基于RIGOL數(shù)字示波器的電源紋波自動(dòng)測量系統(tǒng)
高增新，北京普源精密科技有限公司技術(shù)工程師
簡介
目前自動(dòng)測量設(shè)備，AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換裝置已經(jīng)發(fā)展成為各種電子設(shè)備和自動(dòng)控制設(shè)備的重要組成部分，其質(zhì)量直接影響到整個(gè)設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。這就要求功率模塊制造商嚴(yán)格控制設(shè)計(jì)、工藝、制造、測試等環(huán)節(jié)。產(chǎn)品出廠前的嚴(yán)格檢測是電源產(chǎn)品生產(chǎn)過程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。
自動(dòng)測量系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)電力行業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品檢測。整個(gè)系統(tǒng)將包含多種測量項(xiàng)目，大部分測試都可以采用自動(dòng)測量（使用程控測量測試設(shè)備）。然而，紋波噪聲是一種特殊情況。很多電源企業(yè)仍然通過人工測量紋波噪聲，極大地影響了生產(chǎn)效率。本文介紹的解決方案基于RIGOL程控?cái)?shù)字示波器，能夠快速、可靠地測量電源紋波。
波紋和噪音是什么意思
可以說任何直流電源都包含紋波和噪聲，如圖1所示：
A.噪聲：通常我們用Vpp來表示噪聲，即波形最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的差值（Vpp值可以在示波器的自動(dòng)測量功能中開啟Vpp測量得到）；
B.紋波：紋波的產(chǎn)生主要是由于開關(guān)和整流過程。通常我們用RMS（均方根值）來表示紋波，一般用RMS射頻電壓表來測量（調(diào)整示波器的時(shí)基，在示波器的自動(dòng)測量功能中打開平均值測量即可獲得近似結(jié)果）。
圖 2 是對(duì)開關(guān)電源的噪聲和紋波的真實(shí)描述。
工程師經(jīng)?？吹叫g(shù)語 PARD（周期性和隨機(jī)偏差），它本質(zhì)上是指紋波和噪聲。紋波和噪聲信號(hào)的帶寬一般分布在20Hz-20MHz之間，通過選擇合適的電容可以濾除噪聲。紋波濾波電容的效果不是很明顯。
如何測量噪聲和紋波
目前紋波和噪聲的測量方法很多，業(yè)界還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。選擇不同的測試方法自動(dòng)測量設(shè)備，測試結(jié)果會(huì)有很大偏差。
從測試效果來看，采用下述方法得到的測試結(jié)果具有較高的可靠性。
A.示波器設(shè)置：設(shè)置探頭輸入比例為1:1；選擇“AC”作為耦合模式；如果示波器輸入帶寬大于20MHz，開啟示波器帶寬限制功能。
B.探頭選型：如圖3所示，將探頭原有的接地線改為接地彈簧；出廠測試線上可使用固定測試座，探頭直接插入測試座。
C.測量：直接接觸或盡可能靠近測試點(diǎn)。如果被測電源需要掛載，布線應(yīng)盡量短，以減少被測系統(tǒng)從外部引入的噪聲。測試結(jié)果也有很大影響。
自動(dòng)測試系統(tǒng)
以一家生產(chǎn)電源模塊的公司為例。主要生產(chǎn)一進(jìn)一出的電源穩(wěn)壓模塊。以公司某型號(hào)產(chǎn)品為例，被測元件為16-32V直流輸入和20V DC-DC穩(wěn)壓直流輸出。實(shí)測波形，紋波，峰峰值約為55mV，頻率為255Hz，如圖4所示。
在生產(chǎn)線上，每個(gè)器件都需要進(jìn)行測試，在每個(gè)器件的測量過程中，多組數(shù)據(jù)（在16-32V之間變化）連接到器件的輸入端，不同的電阻值也連接到輸出端負(fù)載，所以有各種排列組合，每個(gè)組合的紋波都要測量，紋波的最大峰峰值要計(jì)算。如果手動(dòng)進(jìn)行測量，測試過程太復(fù)雜，測試時(shí)間長，當(dāng)然生產(chǎn)效率也很低。所以自動(dòng)測量系統(tǒng)是很有必要的。
圖5是自動(dòng)測量系統(tǒng)的框圖。與示波器DS5000相關(guān)的主要是通過PC軟件控制示波器以及PC軟件與單片機(jī)之間的通信。以下部分詳細(xì)介紹了框圖各部分實(shí)現(xiàn)的功能。
1.輸入源，在一定范圍內(nèi)可變電壓的電壓源（輸出值可由電腦控制）
2.可變電負(fù)載，在一定范圍內(nèi)電阻可變的負(fù)載（電阻可由電腦控制）
3.DS5000，測量輸出電壓的紋波，通過電腦控制采集紋波峰峰值，并將采集的峰峰值上傳到PC。
4.單片機(jī)，PC機(jī)接收單片機(jī)的測量命令，將DS5000上傳的峰峰值通過PC機(jī)發(fā)送給單片機(jī)。并將結(jié)論顯示給工人，并將結(jié)果反饋給PC。
5. PC，完成與各種測量設(shè)備的通訊，是自動(dòng)測量系統(tǒng)的核心。
在測試過程中，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，所以會(huì)有多種組合，在每種組合下測量的器件輸出電壓紋波是 DS5000 需要做的是通過 PC 軟件統(tǒng)計(jì)每個(gè)測量器件的最大紋波值，并將其反饋給單片機(jī)。程序如圖6所示。
