在現(xiàn)代電子設(shè)備中，電源作為關(guān)鍵組成部分，其輸出的穩(wěn)定性對(duì)設(shè)備性能有著決定性影響。電源噪聲作為電磁干擾的一種，不僅會(huì)導(dǎo)致設(shè)備工作異常，降低信號(hào)的準(zhǔn)確性和可靠性，還可能引發(fā)系統(tǒng)故障，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。羅德與施瓦茨示波器憑借強(qiáng)大的 FFT（快速傅里葉變換）功能，為電源噪聲分析提供了高效、準(zhǔn)確的解決方案，幫助工程師深入了解電源噪聲的特性，定位噪聲源，進(jìn)而優(yōu)化電源設(shè)計(jì)，提升設(shè)備的整體性能。

電源噪聲的類型與特性
噪聲類型
電源噪聲按照傳播方向，可分為從電源進(jìn)線引入的外部干擾，以及由電子設(shè)備通過(guò)電源線向外傳輸?shù)脑肼暋男纬商攸c(diǎn)來(lái)看，又可分為串模干擾和共模干擾。串模干擾發(fā)生在兩條電源線之間，而共模干擾則是兩條電源線相對(duì)于地面所產(chǎn)生的噪聲。
噪聲特性
電源噪聲主要表現(xiàn)為高頻信號(hào)，頻率通常在 10kHz 至 30MHz 之間，最高可達(dá) 150MHz。其具有上升速度迅速、持續(xù)時(shí)間短暫、電壓振幅大且隨機(jī)性強(qiáng)的特點(diǎn)。這些特性使得電源噪聲對(duì)微處理器和數(shù)字電路容易產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，影響設(shè)備的正常工作。
羅德與施瓦茨示波器概述
羅德與施瓦茨作為先進(jìn)的示波器制造商，其示波器產(chǎn)品具備諸多優(yōu)勢(shì)。以 R&S?RTP 高性能示波器為例，帶寬覆蓋 4GHz 至 16GHz，采樣率達(dá) 40Gsample/s，存儲(chǔ)深度每通道 3Gpoints，分辨率高達(dá) 16 位。這些參數(shù)確保了示波器能夠精準(zhǔn)捕獲和分析高頻、快速變化的信號(hào)。同時(shí)，示波器擁有快速的波形捕獲率，在標(biāo)準(zhǔn)采集模式下，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)一百萬(wàn)次的波形采集和測(cè)量，比同類產(chǎn)品快一千倍以上，這使得它能夠快速發(fā)現(xiàn)偶發(fā)異常信號(hào)。此外，其獨(dú)特的數(shù)字觸發(fā)架構(gòu)，結(jié)合實(shí)時(shí)去嵌功能，即使在激活信號(hào)修正的情況下，仍能實(shí)現(xiàn)高速采集運(yùn)行和精確觸發(fā)。
FFT 功能原理及優(yōu)勢(shì)
原理
FFT 是一種高效的算法，用于快速計(jì)算離散傅里葉變換（DFT）。其基本原理是將時(shí)域信號(hào)分解為不同頻率的正弦波信號(hào)的無(wú)限疊加。數(shù)字示波器通過(guò)采樣，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字序列，然后運(yùn)用 FFT 算法，對(duì)這些數(shù)字序列進(jìn)行變換，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域，從而獲取信號(hào)的頻率、幅值和相位等信息。
優(yōu)勢(shì)
相較于傳統(tǒng)的時(shí)域分析方法，F(xiàn)FT 功能在電源噪聲分析中具有顯著優(yōu)勢(shì)。通過(guò) FFT 變換，工程師可以直觀地觀察到電源噪聲的頻譜分布，快速確定噪聲的主要頻率成分，進(jìn)而分析噪聲的來(lái)源。此外，F(xiàn)FT 功能能夠?qū)?fù)雜信號(hào)進(jìn)行深入分析，有效解決時(shí)域分析難以處理的問(wèn)題，大大提高了電源噪聲分析的效率和準(zhǔn)確性。
在電源噪聲分析中的具體應(yīng)用
傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試
在開關(guān)電源設(shè)計(jì)流程結(jié)束時(shí)，傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試是必不可少的環(huán)節(jié)。羅德與施瓦茨示波器的 FFT 功能在這一過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需要借助線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）將被測(cè)設(shè)備從外部電源中解耦出來(lái)。LISN 的同軸輸出通過(guò)同軸電纜連接至示波器，同時(shí)將示波器的輸入阻抗激活為 50Ω，以確保正確匹配。接下來(lái)，在示波器上激活 FFT 功能，配置最小頻率、最大頻率以及分辨率帶寬，并調(diào)整時(shí)域窗口的垂直靈敏度，防止輸入通道過(guò)載。在被測(cè)設(shè)備斷電的情況下進(jìn)行參考測(cè)量，獲取裝置的噪聲基底。然后再次接通電源進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)已知的傳導(dǎo)發(fā)射限值對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)考慮 LISN 造成的額外衰減。
定位噪聲源
在電源設(shè)計(jì)過(guò)程中，準(zhǔn)確找到噪聲源至關(guān)重要。以某單板調(diào)試為例，當(dāng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電源噪聲達(dá)到 80mV，超過(guò)器件要求時(shí)，工程師首先采用傳統(tǒng)方法，在該網(wǎng)絡(luò)上增加去耦電容，但紋波改善效果甚微。此時(shí)，借助示波器的 FFT 功能對(duì)電源噪聲進(jìn)行分析。通過(guò) FFT 變換，發(fā)現(xiàn)電源噪聲的主要能量集中在 11.3KHz 左右，并以該頻率為基波頻率諧振。據(jù)此推斷，該 PDN 網(wǎng)絡(luò)在 11.3KHz 處的阻抗不能滿足要求，而此頻段通常屬于電源調(diào)整模塊（VRM）的管轄范圍，說(shuō)明 VRM 電路設(shè)計(jì)存在問(wèn)題。通過(guò)對(duì) VRM 反饋環(huán)路波特圖的分析，發(fā)現(xiàn)其穿越頻率太低，相位裕度稍小。經(jīng)過(guò)優(yōu)化 VRM 環(huán)路，將相位裕度調(diào)整到 50 度，穿越頻率推到 46KHz 左右，紋波明顯降低到 33mV，滿足了器件要求。
精確測(cè)量電源噪聲
隨著芯片電源電壓的降低和頻率的提高，對(duì)電源噪聲測(cè)試的準(zhǔn)確性提出了更高要求。羅德與施瓦茨的 R&S MXO5 和 MXO4 系列示波器，帶寬最大 2GHz，采用 12bit 位數(shù)的 ADC（HD 模式下，分辨最低可達(dá) 18bit），示波器底噪在百 uv 級(jí)別，垂直刻度擋位最小可達(dá) 0.5mv/div。搭配專門的 Power Rail 電源軌探頭 RT - ZPR20（2GHz）/RT - ZPR40（4GHz），不僅在 2GHz/4GHz 帶寬內(nèi)具備 1：1 的衰減比，能夠測(cè)試到 GHz 帶寬 mv 級(jí)別的電源噪聲，而且探頭具有 50kohm 的高直流輸入阻抗，可最大程度降低對(duì)待測(cè)電源的影響。此外，探頭內(nèi)置 ±60V 的偏置能力，集成 16 位數(shù)字電壓計(jì)，可同步讀取被測(cè)電源的直流電壓數(shù)值，并一鍵精準(zhǔn)設(shè)置測(cè)試系統(tǒng)的偏置電壓。在實(shí)際測(cè)試中，將探頭連接到測(cè)試點(diǎn)，通過(guò)內(nèi)置電壓計(jì)測(cè)得電源電壓，設(shè)置好偏置電壓和示波器垂直刻度，即可測(cè)得電源噪聲波形。對(duì)噪聲波形進(jìn)行 FFT 分析，得到電源噪聲頻譜，從而根據(jù)噪聲頻率分析噪聲來(lái)源。

羅德與施瓦茨示波器的 FFT 功能為電源噪聲分析提供了全面、高效的解決方案，在傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試、噪聲源定位以及精確測(cè)量電源噪聲等方面發(fā)揮著重要作用。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)電源質(zhì)量的要求將越來(lái)越高，電源噪聲分析也將面臨更多挑戰(zhàn)。未來(lái)，羅德與施瓦茨有望進(jìn)一步優(yōu)化示波器的 FFT 功能，提升其性能和易用性，為工程師提供更強(qiáng)大的工具，助力電子行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

審核編輯 黃宇