模拟示波器使用中的干扰处理

longshort

　　这个题目有点大，本意是想说明在模拟示波器屏幕上观察到的一些干扰情况，如何去鉴别和剔除它。由于是本人经验所限，目的仅在于抛砖引玉。

　　我使用的示波器是红华5020（COS5020），Y通道带宽20MHz，X通道最大扫速0.2uS每格。对于一般的测试可以满足基本需要了。

　　如何使用就不赘述了，就谈谈探头的问题和干扰的判别与处理。

　　常规的探头为使用上方便起见，探头的接地线都比较长。将接地线的鳄鱼夹与探头钩子咬住短接后，形成了一个拾波环，如图：



　　如果用这种常规探头去测试电路，会感应到一定的外部噪声，这样显示出来的波形可能引起误判，如：



　　X轴为2mS/div，Y轴上为5mV/div，下为500mV/div。
　　感应到的噪声达到1.5mVp-p：


　　而接成拾波环的探头接触任何一个金属的裸露部分，


　　显示的噪声波形也超过了1.5mVp-p：


　　用短路的探头直接触碰交流电源线的地线时，出现了较强的干扰波形：


　　其中，X轴为10mS/div，Y轴为10mV/div；图中地线干扰竟然有20mVp-p，且与工频频率同步。触碰零线和火线的干扰波形还要强，峰峰值大于1V，就不用照片记录了。

　　显然，这类干扰都未经放大而直接以共模的形式蹿进来了。

longshort

为了解决这类感应性干扰问题，另外做了几根较低感应的测试线探头：




这是用于5.08mm接线端子的探头，用的是两根1mm直径的镀银铜线：




用于排针的杜邦探头测试线：




用于接线柱的接线片探头：




用低感应探头测试电路：




显然，扫描线干净多了：

longshort

　　有了以上的基础，我们就可以开始着手对噪声进行判定和甄别了。

　　以我的高压扩展插件为例。在总的输出噪声中，可由三部分内容组成：电源交流噪声、高压纹波噪声、尖峰噪声。

　　电源交流噪声就是电源纹波：




　　高压扩展输出中的噪声如下：



　　其中X轴为5µS/Div，Y轴为5mV/Div。尖峰值为45mVp-p。在图中，我们可以找到周期为16.6uS的60KHz尖峰脉冲、波形随60KHz方波整流后形成的波动、叠加在这个波动上的基本等幅的高频率干扰。

　　等幅的高频率干扰可以确定不是由本机产生，因此在查看这种波形的时候，取它峰峰值的中心点作为基线的电平值，例如图中尖峰脉冲右边的第一个波动底部中点约在下格线下面的半个分度，而波动顶部中点约在下格线以上约2.5个分度的位置，两者之差是3个分度，即3mVp-p。但干扰峰峰值本身已经超过了5mVp-p，按常理是难以区分出来的。

　　这样，我们就将高压扩展输出中的噪声大体甄别了出来。

　　当所有显著的噪声都被处理了以后，还会有不显著的噪声需要甄别，如下图：



　　我的示波器在聚焦良好的情况下，屏幕中心部位的扫描线宽度在无信号时为0.2分度，对于5mV/div的标度，就是占了0.2mV的基底空间，并且由于扫描线的形成是匀速且未调制的，所以可以将它看成是一个0.2mV的直流分量。
　　照片中的上部曲线宽度达到0.4分度，即0.4mVp-p，可以认为有微小的干扰叠加在直流分量上，于是可以将这个直流分量直接减去而不必计权。现在可以得到的微小干扰的幅度是0.2mVp-p。

longshort

　　现在可以计算总的输出噪声了。

　　对于尖峰脉冲形成的尖峰噪声，脉冲宽度只有100nS，在使用了尖峰吸收回路后的幅度为45mVp-p。考虑尖峰脉冲由开关切换形成，在两次切换之间没有其它的尖峰，因此取样周期取为500nS，即60KHz周期的1/32，于是我们得到尖峰噪声的有效值约为45mVp-p/32/6=0.2344mVrms。

　　对于尖峰之间由整流形成的方波纹波，按前面的甄别方法得到的值是3mVp-p，于是其有效值为3mVp-p/4=0.75mVrms。

　　对于基线上叠加的微小噪声，按前面的甄别方法得到的值是0.2mVp-p，则有效值约为0.2/6=0.033mVrms。

　　电源产生的纹波噪声，经补偿后的峰峰值是0.35mVp-p；由于波形是非正弦的且突起部位较少，其有效值大约为0.35/6=0.0583mVrms。

　　总的输出噪声大约是：
　　　　　　　　  ________________________________________
　　　　　　　　√(0.2344mV)²+(0.75mV)²+(0.033mV)²+(0.0583mV)²≈0.789mVrms


　　使用模拟示波器查看波形，并且从波形中判读和甄别噪声的种类与大小，而不必使用那些自适应滤波器之类的高精尖设备，通过简单方法和成熟技术即可达到目的，是这种技术手段的魅力之处。

风之澜

电子爱好者有了示波器确实如虎添翼，
要是再有个BODE图示仪那就不得了啦
听说那家伙巨贵！

帅的不行

好贴。我的示波器在测量信号时经常有50Hz市电干扰，还超强，有时候比振荡信号还强，都不知道怎么处理了。

帅的不行

一直以为探头就那么长点线，就算构成环路感应市电干扰，幅度也不会太大，没想到啊。

帅的不行

不过有时候需要测量的信号点位置与地线有一段距离，这时候不可避免的构成回路形成干扰，不知道有啥好办法可以减轻这种干扰。

longshort

不过有时候需要测量的信号点位置与地线有一段距离，这时候不可避免的构成回路形成干扰，不知道有啥好办法可 ...
帅的不行 发表于 2011-11-24 10:30

确实是非常难，不过在低频情况下测量还是容易解决的，至少可以无须考虑电缆阻抗，否则那就只好在屏蔽室里操作了，不过咱们自己可是没那个条件啊。
信号点离地线远的话测量确实有些困难，这就需要在设计时考虑到这个问题。

帅的不行

接地点也不是随处都有，接地点和信号点有距离是常态，看来需要搞个金属盒子，把电路放里面封闭起来，模拟屏蔽室。哈哈。

pussydoggy

十分感谢楼主的心得体会！！

shj117

先记号，慢慢看，谢谢

lkfherman

感谢分享好经验 好资料！

laokai

学习了，多谢楼主分享

JHXC

楼主细心严谨！

实践中类似这种情况在仪器上都会有不同的表现，有的甚至令测试失败。