1 利用PicoScope示波器監(jiān)控電源過程中出現(xiàn)的異常干擾問題

下圖1和圖2所示為使用英國比克科技(Pico Technology)的PicoScope 5444D示波器測試一個1.0V電源的連接示意圖：示波器硬件通過USB 3.0線纜與電腦相連接，示波器軟件PicoScope 6運行在PC上，USB 3.0線纜起到通過電腦的USB口為示波器供電以及將示波器硬件采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X端的作用。PicoScope 6軟件對示波器硬件部件采集到的數(shù)據(jù)進行顯示、測量、分析。

圖1 PicoScope 5444D電源測試連接實物圖

圖2 PicoScope 5444D電源測試連接示意圖

為了實現(xiàn)長時間的監(jiān)控，我們使用了PicoScope 6軟件中的Mask Limit Testing(模板限定測試)+Alarm(警報)的組合調(diào)試監(jiān)控功能。

PicoScope 6軟件中的模板限定測試功能專為生產(chǎn)和調(diào)試環(huán)境打造，可實現(xiàn)將實時采集的信號與已知的良好或者標(biāo)準(zhǔn)信號進行比對，以確定實時采集的信號是否符號規(guī)格要求或者是否有偶發(fā)的異常干擾。起初只需捕獲一個已知的良好信號，以其為標(biāo)準(zhǔn)自動生成一個模板圍繞它，然后使用警報(Alarm)功能自動發(fā)現(xiàn)并保存任何觸碰了模板的波形。

基于模板限定測試和警報功能，PicoScope 6將捕獲任何偶發(fā)故障并在“測量”窗口中顯示故障的數(shù)量(仍然可以將其用于其它參數(shù)的測量)。用戶還可以設(shè)置波形緩沖區(qū)導(dǎo)航器僅顯示觸碰模板的波形，從而能夠快速查找和定位任何形式的故障。模板文件易于編輯(通過調(diào)整數(shù)字坐標(biāo)的方式或以拖動圖形的方式)、導(dǎo)入和導(dǎo)出、以及用戶可以在多個通道上同時運行模板限定測試功能進行多個通道的波形異常監(jiān)控。

圖3 PicoScope 6中的模板限定測試和警報功能

基于警報(Alarm)功能，用戶可以對PicoScope 6進行編程，以在發(fā)生某些事件時執(zhí)行操作。可以觸發(fā)警報的事件包括模板限定測試失敗、觸發(fā)事件發(fā)生和緩沖區(qū)滿。PicoScope 6的動作包括保存文件、播放聲音、執(zhí)行程序以及觸發(fā)示波器標(biāo)配的任意波形發(fā)生器產(chǎn)生所需要的波形。

下圖4、5所示即為使用PicoScope 5444D和PicoScope 6軟件采集監(jiān)控的1.0V電源示意圖，如果電源波形因某種原因產(chǎn)生了波動從而觸碰了藍色模板，軟件下方的測量窗口會統(tǒng)計出失敗的次數(shù)同時觸碰模板的那一幀波形將被自動保存下來。

圖4 PicoScope 5444D采集監(jiān)控1.0V電源(使用模板限定測試功能)

圖5 PicoScope 5444D采集監(jiān)控1.0V電源(使用模板限定測試功能，圖4的局部放大圖)

經(jīng)歷一段時間的監(jiān)控后，示波器監(jiān)測到了兩個相似的觸碰模板的異常，如圖6所示，因為該異常事件是過了很久才出現(xiàn)，推測可能來自于臨近電路或者電子設(shè)備的突然開啟可能導(dǎo)致的干擾。而這樣的干擾可能來自于空間輻射干擾也可能來自于傳導(dǎo)干擾。

為了查找源頭，我們關(guān)閉模板限定測試模式，查看當(dāng)前信號的情況，尤其是是否存在一些有規(guī)律的頻譜分量，于是我們打開PicoScope 6軟件的頻譜采集模式，對當(dāng)前狀態(tài)下的1.0V電源信號做FFT頻譜分析，分析結(jié)果如下圖7所示，示波器設(shè)置為DC耦合，+/-2V量程范圍，我們看到頻譜中有些明顯的350KHz左右的頻譜分量，而且還存在該頻率的二倍頻、三倍頻等分量，雖然幅度不高，但這個信息給了我們很重要的線索。

根據(jù)經(jīng)驗，幾百KHz的干擾信號一般來自于開關(guān)電源。首先，我們要先排除那些一直運行的電路板或者電子設(shè)備，而重點關(guān)注查找那些在測試過程中新開啟的設(shè)備，因為開關(guān)電源在開啟的瞬間產(chǎn)生的干擾一般會具有更大的幅度。逐一切斷新接入的電子設(shè)備的電源，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)被測設(shè)備附近的一臺臺燈的電源斷開后，1.0V電源的頻譜出現(xiàn)了變化，如下圖8所示，350KHz左右的噪聲消失了。

圖6PicoScope 5444D示波器在電源監(jiān)控過程中捕獲到的異常脈沖

圖7 干擾源存在時的電源頻譜

圖8 干擾源關(guān)閉時的電源頻譜

至此，基本可以推斷電源監(jiān)控過程中的偶發(fā)干擾來自于臺燈內(nèi)的開關(guān)電源，在其加電開啟的瞬間產(chǎn)生了較大幅度的干擾。基于此分析，再次采集臺燈加電瞬間的電源波形，并用觸發(fā)的方式捕獲可能的較大幅度的干擾信號，我們順利的反復(fù)采集到明顯的干擾信號疊加在電源信號上，如圖9所示。

圖9 干擾源電源開啟瞬間產(chǎn)生的干擾脈沖

2 判別干擾是來自于輻射干擾還是傳導(dǎo)干擾

在EMC/EMI領(lǐng)域中，一般將干擾根據(jù)其傳輸方式分為兩種，一種是輻射干擾，另外一種是傳導(dǎo)干擾。輻射干擾是指電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號通過空間耦合把干擾信號傳給另一個電網(wǎng)絡(luò)或電子設(shè)備。傳導(dǎo)干擾一般是通過電壓或電流的形式在電路中進行傳播的。

在上述測試中，我們已經(jīng)查找到了干擾源，弄清干擾是通過輻射的方式還是傳導(dǎo)的方式對被測設(shè)備包括測試儀器施加了影響將有利于我們找到解決問題的方案。如果是輻射耦合，那么干擾源與被測系統(tǒng)的距離會對干擾信號的強度帶來影響。

由于正常情況下(非切換狀態(tài))干擾信號的強度往往會比較微弱，所以我們將示波器設(shè)置為AC耦合，量程設(shè)置為+/-100mV，來觀察1.0V電源紋波中干擾信號的情況。我們分別分析三種情況下的時域和頻域波形：測試系統(tǒng)與干擾源(臺燈)距離5cm、測試系統(tǒng)與干擾源(臺燈)距離3m、切斷臺燈電源。

實驗結(jié)果如下圖10~15所示，我們可以看出測試系統(tǒng)(示波器+探頭+被測設(shè)備)距離干擾源5cm左右時，在時域明顯可見幾十mV的干擾噪聲，在頻域則能清楚的看到在350KHz左右位置有明顯的頻譜峰值(局部放大觀察);當(dāng)測試系統(tǒng)距離干擾源3m左右時，在時域可見幾mV的干擾噪聲，在頻域350KHz位置干擾信號已經(jīng)基本消失不見;而當(dāng)我們完全切斷干擾源(臺燈)電源后，在時域波形上已經(jīng)基本看不到干擾信號的蹤跡，而頻域波形和3m距離時的差異不大。這組實驗結(jié)果也給予我們一個啟示，即從多角度多視角(如頻域和時域)進行問題的分析對問題的發(fā)現(xiàn)和解決是很有幫助的。

圖10 測試系統(tǒng)、干擾源5cm間距電源時域波形

圖11 測試系統(tǒng)、干擾源5cm間距電源頻域波形

圖12 測試系統(tǒng)、干擾源3m間距電源時域波形

圖13 測試系統(tǒng)、干擾源3m間距電源頻域波形

圖14 干擾源關(guān)閉后電源時域波形

圖15 干擾源關(guān)閉后電源頻域波形

同時，根據(jù)圖1的連接示意圖，我們知道PicoScope 5444D示波器是和筆記本電腦通過USB 3.0線纜相連接的，即PicoScope 5444D示波器是和PC共地的，被測設(shè)備使用兩芯電源供電，其參考地是通過探頭的接地線與示波器共在一起，如果PC的地平面上因其它電子設(shè)備的接入而產(chǎn)生地彈噪聲，就可能會影響到示波器、被測設(shè)備的參考地，從而引發(fā)干擾，為了判別是否有這方面的干擾存在，我們嘗試了斷開筆記本電腦的外接電源，使得測試系統(tǒng)與干擾源供電系統(tǒng)實現(xiàn)物理隔斷，實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)干擾源(臺燈)正常工作時，筆記本是否外接電源，測試結(jié)果幾乎沒有明顯變化，當(dāng)干擾源突然加電的瞬間，會有比較微小的變化。

上述實驗結(jié)果表明，此次電源測試過程中的干擾源主體是通過輻射干擾對測試系統(tǒng)進行影響的。只要關(guān)閉干擾源，或者遠離干擾源即可得到可靠的測試結(jié)果。

3 結(jié)論

干擾無處不在，在電子設(shè)備調(diào)試、測試過程中需要時刻警惕干擾信號對我們的系統(tǒng)和測試結(jié)果的影響。作為工程師，我們需要有一些必備的工具(如示波器)和基本的技巧和經(jīng)驗來發(fā)現(xiàn)、定位、分析干擾信號，從而提出對癥的解決方案。

如下為幾點經(jīng)驗總結(jié)：

1)測試時盡可能的關(guān)閉附近的電子設(shè)備，或者至少不要切換附近電子設(shè)備的狀態(tài);

2)如果測試時使用的探頭連線比較長，也需要注意理順，避免一圈一圈的重疊環(huán)繞在一起從而有利于拾取更多的空間輻射噪聲;

3)使用質(zhì)量可靠的插線板，盡量避免測試系統(tǒng)與很多其它電子設(shè)備公用一個插線板;

4)特別留意整個系統(tǒng)包括測試設(shè)備、被測物、其它電子設(shè)備的參考地、安全地之間的連接關(guān)系和路徑，通過合理安排和設(shè)計接地、共地、參考地隔離來減少電子設(shè)備之間的傳導(dǎo)耦合干擾;

5)當(dāng)前的測試設(shè)備都已經(jīng)智能化，有很多優(yōu)秀的工具能夠幫助工程師快速的發(fā)現(xiàn)、定位和分析問題，如本文提到的PicoScope示波器中的模板限定測試功能、警報功能、時域和頻域分析功能等。其實還有很多高級觸發(fā)工具，也是查找定位異常問題的利器，多掌握些這樣的工具和使用技巧對硬件調(diào)試和測試將大有裨益。