直流穩(wěn)定電源穩(wěn)壓輸出周期和隨機(jī)偏差的測(cè)量方法

/上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

依據(jù)JJF 1597-2016《直流穩(wěn)定電源校準(zhǔn)規(guī)范》，對(duì)直流穩(wěn)定電源及具有直流穩(wěn)定電源輸出功能的裝置及儀器進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，周期和隨機(jī)偏差（periodic and random deviation）的測(cè)量是必不可少的計(jì)量指標(biāo)。本文基于該校準(zhǔn)規(guī)范，分析了規(guī)范中采用的計(jì)量工具的要求及周期和隨機(jī)偏差的測(cè)量方法，為直流穩(wěn)定電源的校準(zhǔn)工作提供了一種技術(shù)方法。

1 周期和隨機(jī)偏差的定義與描述

JJF 1597-2016中對(duì)周期和隨機(jī)偏差定義為在全部影響量和控制量均保持恒定時(shí)，在規(guī)定的帶寬范圍內(nèi)，一個(gè)直流輸出量對(duì)其平均值的周期和隨機(jī)偏差[1]。

直流穩(wěn)定電源輸出直流電壓信號(hào)時(shí)，不可避免因?yàn)榻涣鞴╇婋娫唇?jīng)過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓的過(guò)程令直流電壓信號(hào)中伴隨著圍繞其上下波動(dòng)的周期偏差，又稱紋波。紋波的產(chǎn)生主要與工頻供電電源相關(guān)，其頻率一般為供電頻率的整數(shù)倍。采用開關(guān)電源方式整流的直流穩(wěn)定電源因?yàn)檎鬟^(guò)程中伴隨著斬波倍頻，引入了高頻開關(guān)噪聲，一般來(lái)說(shuō)其輸出直流電壓信號(hào)中紋波較大[2]。

在溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，熱能引起的電子運(yùn)動(dòng)會(huì)讓導(dǎo)體產(chǎn)生熱噪聲[3]。所有的穩(wěn)定電源都具有內(nèi)阻，因此，所有的直流穩(wěn)定電源輸出的直流電壓信號(hào)中毫無(wú)例外地帶有無(wú)規(guī)律的隨機(jī)偏差，即噪聲。

一般很難將直流穩(wěn)定電源輸出的直流電壓中周期偏差和隨機(jī)偏差嚴(yán)格定量地區(qū)分開，即一般對(duì)直流穩(wěn)定電源校準(zhǔn)時(shí)，紋波與噪聲通常放在一起測(cè)量，在指定的頻率帶寬內(nèi)，用交流峰峰值或交流有效值來(lái)描述。

2 周期偏差和隨機(jī)偏差的測(cè)量

依據(jù)JJF 1597-2016中直流穩(wěn)定電源的技術(shù)指標(biāo)，穩(wěn)壓輸出周期偏差和隨機(jī)偏差交流有效值一般在：200 μV ～ 10 V（20 Hz～ 20 MHz），穩(wěn)壓輸出周期偏差和隨機(jī)偏差交流峰峰值在 ：1 mV～50 V（20 Hz～ 20 MHz）[1]。JJF 1597-2016 提出了真有效值電壓表、寬頻電壓差分探頭、數(shù)字示波器（以下簡(jiǎn)稱示波器）等作為周期偏差和隨機(jī)偏差的測(cè)量設(shè)備。

如圖1所示，將直流穩(wěn)定電源與測(cè)量設(shè)備連接，并確保所有的測(cè)量設(shè)備接入同一個(gè)電源插座。設(shè)置并調(diào)節(jié)直流穩(wěn)定電源及負(fù)載，令直流穩(wěn)定電源處于額定功率下工作。從示波器或真有效值電壓表上直接讀取周期偏差或隨機(jī)偏差的峰峰值與有效值。（使用寬頻電壓差分探頭進(jìn)行分壓時(shí)，需要根據(jù)分壓系數(shù)將讀取的電壓峰峰值或有效值換算成為實(shí)際值。）

圖1 直流穩(wěn)定電源穩(wěn)壓輸出周期偏差和隨機(jī)偏差的測(cè)量

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，常見的真有效值交流電壓表通常難以滿足JJF 1597-2016中的要求，如表1所示。

表1 常見的真有效值數(shù)字多用表技術(shù)指標(biāo)

從表1中可知，工業(yè)計(jì)量中廣泛應(yīng)用的6位半數(shù)字多用表34401A在用于測(cè)量直流穩(wěn)定電源穩(wěn)壓輸出周期偏差及隨機(jī)偏差時(shí)，無(wú)法滿足其測(cè)量帶寬的要求。在校準(zhǔn)過(guò)程中，因?yàn)轭l率響應(yīng)帶寬不足，會(huì)產(chǎn)生測(cè)得電壓信號(hào)偏小的情況。

即使采用目前世界上較先進(jìn)的8位半數(shù)字多用表3458A與8508A，其帶寬仍然滿足不了JJF 1597-2016中帶寬最大20 MHz的要求。此外，鑒于真有效值交流電壓表及數(shù)字多用表的特性，只能測(cè)得電壓信號(hào)的交流有效值，無(wú)法直接測(cè)得峰峰值。

綜上所述，在實(shí)際應(yīng)用中，嚴(yán)格意義上無(wú)法采用數(shù)字多用表直接讀取示值的方法來(lái)測(cè)量直流穩(wěn)定電源穩(wěn)壓輸出的周期偏差和隨機(jī)偏差?；诂F(xiàn)有的技術(shù)水平，采用示波器是作為測(cè)量直流穩(wěn)定電源穩(wěn)壓輸出的紋波與噪聲較為合適的測(cè)量?jī)x器。

使用示波器測(cè)量直流穩(wěn)定電源穩(wěn)壓輸出的紋波與噪聲時(shí)，考慮到示波器的實(shí)際測(cè)量帶寬一般小于其標(biāo)稱帶寬，因此，應(yīng)選擇帶寬大于20 MHz的示波器作為測(cè)量工具[4]。

3 使用示波器測(cè)量直流穩(wěn)定電源穩(wěn)壓輸出周期偏差與隨機(jī)偏差的注意事項(xiàng)

以一臺(tái)常見示波器（泰克TDS3032C，帶寬為300 MHz）為例，具體論述使用示波器測(cè)量直流穩(wěn)定電源穩(wěn)壓輸出周期偏差與隨機(jī)偏差的注意事項(xiàng)。

按圖1所示連接示波器與直流穩(wěn)定電源，這里需要注意的是示波器探頭的阻抗匹配，示波器內(nèi)部設(shè)置探頭阻抗為1 MΩ時(shí)，必須搭配相同輸入阻抗的示波器探頭。當(dāng)示波器探頭阻抗為10 MΩ時(shí)，必須修改示波器內(nèi)部的增益系數(shù)為10，以此類推。

然而，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)得知，采用阻抗為10 MΩ的示波器探頭時(shí)，示波器最大單格縱向分辨力為每格10 mV，此時(shí)示波器本底噪聲在毫伏級(jí)，無(wú)法測(cè)量毫伏級(jí)別的紋波峰峰值。故使用無(wú)源探頭時(shí)，必須采用阻抗不超過(guò)1 MΩ的示波器探頭，此時(shí)示波器最大單格縱向分辨力不小于每格1 mV，本底噪聲在數(shù)百微伏級(jí)，基本滿足校準(zhǔn)的要求。

此外，仍然值得注意的是，目前市場(chǎng)上大部分示波器無(wú)源探頭所標(biāo)稱帶寬為其增益最大檔位時(shí)的帶寬，例如通用示波器無(wú)源探頭P2200有增益切換檔位如×1、×10，其標(biāo)稱最大帶寬200MHz為檔位位于×10，即10 MΩ時(shí)的帶寬，在×1檔位，即1 MΩ時(shí)，其帶寬僅為6 MHz。故必須依據(jù)規(guī)范中要求和探頭的技術(shù)指標(biāo)，合理地選擇與示波器搭配的探頭。經(jīng)過(guò)認(rèn)真篩選，常見滿足測(cè)量要求的示波器無(wú)源探頭如表2所示。

圖2 直接使用示波器無(wú)源探頭測(cè)量得的紋波與噪聲

表2 滿足直流穩(wěn)定電源穩(wěn)壓輸出紋波與噪聲測(cè)量要求的示波器無(wú)源探頭常見型號(hào)

在測(cè)量過(guò)程中，示波器應(yīng)設(shè)置為交流耦合，最大單格縱向分辨力（每格1 mV）；設(shè)置帶寬為20 MHz，高頻抑制模式，部分帶有數(shù)字濾波器功能的高級(jí)示波器可直接設(shè)置截止頻率為20 MHz。

特別要注意的是示波器無(wú)源探頭在測(cè)量時(shí)，應(yīng)拆去掛鉤探針與接地鱷魚夾，使用接地彈簧探針接入直流穩(wěn)定電源穩(wěn)壓輸出的低端。因?yàn)樵跍y(cè)量高頻交流電壓信號(hào)時(shí)，過(guò)長(zhǎng)的導(dǎo)線引線會(huì)起到類似于天線的功能，引入高頻干擾信號(hào)[5]。如圖2、圖3所示，同一直流穩(wěn)定電源在額定負(fù)載下，使用同一示波器以不同探頭接線方式測(cè)得的紋波與噪聲，可以直接觀察到不同的接線方式帶來(lái)的干擾信號(hào)影響測(cè)量結(jié)果。

另外，有源差分探頭具有帶寬大，共模抑制比高等特點(diǎn)，同樣可以作為直流穩(wěn)定電源穩(wěn)壓輸出周期偏差和隨機(jī)偏差的有力測(cè)量工具。在使用有源差分探頭時(shí)，要特別注意探頭所能承受的最大輸入電壓是否大于測(cè)量時(shí)的電壓。因有源差分探頭輸入電壓遠(yuǎn)小于無(wú)源探頭，且需要搭配支持有源差分探頭的示波器，在電源紋波與噪聲測(cè)試場(chǎng)合使用較少，采用無(wú)源探頭即可滿足大部分計(jì)量的需求，本文對(duì)其不做過(guò)多的介紹。

圖3 使用接地彈簧探針的無(wú)源探頭測(cè)量得的紋波與噪聲

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)直流穩(wěn)定電源穩(wěn)壓輸出周期偏差和隨機(jī)偏差的測(cè)量是校準(zhǔn)直流穩(wěn)定電源過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，依據(jù)本文提出的使用無(wú)源探頭與示波器的測(cè)量方法，嚴(yán)格依據(jù)校準(zhǔn)規(guī)范，合理選擇測(cè)量?jī)x器，基本可以滿足常見的計(jì)量需求。