基于RIGOL數(shù)字示波器的電源紋波自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

北京普源精電科技有限公司技術(shù)工程師 高增鑫

引言

目前，AC/DC、DC/DC轉(zhuǎn)換器件已經(jīng)發(fā)展成為各種電子設(shè)備、自動(dòng)控制設(shè)備的重要組成部分，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。這就要求電源模塊生產(chǎn)廠(chǎng)商在設(shè)計(jì)、工藝、制造、測(cè)試等環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制，產(chǎn)品出廠(chǎng)前對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試是電源產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。
　
國(guó)內(nèi)電源行業(yè)對(duì)產(chǎn)品的檢測(cè)已經(jīng)普遍采用了自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)中會(huì)包含多種測(cè)量項(xiàng)目，大多數(shù)測(cè)試可以使用自動(dòng)測(cè)量(使用程控測(cè)量測(cè)試設(shè)備)。但是紋波噪聲卻是個(gè)特例，很多電源企業(yè)還是通過(guò)人工操作對(duì)紋波噪聲進(jìn)行測(cè)量，這樣很大程度上影響了生產(chǎn)效率。本文介紹的方案是基于RIGOL程控數(shù)字示波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源紋波進(jìn)行快捷可靠測(cè)量的。

紋波與噪聲指的是什么

可以說(shuō)任何直流電源都含有紋波與噪聲，如圖1所示：

A. 噪聲：通常我們用Vpp來(lái)表示噪聲，也就是波形的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的差值(啟用示波器的自動(dòng)測(cè)量功能中Vpp測(cè)量即可得出Vpp的值)；

B. 紋波：紋波的產(chǎn)生主要源于開(kāi)關(guān)切換與整流過(guò)程，通常我們用RMS(均方根值)來(lái)表示紋波，一般用RMS RF伏特計(jì)來(lái)測(cè)量(調(diào)整好示波器的時(shí)基，開(kāi)啟示波器自動(dòng)測(cè)量功能中的平均值測(cè)量也可得到近似的結(jié)果)。

圖2為開(kāi)關(guān)電源的噪聲與紋波的真實(shí)的描述。

工程師經(jīng)常會(huì)看到PARD(periodic and random deviation)這個(gè)詞，實(shí)質(zhì)上它也是表示紋波與噪聲。紋波與噪聲信號(hào)的帶寬一般分布在20Hz-20MHz之間，噪聲可以通過(guò)選擇合適的電容來(lái)濾除，對(duì)于紋波濾波電容的作用并不是很明顯。

如何測(cè)量噪聲與紋波 　

目前關(guān)于紋波與噪聲的測(cè)量方法有很多，業(yè)界尚沒(méi)有形成一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，選擇的測(cè)試方法不同，測(cè)試結(jié)果會(huì)又很大的偏差。

從測(cè)試效果來(lái)看下面所介紹的方法得出的測(cè)試結(jié)果具有較高的可信度。

A.示波器設(shè)置：探頭輸入比例設(shè)置為1：1；耦合方式選擇'交流'；如果示波器輸入帶寬大于20MHz，開(kāi)啟示波器帶寬限制功能。

B.探頭選擇：如圖3所示，探頭原接地線(xiàn)用接地彈簧代替；工廠(chǎng)的測(cè)試線(xiàn)上可以使用固定的測(cè)試座，探頭直接插入測(cè)試座內(nèi)。

C.測(cè)量：直接接觸或盡可能地靠近測(cè)試點(diǎn)，如果待測(cè)電源需掛負(fù)載時(shí)，接線(xiàn)要盡量的短，以減小待測(cè)系統(tǒng)從外界引入的噪聲，同時(shí)測(cè)試環(huán)境的不同對(duì)測(cè)試結(jié)果也有很大的影響。

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

以生產(chǎn)電源模塊的某企業(yè)為例，其主要生產(chǎn)電源穩(wěn)壓模塊，一路輸入，一路或兩路輸出。以該公司的某型號(hào)產(chǎn)品為例，被測(cè)元件是16-32V直流輸入，一路20V的DC－DC穩(wěn)壓直流輸出。測(cè)量得到的波形--即紋波，峰峰值為55mV左右，頻率255Hz，如圖4。

在生產(chǎn)線(xiàn)上需要對(duì)每一個(gè)器件進(jìn)行測(cè)試，并且在每一個(gè)器件的測(cè)量過(guò)程中要器件輸入端接入多組數(shù)據(jù)(16-32V之間變化)，也會(huì)在輸出端連接不同阻值的負(fù)載，這樣就有多種排列組合方式，要對(duì)每一種組合方式的紋波進(jìn)行測(cè)量，并且統(tǒng)計(jì)紋波最大峰峰值。如果通過(guò)人工進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試過(guò)程太復(fù)雜，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，當(dāng)然也造成了生產(chǎn)效率很低。所以自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)是非常必要的。

圖5為自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)框圖，與示波器DS5000相關(guān)的主要是通過(guò)PC軟件控制示波器及PC軟件與單片機(jī)之間的通信。以下內(nèi)容詳細(xì)說(shuō)明了框圖每部分所實(shí)現(xiàn)的功能。

1.輸入源，在一段范圍內(nèi)電壓可變的電壓源(通過(guò)電腦可以控制其輸出值)

2.可變電負(fù)載，在一段范圍內(nèi)阻值可變的負(fù)載(通過(guò)電腦可以控制其阻值)

3.DS5000，測(cè)量輸出電壓的紋波，通過(guò)電腦控制采集紋波的峰峰值，并上傳所采集到的峰峰值給PC。

4.單片機(jī)，PC接受到單片機(jī)的測(cè)量命令，通過(guò)PC把DS5000上傳得到的峰峰值發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)與設(shè)定值進(jìn)行比較，得出產(chǎn)品是否合格的結(jié)論。并將結(jié)論顯示出來(lái)給工人看，并將結(jié)果反饋給PC。

5. PC，完成與各測(cè)量設(shè)備通信，自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的核心。

在測(cè)試過(guò)程中，輸入源會(huì)有一組變化值，可變電負(fù)載會(huì)有一組變化值，這樣會(huì)有多種組合方式，測(cè)量每種組合方式下的器件輸出電壓紋波的峰峰值就是DS5000要做的，通過(guò)PC軟件統(tǒng)計(jì)每一個(gè)測(cè)量器件的紋波最大值，反饋給單片機(jī)。程序如圖6所示。