電源測量中示波器帶寬和采樣率的選擇

· 測量電源紋波和電源噪聲的帶寬選擇

電源紋波和電源噪聲在國內(nèi)已經(jīng)形成了一種約定俗成的理解。電源紋波理解為電源模塊本身輸出電壓的波動(dòng),和電路板上復(fù)雜的供電網(wǎng)絡(luò)無關(guān)?；蛘哒f，電源輸出的源端（Source端)的電壓的波動(dòng); 電源噪聲則是指電源模塊工作在實(shí)際電路系統(tǒng)中，經(jīng)過供電分布網(wǎng)絡(luò)（PDN）將電源能量輸送到芯片管腳處，在芯片管腳處的電壓的波動(dòng)，或者說是電源輸出末端(Sink端)電壓的波動(dòng)。簡言之，電壓的波動(dòng)在源端叫紋波（Ripple)，在末端叫噪聲（Noise)。

電源紋波包括的信號頻率成分主要是工頻100Hz和開關(guān)頻率，一般是將帶寬限制到20MHz。有人問我，為什么是20MHz而不是10MHz,5MHz？這確是有趣的好問題！

電源噪聲的測量，我建議的帶寬是500MHz。這方面有個(gè)很多討論和爭論。此文不再細(xì)述。

· 測量電源產(chǎn)品的快速瞬變脈沖放電的帶寬選擇

我曾遇到一些客戶要買示波器只是為了測量EMI快速瞬變脈沖放電過程。很遺憾的是，一直沒找到機(jī)會(huì)親自和這些客戶一起測量這類信號。測量具體方法是將高壓信號通過專用的“分壓器”元件分壓后通過BNC同軸線連接到示波器。示波器選擇的帶寬1GHz以上，最好是2GHz，采樣率一定要10GS/s。 其實(shí)，這里 面“分壓器”的帶寬影響到系統(tǒng)帶寬，因?yàn)樗菧y量系統(tǒng)的一部分。

2 電源測量中采樣率的選擇

采樣率的概念極好理解，表示每秒采樣多少個(gè)點(diǎn)。例如采樣率為10GS/s即表示每秒采樣10G個(gè)點(diǎn)。“S”在這里理解為Samples的意思，有些文檔中將采樣率寫為10GSa/s。 采樣率的倒數(shù)就是采樣周期，表示每隔多長時(shí)間采樣一個(gè)點(diǎn)，如10GS/s采樣率就表示每隔100ps采樣一個(gè)點(diǎn)。

有個(gè)著名奈奎斯特采樣定理告訴我們：當(dāng)采樣率是被測信號最高頻率的兩倍以上的時(shí)候才能保證不失真的重構(gòu)信號。但是，被測信號的最高頻率對于非正弦信號也并不直觀。即使對于正弦信號，對于示波器的應(yīng)用，一個(gè)周期采樣兩個(gè)點(diǎn)，也并不能非常完好地重構(gòu)原始信號。 這么多年來，我推薦的判斷采樣率是否足夠的方法是：確保感興趣的信號上升沿采樣3-5個(gè)點(diǎn)。最好是5個(gè)點(diǎn)，在示波器條件限制時(shí)采樣3個(gè)點(diǎn)，誤差也不大。感興趣的上升沿采樣5個(gè)點(diǎn)和10個(gè)的點(diǎn)測量結(jié)果幾乎完全一致。根據(jù)此結(jié)論，回到我們對電源測量中采樣率的選擇問題：

· 測量開關(guān)管的采樣率選擇

測量電源開關(guān)管的采樣率建議是250MS/s以上，因?yàn)殚_關(guān)管的上升沿的尖峰毛刺部分如果能準(zhǔn)確地重構(gòu)，需要4ns采樣一個(gè)點(diǎn)。甚至對于有些開關(guān)管，250MS/s都不是很充分。 實(shí)際測量中大家可以將Vds波形上升沿局部放大，查看尖峰毛刺上是否采樣到5個(gè)點(diǎn)。250MS/s這個(gè)數(shù)據(jù)是我從一個(gè)電源工程師改行做示波器銷售工程師之后回到老東家親自測量確認(rèn)的一個(gè)數(shù)據(jù)，10年過去了，我至今印象深刻。有趣的是，在我當(dāng)年工作的高富帥公司，有很多技術(shù)牛人，內(nèi)部有很多測量規(guī)范文檔，但似乎也沒人去在意該怎么確定示波器的采樣率，只是老板常告訴我按auto setup之后將波形展開后才能測量出真正的Vds峰值。

我當(dāng)時(shí)核實(shí)測量的是MOSFET IRF460。但50MS/s能滿足大多數(shù)開關(guān)管的準(zhǔn)確測量。

注意：
（1）有些示波器默認(rèn)插值方式是正弦插值（sinx/x插值），就是在真實(shí)的采樣點(diǎn)的中間會(huì)根據(jù)sinx/x算法插入若干個(gè)“計(jì)算得到的假點(diǎn)”。這樣放大波形的局部，您看到上升沿還是有很多計(jì)算得到的假點(diǎn)，會(huì)被誤認(rèn)為采樣率足夠，帶來錯(cuò)誤的判斷和錯(cuò)誤的測量結(jié)果。
（2）還有些示波器不能固定采樣率，只能固定存儲(chǔ)深度，但是因?yàn)椴蓸勇?采樣時(shí)間=存儲(chǔ)深度，隨著時(shí)間的增加，采樣率不斷地降低，而當(dāng)您將時(shí)間減少時(shí)，采樣率又自動(dòng)增加了，展開波形時(shí)看到的尖峰毛刺上仍然有足夠多的點(diǎn)。

· 測量電源系統(tǒng)的監(jiān)控部分電路的采樣率選擇

這部分的信號頻率最高的是DSP的時(shí)鐘，建議用5GS/s以上采樣率。

· 測量電源紋波和電源噪聲的采樣率選擇

測量電源紋波的采樣率的選擇和測量開關(guān)管一樣，建議為250MS/s以上，因?yàn)殡娫醇y波中包含了開關(guān)頻率成分。但對于電源噪聲，因?yàn)槠渲邪藖碜杂诟咚傩酒ㄟ^電源和地平面?zhèn)鬏數(shù)脑肼暎尸F(xiàn)200MHz左右的高頻成分，建議的采樣率為5GS/s以上才是足夠的。

· 測量電源產(chǎn)品的快速瞬變脈沖放電的采樣率選擇

這類快速脈沖信號的尖峰毛刺的上升沿很快，建議采樣率為10GS/s。

采樣率太低，測量的結(jié)果將嚴(yán)重失真。譬如本來Vds的峰峰值，本來峰峰值應(yīng)該是450V,但因?yàn)椴蓸硬粔?，用線性插值測量的結(jié)果可能只有350V，用正弦插值測量的結(jié)果則可能為500V。要“時(shí)刻警惕采樣率”，這是高保真捕獲的重要原則之一。

希望以上解釋能對大家在最基本的指標(biāo)選擇和使用上有所幫助。歡迎關(guān)注“工程師的掌上示波器圖書館”，示波器的藝術(shù)微信平臺(tái)scope-of-the-art,有問必答。