念以及推荐的电源噪声测试方案，读者也可参考PI 牛人Istvan Novak 的这篇文章（见参考文献一），他推荐在板级测量PDN 噪声的最佳方案也是用1:1 的无源50 欧传输线探头，在文中，使用了三种方案测量主板上CPU 的电源噪声，最佳的方案还是1 倍衰减的无源50 欧传输线探头，如图1 所示。

使用无源的50 欧传输线探头时，示波器的通道设为DC50 欧；由于是在板级测量电源噪声，使用带宽500MHz 以上的示波器即可；采样率为2.5GSa/s，可以实现1.25G 的奈奎斯特带宽；示波器时基设为1ms/div，可以一次捕获10ms 时长的信号，完整的测量1 个工频周期内的噪声（交流电50Hz 通过AC-DC- DC 转换后，整流与稳压后为100Hz，其周期为10ms），此时，示波器的存储深度为25Mpts。

无源50 欧传输线探头在电源噪声测试时，探测点通常为靠近IC 的电源和地焊盘，比如IC 附近的去耦电容的两个pin。

一种方法是直接焊接同轴电缆到POWER 和GND 的焊盘上测试电源噪声，这是一种低成本的方案，缺点是每测量一次都需要重新焊接，效率较低；另一种替代的方案是使用定制的无源传输线探头。

如图2 所示为和创定制的无源传输线探头，其探针可直接点测0603 电容的两端，测量电源噪声非常方便快捷。

该探头有直流耦合和交流耦合两种选择，如果使用的示波器必须隔直后测量电源噪声，可以使用后者。

对于低电压电源的噪声测试，以下为各种测试方案，排前面的为优选的测试。

直流稳压电源实验中的纹波与噪声分析与消除方法直流稳压电源在各种电子实验和设备中起着至关重要的作用。

在使用直流稳压电源时，我们常常会遇到纹波和噪声问题，这些问题可能会对电子元件和电路产生不利影响。

因此，对纹波和噪声进行准确的分析和消除是非常重要的。

本文将探讨直流稳压电源实验中纹波与噪声的产生原因、分析方法以及消除方法。

一、纹波与噪声的产生原因直流稳压电源实验中纹波与噪声的产生主要有以下几个方面的原因：1. 电源本身的问题：直流稳压电源可能存在电源波动或者电源的设计不合理，使得输出直流电压出现纹波。

2. 电源滤波电容：电源滤波电容的质量和容值对纹波有直接影响。

当电容的质量较差或容值较小时，就容易出现较大的纹波。

3. 复杂电路连接：在实验中，当直流稳压电源与其他电路连接时，电源输出的纹波与噪声可能通过其他电路产生耦合作用，从而出现在实验电路中。

二、纹波与噪声的分析方法在直流稳压电源实验中，我们可以采用以下几种方法进行纹波与噪声的分析：1. 示波器显示法：将直流稳压电源输出的电压信号接入示波器并设置合适的量程，观察示波器上的波形变化，从波形上可以分析纹波和噪声的幅度和频率。

2. 多用表测量法：通过将直流稳压电源输出的电压信号接入多用表，选择合适的测量范围和测量方式，测量电压的均值和波动值，从而获取纹波和噪声的相关信息。

3. 频谱分析法：通过频谱仪等设备对直流稳压电源输出的电压信号进行频谱分析，找出纹波和噪声所在的频率区域，并获取相应的幅度信息。

三、纹波与噪声的消除方法在直流稳压电源实验中，为了消除输出电压中的纹波与噪声，我们可以采用以下几种方法：1. 优化电源设计：选择质量较好的电源模块或器件，并合理设计稳压电路，使得电源本身的纹波和噪声尽量降低。

2. 选择合适的滤波元件：在直流稳压电源的输出端添加合适的滤波元件，如大容值电解电容、磁珠或者低通滤波器等，以实现对纹波和噪声的滤波处理。

3. 电源电容升级：对电源滤波电容进行升级，选择较大容值的优质电容来替换原有电容，以减小纹波和噪声的幅度。