测量电源纹波的坑，你掉进去过吗？

本文是 《电源纹波测量--从入门到精通》的第二期

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在第一期的基本测量流程里，有不少操作初学者可能会比较迷惑，通常问的都是“为什么要xxx”。也有些有经验的工程师为了操作快，或者偷个懒，偶尔也会不遵守。还有些现代示波器的高级功能，能充分利用好可以事半功倍。接下来的几个小节结合一些工程测量实际，来展开描述这些要点。

视频：测量电源纹波的坑，你掉进去过吗？

1. 用好示波器的自动测量功能

示波器的时间轴和电压轴都是经过标定的，数值具有明确的物理和计量意义，因此通常需要在测试报告中记载相应的数值。具体到纹波测量，通常最关心纹波的大小，可用纹波的峰峰值，有效值等指标表示。在模拟示波器上，可以通过数格子的方法来读出数值。在早期的数字示波器上出现了光标，用于手动测量2个点之间的相对值。这些测量功能作为示波器的基本功能也保留至今。进一步地，现代示波器一般都具有强大的自动测量功能，只需要简单按键或者点击，就可以将常见数值指标显示在屏幕上，并且实时刷新。如图5所示，对于这个不规则的周期纹波信号，示波器测得峰峰值有116.7mV，有效值有26.24mV。如果需要周期、频率等指标，也可以用类似的方法快速得到。

图5：示波器自动测量功能

2．电压探头衰减的影响

前文提到，无源探头的衰减要设置为1X。原因是1X是无衰减档位，带宽较小，而且去掉了衰减器带来的噪声，会减弱额外噪声的影响。如图6所示，普通无源探头的衰减档位是通过拨动开关来选择的，测试时一定要先确认档位设置正确。图7和图8是同一个探头设置在10X和1X测量同一个信号的波形（已分别在示波器中设置了正确的衰减，屏幕显示的是真实电压值，无需换算）。可以看到图7的波形相比图8明显叠加了更多的高频噪声，信号细节不够清晰。使用示波器的自动测量功能，也会发现读数不同。

图6：示波器电压探头衰减设置开关

图7：探头衰减设为10X的波形

图8：探头衰减设为1X的波形

3．接地线的影响

前文提到，探头接地线要拔掉，使用探头的接地弹簧来就近接地。具体的操作方法如图9所示，探头上只有探针和接地弹簧2个组件，没有额外的接地延长线。探针和接地弹簧的触点之间只有数毫米的距离，可以直接接入到板子上的无源器件两端。对于纹波测量，在电源模块输出的滤波电容两端测量是一个不错的选择，如图10所示。

图9：探头的探针和接地弹簧

图10：使用接地弹簧和探针测量纹波，接地弹簧就近接地

图11是一种错误的示范。使用探头的接地夹，图方便就夹在了板子边缘的地线上，直流通路看上去没有问题。但是接地夹通常有数厘米甚至更长，板子上的走线通常也是厘米量级，测量环路就会比使用接地弹簧的方案长很多。因此会引入更多不必要的噪声，如图12所示，目测波形上就有反复出现的尖峰，显然是和真实情况相违背的。

如果仔细观察，还可以看到图11中，接地夹构成的环路中，甚至还有一根白色电缆穿过，这些都是不严谨的测量方式，需要及时克服。

图11：使用接地夹和探针测量纹波，接地夹随意夹到板子边缘的地线上（错误示范）

图12：使用接地夹测量纹波时明显能发现的干扰信号

4. 示波器底噪的影响

视频：降维打击？学校示波器 PK 泰克MSO6B

在测量小的纹波信号时，示波器本身的底噪也不可忽视。相比采样率、模拟带宽等硬指标，这也是基础示波器最先不满足纹波测量要求的第一个指标。已知被测信号是一个小于10mV的纹波，如果用基础示波器，底噪就会比较大。如图13所示，TDS 1012基础示波器的底噪已经在mV量级，对测量的影响是不可忽视的。而高阶示波器的底噪在µV级别，对此次测量影响就非常小。例如 MSO 6B系列，官方给出的底噪指标是小于 55 µV（1 mV/div，1 GHz）[2]。

图13：基础示波器的底噪水平（拔掉全部探头）

5. 开启FFT观察纹波的频率分布

视频：示波器变身，频谱仪

除了在时域上观察和测量纹波，我们也需要关心纹波的频率情况。例如开关转换器的开关频率，以及因此产生的各次谐波的大小。对于这类测量需求，使用示波器内置的FFT功能，就可以将示波器瞬间变身为一台频谱分析仪。

如图14所示，在开启了示波器FFT功能后，示波器屏幕上会多一个FFT的窗格，显示波形的实时频谱。不难发现在1.2 MHz出有一个频率峰值，往高频方向观察也能清晰看到各次谐波（2.4 MHz、3.6 MHz等）。实际上这个波形是TPS61093 Boost转换器的输出纹波。查阅datasheet（如图15所示）可以发现，这正是一个1.2 MHz固定频率的开关转换器，说明它正常工作在预定的频率上。

图14：示波器的FFT功能

图15：TPS61093 Boost转换器datasheet中描述的开关频率为1.2 MHz [3]

6. 总结

使用示波器测量电源纹波，是一个看似易上手，实则难精通的测试任务。对于刚入门的工程师，插上示波器探头，简单调试就能获取波形，但是这个波形或不准确，或不可复现，使得测试结果可信度不高。本文以Raspberry Pi Pico为例，介绍了电源纹波测量的基本流程，并给出了测量波形，方便工程师学习和对比。此外，本文通过实测和对比等方法，对示波器自动测量技巧的应用，电压探头衰减的影响，接地线的影响，示波器底噪的影响和FFT观察纹波的频域分布等方面进行了图文并茂的解析。全文全部数据和波形都由实测和实拍得到，贴近应用实际，具有工程参考价值。

实测彩蛋：

视频：用TI AFE看模电供电电路有什么讲究

视频：六通道输入观测PC机电源开关时序

参考文献

[1]https://datasheets.raspberrypi.org/pico/pico-datasheet.pdf

[2]https://www.tek.com/oscilloscope/6-series-mso-mixed-signal-oscilloscope

[3] https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps61093.pdf

资料推荐：

《示波器旅行指南》

该指南主要是针对泰克去年推出的新一代示波器MSO6B在多种领域的应用所撰写的：应用案例、技术文章、课件、短视频以及网路研讨会的汇总。

MSO6B主打的是更低噪声、更高带宽、更多通道的中端示波器，该款示波器自推出以来，广受业界好评。

具有以下几点重要指标：

• 使用1 GHz 至10 GHz 带宽对高速设计进行故障排除和验证

• 通过超低噪声和高达 50 GS/s 的采样率获得准确的测量结果查看

• 6 通道和 8 通道模型的更多设计