探頭的GND和信號兩個探測點的距離過大圖一:示波器DC的量化誤差示波器存在量化誤差,實時示波器的ADC為8位,把模擬信號轉(zhuǎn)化為2的8次方(即256個)量化的級別,當(dāng)顯示的波形只占屏幕很小一部分時,則增大了量化的間隔,減小了精度,準(zhǔn)確的測量需要調(diào)節(jié)示波器的垂直刻度(必要時使用可變增益),盡量讓波形占滿屏幕,充分利用ADC的垂直動態(tài)范圍。在圖一中藍色波形信號(C3)的垂直刻度是紅色波形(C2)四分之一,對兩個波形的上升沿進行放大(F1=ZOOM(C2), F2=ZOOM(C3)),然后對放大的波形作長余輝顯示,可以看到,右上部分的波形F1有較多的階梯(即量化級別),而右下部分波形F2的階梯較少(即量化級別更少)。如果對C2和C3兩個波形測量一些垂直或水平參數(shù),可以發(fā)現(xiàn)占滿屏幕的信號C2的測量參數(shù)統(tǒng)計值的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于后者的。說明了前者測量結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性。
通常測量電源噪聲,使用有源或者無源探頭,探測某芯片的電源引腳和地引腳,然后示波器設(shè)置為長余輝模式,最后用兩個水平游標(biāo)來測量電源噪聲的峰峰值。這種方法有一個問題是,常規(guī)的無源探頭或有源探頭,其衰減因子為10,和示波器連接后,垂直刻度的最小檔位為20mV,在不使用DSP濾波算法時,探頭的本底噪聲峰峰值約為30mV。以DDR2的1.8V供電電壓為例,如果按5%來算,其允許的電源噪聲為90mV,探頭的噪聲已經(jīng)接近待測試信號的1/3,所以,用10倍衰減的探頭是無法準(zhǔn)確測試1.8V/1.5V等小電壓。在實際測試1.8V噪聲時,垂直刻度通常為5-10mV/div之間。
另外,探頭的GND和信號兩個探測點的距離也非常重要,當(dāng)兩點相距較遠,會有很多
圖二:探頭上的信號電流回路 EMI噪聲輻射到探頭的信號回路中(如圖二所示),示波器觀察的波形包括了其他信號分量,導(dǎo)致錯誤的測試結(jié)果。所以要盡量減小探頭的信號與地的探測點間距,減小環(huán)路面積。
圖三:力科PP066探頭示意圖對于小電源的電壓測試,我們推薦衰減因子為1的無源傳輸線探頭。使用這類探頭時,示波器的最小刻度可達2mV/div,不過其動態(tài)范圍有限,偏移的可調(diào)范圍限制在+/-750mV之間,所以,在測量常見的1.5V、1.8V電源時,需要隔直電路(DC-Block)后再輸入到示波器。
如圖三為力科PP066探頭,該探頭的地與信號的間距可調(diào)節(jié),探頭的地針可彈性收縮,操作起來非常方便。通過同軸電纜加隔直模塊后連接到示波器通道上。
也可以把同軸電纜剝開,直接把電纜的信號和地焊接到待測試電源的電源和地上。在圖四中把SMA接頭的同軸電纜的一段剝開,焊接到了電腦主板的DDR2供電的1.8V上面,測量其電源噪聲。
圖四:測量某電腦主板DDR2的1.8V的電源噪聲
在準(zhǔn)確測量到電源噪聲的波形后,可以計算出噪聲的峰峰值,如果電源噪聲過大,則需要分析噪聲來自哪些頻率,這時,需要對電源噪聲的波形進行FFT,轉(zhuǎn)化為頻譜進行分析。FFT中信號時間的長度決定了FFT后的頻譜分辨率,在力科示波器中,支持業(yè)界最大的128M個點的FFT,能準(zhǔn)確定位電源噪聲來自于哪些頻率(其頻譜分辨率是同類儀器的40倍以上)。
圖五:測量某3.3V的電源噪
如圖五所示為某光模塊的3.3V電源的噪聲。其噪聲的頻譜最高點的頻率為311.6KHz。這個光模塊輸出的1.25Gbps光信號的抖動測試中發(fā)現(xiàn)了同樣的312KHz的周期性抖動。在圖六中可以看到,把1.25G串行信號的周期性抖動分解后(Pj breakdown菜單),發(fā)現(xiàn)312KHz的周期性抖動為63.7皮秒,在眼圖中也明顯可以觀察到抖動。通過這個案例說明,電源噪聲很可能導(dǎo)致一些高速信號的眼圖和抖動變差。對電源噪聲進行頻譜分析,能有效定位噪聲的來源,指引調(diào)試的方向。
在使用示波器測量電源噪聲時,為了保證測量精度,需要選擇足夠的采樣率和采集時間。
推薦采樣率在500MSa/s以上,這樣奈科斯特頻率為250M,可以測量到250MHz以下的電源噪聲,對于目前最普及的板級電源完整性分析,250M的帶寬已足夠。低于這個頻率的噪聲可以使用陶瓷電容、PCB上緊耦合的電源和地平面來濾波。而高于這個頻率的只能在封裝和芯片級的去耦措施來完成了。
波形的采集時間越長,則轉(zhuǎn)化為頻譜后的頻譜分辨率(即delta f)越小。通常我們的開關(guān)電源工作在10KHz以上,如果頻譜分辨率要達到100Hz的話,至少需要采集10ms長的波形,在500MSa/s采樣率時,示波器需要500MSa/s * 10 ms = 5M pts的存儲深度。
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