直流電源紋波和噪聲的測(cè)量

劉本成朱宏聲/ .海軍航空裝備計(jì)量監(jiān)修中心；.上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

直流電源紋波和噪聲的測(cè)量

劉本成1朱宏聲2/ 1.海軍航空裝備計(jì)量監(jiān)修中心；2.上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0　引言

對(duì)于直流電源紋波和噪聲的測(cè)量，不同測(cè)量方法的測(cè)量結(jié)果往往差別較大。本文介紹幾種常用的紋波和噪聲測(cè)量方法，闡明不同測(cè)量方法之間的區(qū)別，并明確紋波測(cè)量的注意事項(xiàng)。

1　紋波和噪聲的產(chǎn)生

直流電源是電子設(shè)備的基本組成部分，主要有線性電源和開(kāi)關(guān)電源兩種，其輸出的直流電壓是一個(gè)固定值，由交流電壓經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后得到。由于無(wú)法濾除所有交流成分，直流電壓中會(huì)含有一定的交流成分，這就產(chǎn)生了紋波。紋波是一種復(fù)雜的雜波信號(hào)，是圍繞輸出直流電壓上下波動(dòng)的周期性信號(hào)，但周期和振幅不固定，隨時(shí)間而變，不同電源的紋波波形也不一樣。

線性電源紋波主要來(lái)自工頻50 Hz變壓器，紋波電壓的頻率常常是50n Hz（n取自然數(shù)，大小取決于整流電路的類型），幅值小，較易濾除，通常紋波電壓可低至幾毫伏。

一般開(kāi)關(guān)電源的紋波比線性電源的紋波大，頻率高，且當(dāng)前使用的主要是開(kāi)關(guān)電源，所以，本文只討論開(kāi)關(guān)電源。

2　紋波電壓危害

喇叭或聽(tīng)筒發(fā)出的雜音、信號(hào)放大系統(tǒng)中形成的雜波、電視圖像中的細(xì)橫條等都可能是因?yàn)榧y波電壓高，使電子產(chǎn)品產(chǎn)生諧波、調(diào)制等，干擾正常的工作狀態(tài)，導(dǎo)致電源效率降低。較強(qiáng)的紋波會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓或電流，嚴(yán)重的有可能燒毀設(shè)備。要濾除紋波，需準(zhǔn)確地測(cè)量出紋波的大小。

3　紋波和噪聲的測(cè)量

在現(xiàn)代數(shù)字通信中，由于廣泛使用低噪聲放大器和頻率合成器，同時(shí)由于調(diào)制帶寬越來(lái)越寬，速率越來(lái)越高，要求直流電源具有盡可能低的紋波和噪聲。紋波和噪聲本是不同的概念，但在工程上對(duì)電源進(jìn)行檢驗(yàn)或驗(yàn)收時(shí)，通常并不刻意把它們分開(kāi)。

開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的紋波比較復(fù)雜，很難濾除且幅值較大。典型的開(kāi)關(guān)電源的紋波和噪聲如圖1 所示。

由于電源紋波的大小與負(fù)載有關(guān)，所以測(cè)量紋波時(shí)電源所接的負(fù)載應(yīng)為純阻負(fù)載，并在電源額定輸入電壓下和滿載輸出的情況下進(jìn)行測(cè)量。如若使用電子負(fù)載，則需考慮電子負(fù)載帶來(lái)的附加紋波和噪聲。

圖1　紋波和噪聲示意圖

為了降低市電影響，電源以及測(cè)試設(shè)備應(yīng)該接地；使用隔離變壓器可以最大程度消除市電干擾，應(yīng)注意測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的磁場(chǎng)環(huán)境，如果磁場(chǎng)影響過(guò)大，需采取措施消除引入的感應(yīng)電壓。在磁場(chǎng)環(huán)境下移動(dòng)測(cè)量導(dǎo)線時(shí)將影響測(cè)量結(jié)果，所以在測(cè)量時(shí)應(yīng)盡量固定測(cè)量導(dǎo)線，并確保用于測(cè)量的數(shù)字多用表、示波器和直流電源使用同一個(gè)電源插座。

紋波電壓一般用紋波系數(shù)表示，即紋波電壓幅度與直流電壓幅度之比。電源紋波可用交流毫伏表或示波器測(cè)量，通常使用示波器，但在測(cè)量紋波和噪聲這樣的小信號(hào)時(shí)需要注意一些細(xì)節(jié)。

開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率在幾萬(wàn)赫茲到幾百萬(wàn)赫茲，因此開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生的主要干擾處于低頻段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于20 MHz，但通常情況下示波器測(cè)試帶寬默認(rèn)為20 MHz。為了準(zhǔn)確測(cè)量20 MHz內(nèi)的干擾信號(hào)，需要示波器工作帶寬為測(cè)量帶寬的3倍以上，即選用帶寬大于50 MHz 的示波器即可。

3.1使用示波器的標(biāo)準(zhǔn)探頭測(cè)量

使用示波器的標(biāo)準(zhǔn)探頭測(cè)量TTL 電平信號(hào)沒(méi)有問(wèn)題，但測(cè)量紋波時(shí)存在一些問(wèn)題（見(jiàn)圖2）。

圖2　常用測(cè)量方法一

探頭上的地線構(gòu)成的回路類似接收天線，會(huì)接收測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的電磁波，特別是在測(cè)量紋波和噪聲時(shí)，電源內(nèi)部的開(kāi)關(guān)器件工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻振蕩波，繼而會(huì)產(chǎn)生一定輻射。如果電源的屏蔽考慮不周，這時(shí)探頭地線形成的回路就有可能接收到很大的干擾信號(hào)。所以，這種方法測(cè)量紋波和噪聲時(shí)，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)不能有明顯的干擾信號(hào)。

3.2去掉標(biāo)準(zhǔn)探頭的接地線和探頭鉤測(cè)量

去掉標(biāo)準(zhǔn)探頭的接地線和探頭鉤測(cè)量可以避免探頭的接地線形成回路而感應(yīng)到干擾信號(hào)，且使用方便（見(jiàn)圖3）。如果測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有很強(qiáng)的干擾信號(hào)，圖2 和圖3兩種方法的測(cè)量結(jié)果差別并不大。

圖3　常用的測(cè)量方法二

但是，當(dāng)探頭無(wú)法直接接觸測(cè)量點(diǎn)時(shí)，需要采用同軸電纜的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)量。

3.3用50 Ω同軸電纜作為探頭測(cè)量

在復(fù)雜的環(huán)境下可以使用50 Ω同軸電纜作為探頭測(cè)量，但要注意同軸線和引入的RC 網(wǎng)絡(luò)的接法。引線和引腳應(yīng)盡可能短，避免形成能夠感應(yīng)輻射的環(huán)路。

3.4交流毫伏表測(cè)量電源紋波

交流毫伏表只對(duì)交流電壓響應(yīng)，并且靈敏度高，可測(cè)量很小的交流電壓，而紋波往往是比較小的交流電壓，所以可用交流毫伏表來(lái)測(cè)量紋波電壓。交流毫伏表可直接讀出紋波電壓的有效值、峰值和平均值，但測(cè)量結(jié)果與交流毫伏表的頻響有關(guān)。在使用交流毫伏表時(shí)，要注意其頻響范圍，不同頻響范圍會(huì)產(chǎn)生不同的測(cè)量結(jié)果。

4　結(jié)語(yǔ)

電源幾乎對(duì)于每種電子產(chǎn)品都必不可少，電源的性能對(duì)一個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。應(yīng)確保電源的可靠性、穩(wěn)定性、兼容性、安全性，通過(guò)有效的測(cè)量和分析保證系統(tǒng)安全、可靠地開(kāi)展工作。

［1］ 中國(guó)航天工業(yè)總公司708所.JJG（航天）6-1999直流穩(wěn)壓電源檢定規(guī)程［S］.北京：1999.

［2］ 徐煥蓉. 直流穩(wěn)壓電源的紋波測(cè)量問(wèn)題［J］. 計(jì)測(cè)技術(shù)，2008，28（5）：67-69.

［3］ 同金，馬煜峰.直流電源輸出的紋渡和噪聲的測(cè)量［J］.電子測(cè)試，2010（2）：88-90.