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

直流電源紋波和噪聲的測量

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

0　引言

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

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關(guān)電源兩種，其輸出的直流電壓是一個固定值，由交流電壓經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后得到。由于無法濾除所有交流成分，直流電壓中會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，是圍繞輸出直流電壓上下波動的周期性信號，但周期和振幅不固定，隨時間而變，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。

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

2　紋波電壓危害

喇叭或聽筒發(fā)出的雜音、信號放大系統(tǒng)中形成的雜波、電視圖像中的細橫條等都可能是因為紋波電壓高，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。較強的紋波會產(chǎn)生浪涌電壓或電流，嚴重的有可能燒毀設(shè)備。要濾除紋波，需準確地測量出紋波的大小。

3　紋波和噪聲的測量

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，同時由于調(diào)制帶寬越來越寬，速率越來越高，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，但在工程上對電源進行檢驗或驗收時，通常并不刻意把它們分開。

開關(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載有關(guān)，所以測量紋波時電源所接的負載應(yīng)為純阻負載，并在電源額定輸入電壓下和滿載輸出的情況下進行測量。如若使用電子負載，則需考慮電子負載帶來的附加紋波和噪聲。

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)注意測量現(xiàn)場的磁場環(huán)境，如果磁場影響過大，需采取措施消除引入的感應(yīng)電壓。在磁場環(huán)境下移動測量導(dǎo)線時將影響測量結(jié)果，所以在測量時應(yīng)盡量固定測量導(dǎo)線，并確保用于測量的數(shù)字多用表、示波器和直流電源使用同一個電源插座。

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量，通常使用示波器，但在測量紋波和噪聲這樣的小信號時需要注意一些細節(jié)。

開關(guān)電源的開關(guān)頻率在幾萬赫茲到幾百萬赫茲，因此開關(guān)器件產(chǎn)生的主要干擾處于低頻段，遠遠小于20 MHz，但通常情況下示波器測試帶寬默認為20 MHz。為了準確測量20 MHz內(nèi)的干擾信號，需要示波器工作帶寬為測量帶寬的3倍以上，即選用帶寬大于50 MHz 的示波器即可。

3.1使用示波器的標準探頭測量

使用示波器的標準探頭測量TTL 電平信號沒有問題，但測量紋波時存在一些問題（見圖2）。

圖2　常用測量方法一

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

3.2去掉標準探頭的接地線和探頭鉤測量

去掉標準探頭的接地線和探頭鉤測量可以避免探頭的接地線形成回路而感應(yīng)到干擾信號，且使用方便（見圖3）。如果測量現(xiàn)場沒有很強的干擾信號，圖2 和圖3兩種方法的測量結(jié)果差別并不大。

圖3　常用的測量方法二

但是，當探頭無法直接接觸測量點時，需要采用同軸電纜的方法來進行測量。

3.3用50 Ω同軸電纜作為探頭測量

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交流毫伏表測量電源紋波

交流毫伏表只對交流電壓響應(yīng)，并且靈敏度高，可測量很小的交流電壓，而紋波往往是比較小的交流電壓，所以可用交流毫伏表來測量紋波電壓。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，要注意其頻響范圍，不同頻響范圍會產(chǎn)生不同的測量結(jié)果。

4　結(jié)語

電源幾乎對于每種電子產(chǎn)品都必不可少，電源的性能對一個系統(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，通過有效的測量和分析保證系統(tǒng)安全、可靠地開展工作。

［1］ 中國航天工業(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)壓電源的紋波測量問題［J］. 計測技術(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量［J］.電子測試，2010（2）：88-90.