直流穩定電源穩壓輸出周期和隨機偏差的測量方法

/上海市計量測試技術研究院

0 引言

依據JJF 1597-2016《直流穩定電源校準規范》，對直流穩定電源及具有直流穩定電源輸出功能的裝置及儀器進行校準時，周期和隨機偏差（periodic and random deviation）的測量是必不可少的計量指標。本文基于該校準規范，分析了規范中采用的計量工具的要求及周期和隨機偏差的測量方法，為直流穩定電源的校準工作提供了一種技術方法。

1 周期和隨機偏差的定義與描述

JJF 1597-2016中對周期和隨機偏差定義為在全部影響量和控制量均保持恒定時，在規定的帶寬范圍內，一個直流輸出量對其平均值的周期和隨機偏差[1]。

直流穩定電源輸出直流電壓信號時，不可避免因為交流供電電源經過整流、濾波、穩壓的過程令直流電壓信號中伴隨著圍繞其上下波動的周期偏差，又稱紋波。紋波的產生主要與工頻供電電源相關，其頻率一般為供電頻率的整數倍。采用開關電源方式整流的直流穩定電源因為整流過程中伴隨著斬波倍頻，引入了高頻開關噪聲，一般來說其輸出直流電壓信號中紋波較大[2]。

在溫度高于絕對零度時，熱能引起的電子運動會讓導體產生熱噪聲[3]。所有的穩定電源都具有內阻，因此，所有的直流穩定電源輸出的直流電壓信號中毫無例外地帶有無規律的隨機偏差，即噪聲。

一般很難將直流穩定電源輸出的直流電壓中周期偏差和隨機偏差嚴格定量地區分開，即一般對直流穩定電源校準時，紋波與噪聲通常放在一起測量，在指定的頻率帶寬內，用交流峰峰值或交流有效值來描述。

2 周期偏差和隨機偏差的測量

依據JJF 1597-2016中直流穩定電源的技術指標，穩壓輸出周期偏差和隨機偏差交流有效值一般在：200 μV ～ 10 V（20 Hz～ 20 MHz），穩壓輸出周期偏差和隨機偏差交流峰峰值在 ：1 mV～50 V（20 Hz～ 20 MHz）[1]。JJF 1597-2016 提出了真有效值電壓表、寬頻電壓差分探頭、數字示波器（以下簡稱示波器）等作為周期偏差和隨機偏差的測量設備。

如圖1所示，將直流穩定電源與測量設備連接，并確保所有的測量設備接入同一個電源插座。設置并調節直流穩定電源及負載，令直流穩定電源處于額定功率下工作。從示波器或真有效值電壓表上直接讀取周期偏差或隨機偏差的峰峰值與有效值。（使用寬頻電壓差分探頭進行分壓時，需要根據分壓系數將讀取的電壓峰峰值或有效值換算成為實際值。）

圖1 直流穩定電源穩壓輸出周期偏差和隨機偏差的測量

然而，在實際應用中，常見的真有效值交流電壓表通常難以滿足JJF 1597-2016中的要求，如表1所示。

表1 常見的真有效值數字多用表技術指標

從表1中可知，工業計量中廣泛應用的6位半數字多用表34401A在用于測量直流穩定電源穩壓輸出周期偏差及隨機偏差時，無法滿足其測量帶寬的要求。在校準過程中，因為頻率響應帶寬不足，會產生測得電壓信號偏小的情況。

即使采用目前世界上較先進的8位半數字多用表3458A與8508A，其帶寬仍然滿足不了JJF 1597-2016中帶寬最大20 MHz的要求。此外，鑒于真有效值交流電壓表及數字多用表的特性，只能測得電壓信號的交流有效值，無法直接測得峰峰值。

綜上所述，在實際應用中，嚴格意義上無法采用數字多用表直接讀取示值的方法來測量直流穩定電源穩壓輸出的周期偏差和隨機偏差。基于現有的技術水平，采用示波器是作為測量直流穩定電源穩壓輸出的紋波與噪聲較為合適的測量儀器。

使用示波器測量直流穩定電源穩壓輸出的紋波與噪聲時，考慮到示波器的實際測量帶寬一般小于其標稱帶寬，因此，應選擇帶寬大于20 MHz的示波器作為測量工具[4]。

3 使用示波器測量直流穩定電源穩壓輸出周期偏差與隨機偏差的注意事項

以一臺常見示波器（泰克TDS3032C，帶寬為300 MHz）為例，具體論述使用示波器測量直流穩定電源穩壓輸出周期偏差與隨機偏差的注意事項。

按圖1所示連接示波器與直流穩定電源，這里需要注意的是示波器探頭的阻抗匹配，示波器內部設置探頭阻抗為1 MΩ時，必須搭配相同輸入阻抗的示波器探頭。當示波器探頭阻抗為10 MΩ時，必須修改示波器內部的增益系數為10，以此類推。

然而，經過多次試驗得知，采用阻抗為10 MΩ的示波器探頭時，示波器最大單格縱向分辨力為每格10 mV，此時示波器本底噪聲在毫伏級，無法測量毫伏級別的紋波峰峰值。故使用無源探頭時，必須采用阻抗不超過1 MΩ的示波器探頭，此時示波器最大單格縱向分辨力不小于每格1 mV，本底噪聲在數百微伏級，基本滿足校準的要求。

此外，仍然值得注意的是，目前市場上大部分示波器無源探頭所標稱帶寬為其增益最大檔位時的帶寬，例如通用示波器無源探頭P2200有增益切換檔位如×1、×10，其標稱最大帶寬200MHz為檔位位于×10，即10 MΩ時的帶寬，在×1檔位，即1 MΩ時，其帶寬僅為6 MHz。故必須依據規范中要求和探頭的技術指標，合理地選擇與示波器搭配的探頭。經過認真篩選，常見滿足測量要求的示波器無源探頭如表2所示。

圖2 直接使用示波器無源探頭測量得的紋波與噪聲

表2 滿足直流穩定電源穩壓輸出紋波與噪聲測量要求的示波器無源探頭常見型號

在測量過程中，示波器應設置為交流耦合，最大單格縱向分辨力（每格1 mV）；設置帶寬為20 MHz，高頻抑制模式，部分帶有數字濾波器功能的高級示波器可直接設置截止頻率為20 MHz。

特別要注意的是示波器無源探頭在測量時，應拆去掛鉤探針與接地鱷魚夾，使用接地彈簧探針接入直流穩定電源穩壓輸出的低端。因為在測量高頻交流電壓信號時，過長的導線引線會起到類似于天線的功能，引入高頻干擾信號[5]。如圖2、圖3所示，同一直流穩定電源在額定負載下，使用同一示波器以不同探頭接線方式測得的紋波與噪聲，可以直接觀察到不同的接線方式帶來的干擾信號影響測量結果。

另外，有源差分探頭具有帶寬大，共模抑制比高等特點，同樣可以作為直流穩定電源穩壓輸出周期偏差和隨機偏差的有力測量工具。在使用有源差分探頭時，要特別注意探頭所能承受的最大輸入電壓是否大于測量時的電壓。因有源差分探頭輸入電壓遠小于無源探頭，且需要搭配支持有源差分探頭的示波器，在電源紋波與噪聲測試場合使用較少，采用無源探頭即可滿足大部分計量的需求，本文對其不做過多的介紹。

圖3 使用接地彈簧探針的無源探頭測量得的紋波與噪聲

4 結語

對直流穩定電源穩壓輸出周期偏差和隨機偏差的測量是校準直流穩定電源過程中的重要環節，依據本文提出的使用無源探頭與示波器的測量方法，嚴格依據校準規范，合理選擇測量儀器，基本可以滿足常見的計量需求。