數字示波器電源噪聲測量中的陷阱分析之RF干擾-云帆興燁

當前的電路和系統使用1.2V甚至更低的供電電壓運行，即使微小的電壓變化也會產生誤碼、抖動、錯誤切換以及與瞬態相關的問題，非常難以解決。

測量供電電壓上的噪聲似乎是一項非常簡單的工作，然而，存在一些測試陷阱可能會導致測量結果錯誤。今天讓我們來分析噪聲測量中經常面度的一個挑戰：RF干擾。我們將展示RF干擾對電源噪聲測量的影響，并介紹一種有效的減輕這種影響的方法。

但在我們討論這個問題之前，讓我們先去了解示波器的功能和限制，有了這些知識，可以更好地預測產生的測量結果。

如果我們談論噪聲測量，特別是測試低電平信號的噪聲時，我們首先要知道數字示波器的本底噪聲。前端放大器產生多少固有噪聲？圖1中力科HDO8108A的噪音極低，約為145μV。

以力科HDO8108A數字示波器（圖1）為例，該示波器提供1 GHz帶寬，8個模擬輸入通道和12位垂直分辨率。它也是我們接下來用于測量演示的工具?？梢酝ㄟ^簡單地將輸入通道接地來觀察儀器的內部放大器噪聲，結果如圖2所示，受益于HDO的垂直分辨率，我們可以獲得非常精確的測量結果。

還要記住，有多種方式可以用來度量噪聲：RMS值和標準偏差（圖3），前者包含DC偏置，而后者在計算RMS之前從每個測量電壓中減去平均值（平方和的平方根），因此，標準偏差是噪聲變化的更真實的度量。

從圖3中得知圖2中測試到的示波器本底噪聲的標準偏差是145 μV, 現在我們已經了解了HDO8108A在噪聲測量方面的能力。

現在，讓我們做一個最簡單的電源電壓測量實驗：1.5 V電池?？紤]到電池內發生的電化學反應，以及由于探測引起的一點電流消耗，我們預測電壓可能會有一些噪聲。我們將電池放在一個盒子中，將引線連接到它，然后將它們連接到示波器中，屏幕上的結果令人驚訝（圖4）。

在圖4的頂部是測量到的電池噪聲（粉紅色，Ch2），下面是作參考的示波器本底噪聲（黃色，Ch1），兩者使用相同的垂直標度，可以看到電池電壓噪聲很大，比我們預期的要大很多。測量的平均電壓為1.56 V，Sdev：3mV ,噪聲峰峰值為33 mV。

不僅如此，而且噪聲中似乎還有一些相當高頻的成分，并且具有某種周期性。我們將示波器的水平時基設置為20μV/ div，設置采樣率為最大10 GS / s。確保捕獲示波器能夠捕獲的所有高頻信息。

使用HDO8108A數字示波器的頻譜分析功能，可以進行相互確認，即在頻域中查看此信號（圖5）。從頂部的全頻譜圖可以看出，噪聲頻帶確實是非常寬，到了示波器的1 GHz全帶寬，還沒有任何消失的跡象。

圖5的底部是頻譜的前100 MHz的放大圖，噪聲中有明顯的峰值，它幾乎從15 MHz開始，接著是30 MHz，45 MHz，依此類推，這無疑是電池信號上的人為RF噪聲。

還要注意，頻譜分析中顯示出的奇怪現象：偶次諧波，這只有在噪聲源失真的情況下才會發生，波形在一個周期內反對稱。因此，我們的噪聲源可能是占空比失真的時鐘，或者其脈沖中的上升和下降時間不對稱，但是高次諧波比1 / f下降得更慢，噪聲源可能更像是一堆脈沖。

因此，明顯的補救措施是為1.5V電池提供一些屏蔽, 在將其小心地包裹在鋁箔中之后，重復測量，結果發現噪聲頻譜與第一次測量的噪聲頻譜幾乎完全相同。

我們仔細觀察屏蔽電池和外殼，注意到：只有同軸電纜的中心導體與箔片接觸，同軸電纜的屏蔽層沒有，它是浮著的。當然，只有屏蔽連接到儀器的返回路徑，屏蔽才真正有效。由于這個同軸電纜屏蔽層與電池周圍的箔片斷開，因此RF噪聲不會被屏蔽，將完全被傳輸到信號線。

所以再試一次，這次將同軸電纜的屏蔽層連接到鋁箔上,如圖6底部所示，差異是很明顯的。噪聲從-60 dBm變為-100 dBm，相當于減少了4倍。

作為最后的確認，將正確屏蔽的電池噪聲與示波器基底噪聲的測量結果進行比較（圖7）。那是Ch1（黃色）是示波器基底噪聲和Ch2（粉紅色）是電池噪聲，它們實際上是相同的，事實上，電池的噪聲要低于示波器的本底噪聲。