罗德与施瓦茨示波器 FFT 功能在电源噪声分析中的应用

在现代电子设备中，电源作为关键组成部分，其输出的稳定性对设备性能有着决定性影响。电源噪声作为电磁干扰的一种，不仅会导致设备工作异常，降低信号的准确性和可靠性，还可能引发系统故障，影响设备的正常运行。罗德与施瓦茨示波器凭借强大的 FFT（快速傅里叶变换）功能，为电源噪声分析提供了高效、准确的解决方案，帮助工程师深入了解电源噪声的特性，定位噪声源，进而优化电源设计，提升设备的整体性能。

电源噪声的类型与特性
噪声类型
电源噪声按照传播方向，可分为从电源进线引入的外部干扰，以及由电子设备通过电源线向外传输的噪声。从形成特点来看，又可分为串模干扰和共模干扰。串模干扰发生在两条电源线之间，而共模干扰则是两条电源线相对于地面所产生的噪声。
噪声特性
电源噪声主要表现为高频信号，频率通常在 10kHz 至 30MHz 之间，最高可达 150MHz。其具有上升速度迅速、持续时间短暂、电压振幅大且随机性强的特点。这些特性使得电源噪声对微处理器和数字电路容易产生严重干扰，影响设备的正常工作。
罗德与施瓦茨示波器概述
罗德与施瓦茨作为先进的示波器制造商，其示波器产品具备诸多优势。以 R&S?RTP 高性能示波器为例，带宽覆盖 4GHz 至 16GHz，采样率达 40Gsample/s，存储深度每通道 3Gpoints，分辨率高达 16 位。这些参数确保了示波器能够精准捕获和分析高频、快速变化的信号。同时，示波器拥有快速的波形捕获率，在标准采集模式下，可实现高达一百万次的波形采集和测量，比同类产品快一千倍以上，这使得它能够快速发现偶发异常信号。此外，其独特的数字触发架构，结合实时去嵌功能，即使在激活信号修正的情况下，仍能实现高速采集运行和精确触发。
FFT 功能原理及优势
原理
FFT 是一种高效的算法，用于快速计算离散傅里叶变换（DFT）。其基本原理是将时域信号分解为不同频率的正弦波信号的无限叠加。数字示波器通过采样，将模拟信号转换为离散的数字序列，然后运用 FFT 算法，对这些数字序列进行变换，将时域信号转换到频域，从而获取信号的频率、幅值和相位等信息。
优势
相较于传统的时域分析方法，FFT 功能在电源噪声分析中具有显著优势。通过 FFT 变换，工程师可以直观地观察到电源噪声的频谱分布，快速确定噪声的主要频率成分，进而分析噪声的来源。此外，FFT 功能能够对复杂信号进行深入分析，有效解决时域分析难以处理的问题，大大提高了电源噪声分析的效率和准确性。
在电源噪声分析中的具体应用
传导发射测试
在开关电源设计流程结束时，传导发射测试是必不可少的环节。罗德与施瓦茨示波器的 FFT 功能在这一过程中发挥着重要作用。进行测试时，需要借助线路阻抗稳定网络（LISN）将被测设备从外部电源中解耦出来。LISN 的同轴输出通过同轴电缆连接至示波器，同时将示波器的输入阻抗激活为 50Ω，以确保正确匹配。接下来，在示波器上激活 FFT 功能，配置最小频率、最大频率以及分辨率带宽，并调整时域窗口的垂直灵敏度，防止输入通道过载。在被测设备断电的情况下进行参考测量，获取装置的噪声基底。然后再次接通电源进行测量，并根据已知的传导发射限值对被测设备进行验证，同时考虑 LISN 造成的额外衰减。
定位噪声源
在电源设计过程中，准确找到噪声源至关重要。以某单板调试为例，当发现一个网络的电源噪声达到 80mV，超过器件要求时，工程师首先采用传统方法，在该网络上增加去耦电容，但纹波改善效果甚微。此时，借助示波器的 FFT 功能对电源噪声进行分析。通过 FFT 变换，发现电源噪声的主要能量集中在 11.3KHz 左右，并以该频率为基波频率谐振。据此推断，该 PDN 网络在 11.3KHz 处的阻抗不能满足要求，而此频段通常属于电源调整模块（VRM）的管辖范围，说明 VRM 电路设计存在问题。通过对 VRM 反馈环路波特图的分析，发现其穿越频率太低，相位裕度稍小。经过优化 VRM 环路，将相位裕度调整到 50 度，穿越频率推到 46KHz 左右，纹波明显降低到 33mV，满足了器件要求。
精确测量电源噪声
随着芯片电源电压的降低和频率的提高，对电源噪声测试的准确性提出了更高要求。罗德与施瓦茨的 R&S MXO5 和 MXO4 系列示波器，带宽最大 2GHz，采用 12bit 位数的 ADC（HD 模式下，分辨最低可达 18bit），示波器底噪在百 uv 级别，垂直刻度挡位最小可达 0.5mv/div。搭配专门的 Power Rail 电源轨探头 RT - ZPR20（2GHz）/RT - ZPR40（4GHz），不仅在 2GHz/4GHz 带宽内具备 1：1 的衰减比，能够测试到 GHz 带宽 mv 级别的电源噪声，而且探头具有 50kohm 的高直流输入阻抗，可最大程度降低对待测电源的影响。此外，探头内置 ±60V 的偏置能力，集成 16 位数字电压计，可同步读取被测电源的直流电压数值，并一键精准设置测试系统的偏置电压。在实际测试中，将探头连接到测试点，通过内置电压计测得电源电压，设置好偏置电压和示波器垂直刻度，即可测得电源噪声波形。对噪声波形进行 FFT 分析，得到电源噪声频谱，从而根据噪声频率分析噪声来源。

罗德与施瓦茨示波器的 FFT 功能为电源噪声分析提供了全面、高效的解决方案，在传导发射测试、噪声源定位以及精确测量电源噪声等方面发挥着重要作用。随着电子技术的不断发展，对电源质量的要求将越来越高，电源噪声分析也将面临更多挑战。未来，罗德与施瓦茨有望进一步优化示波器的 FFT 功能，提升其性能和易用性，为工程师提供更强大的工具，助力电子行业的持续发展。

审核编辑 黄宇