基于RIGOL数字示波器的电源纹波自动测量系统
高增新，北京普源精密科技有限公司技术工程师
简介
目前自动测量设备，AC/DC和DC/DC转换装置已经发展成为各种电子设备和自动控制设备的重要组成部分，其质量直接影响到整个设备的可靠性和稳定性。这就要求功率模块制造商严格控制设计、工艺、制造、测试等环节。产品出厂前的严格检测是电源产品生产过程中非常重要的一个环节。
自动测量系统已广泛应用于国内电力行业进行产品检测。整个系统将包含多种测量项目，大部分测试都可以采用自动测量（使用程控测量测试设备）。然而，纹波噪声是一种特殊情况。很多电源企业仍然通过人工测量纹波噪声，极大地影响了生产效率。本文介绍的解决方案基于RIGOL程控数字示波器，能够快速、可靠地测量电源纹波。
波纹和噪音是什么意思
可以说任何直流电源都包含纹波和噪声，如图1所示：
A.噪声：通常我们用Vpp来表示噪声，即波形最高点和最低点的差值（Vpp值可以在示波器的自动测量功能中开启Vpp测量得到）；
B.纹波：纹波的产生主要是由于开关和整流过程。通常我们用RMS（均方根值）来表示纹波，一般用RMS射频电压表来测量（调整示波器的时基，在示波器的自动测量功能中打开平均值测量即可获得近似结果）。
图 2 是对开关电源的噪声和纹波的真实描述。
工程师经常看到术语 PARD（周期性和随机偏差），它本质上是指纹波和噪声。纹波和噪声信号的带宽一般分布在20Hz-20MHz之间，通过选择合适的电容可以滤除噪声。纹波滤波电容的效果不是很明显。
如何测量噪声和纹波
目前纹波和噪声的测量方法很多，业界还没有形成统一的标准。选择不同的测试方法自动测量设备，测试结果会有很大偏差。
从测试效果来看，采用下述方法得到的测试结果具有较高的可靠性。
A.示波器设置：设置探头输入比例为1:1；选择“AC”作为耦合模式；如果示波器输入带宽大于20MHz，开启示波器带宽限制功能。
B.探头选型：如图3所示，将探头原有的接地线改为接地弹簧；出厂测试线上可使用固定测试座，探头直接插入测试座。
C.测量：直接接触或尽可能靠近测试点。如果被测电源需要挂载，布线应尽量短，以减少被测系统从外部引入的噪声。测试结果也有很大影响。
自动测试系统
以一家生产电源模块的公司为例。主要生产一进一出的电源稳压模块。以公司某型号产品为例，被测元件为16-32V直流输入和20V DC-DC稳压直流输出。实测波形，纹波，峰峰值约为55mV，频率为255Hz，如图4所示。
在生产线上，每个器件都需要进行测试，在每个器件的测量过程中，多组数据（在16-32V之间变化）连接到器件的输入端，不同的电阻值也连接到输出端负载，所以有各种排列组合，每个组合的纹波都要测量，纹波的最大峰峰值要计算。如果手动进行测量，测试过程太复杂，测试时间长，当然生产效率也很低。所以自动测量系统是很有必要的。
图5是自动测量系统的框图。与示波器DS5000相关的主要是通过PC软件控制示波器以及PC软件与单片机之间的通信。以下部分详细介绍了框图各部分实现的功能。
1.输入源，在一定范围内可变电压的电压源（输出值可由电脑控制）
2.可变电负载，在一定范围内电阻可变的负载（电阻可由电脑控制）
3.DS5000，测量输出电压的纹波，通过电脑控制采集纹波峰峰值，并将采集的峰峰值上传到PC。
4.单片机，PC机接收单片机的测量命令，将DS5000上传的峰峰值通过PC机发送给单片机。并将结论显示给工人，并将结果反馈给PC。
5. PC，完成与各种测量设备的通讯，是自动测量系统的核心。
在测试过程中，输入源会有一组变化值，可变电负载会有一组变化值，所以会有多种组合，在每种组合下测量的器件输出电压纹波是 DS5000 需要做的是通过 PC 软件统计每个测量器件的最大纹波值，并将其反馈给单片机。程序如图6所示。
