利用PicoScope示波器监控电源过程中出现的异常干扰问题

1 利用PicoScope示波器监控电源过程中出现的异常干扰问题

下图1和图2所示为使用英国比克科技(Pico Technology)的PicoScope 5444D示波器测试一个1.0V电源的连接示意图：示波器硬件通过USB 3.0线缆与电脑相连接，示波器软件PicoScope 6运行在PC上，USB 3.0线缆起到通过电脑的USB口为示波器供电以及将示波器硬件采集到的数据传输到电脑端的作用。PicoScope 6软件对示波器硬件部件采集到的数据进行显示、测量、分析。

图1 PicoScope 5444D电源测试连接实物图

图2 PicoScope 5444D电源测试连接示意图

为了实现长时间的监控，我们使用了PicoScope 6软件中的Mask Limit Testing(模板限定测试)+Alarm(警报)的组合调试监控功能。

PicoScope 6软件中的模板限定测试功能专为生产和调试环境打造，可实现将实时采集的信号与已知的良好或者标准信号进行比对，以确定实时采集的信号是否符号规格要求或者是否有偶发的异常干扰。起初只需捕获一个已知的良好信号，以其为标准自动生成一个模板围绕它，然后使用警报(Alarm)功能自动发现并保存任何触碰了模板的波形。

基于模板限定测试和警报功能，PicoScope 6将捕获任何偶发故障并在“测量”窗口中显示故障的数量(仍然可以将其用于其它参数的测量)。用户还可以设置波形缓冲区导航器仅显示触碰模板的波形，从而能够快速查找和定位任何形式的故障。模板文件易于编辑(通过调整数字坐标的方式或以拖动图形的方式)、导入和导出、以及用户可以在多个通道上同时运行模板限定测试功能进行多个通道的波形异常监控。

图3 PicoScope 6中的模板限定测试和警报功能

基于警报(Alarm)功能，用户可以对PicoScope 6进行编程，以在发生某些事件时执行操作。可以触发警报的事件包括模板限定测试失败、触发事件发生和缓冲区满。PicoScope 6的动作包括保存文件、播放声音、执行程序以及触发示波器标配的任意波形发生器产生所需要的波形。

下图4、5所示即为使用PicoScope 5444D和PicoScope 6软件采集监控的1.0V电源示意图，如果电源波形因某种原因产生了波动从而触碰了蓝色模板，软件下方的测量窗口会统计出失败的次数同时触碰模板的那一帧波形将被自动保存下来。

图4 PicoScope 5444D采集监控1.0V电源(使用模板限定测试功能)

图5 PicoScope 5444D采集监控1.0V电源(使用模板限定测试功能，图4的局部放大图)

经历一段时间的监控后，示波器监测到了两个相似的触碰模板的异常，如图6所示，因为该异常事件是过了很久才出现，推测可能来自于临近电路或者电子设备的突然开启可能导致的干扰。而这样的干扰可能来自于空间辐射干扰也可能来自于传导干扰。

为了查找源头，我们关闭模板限定测试模式，查看当前信号的情况，尤其是是否存在一些有规律的频谱分量，于是我们打开PicoScope 6软件的频谱采集模式，对当前状态下的1.0V电源信号做FFT频谱分析，分析结果如下图7所示，示波器设置为DC耦合，+/-2V量程范围，我们看到频谱中有些明显的350KHz左右的频谱分量，而且还存在该频率的二倍频、三倍频等分量，虽然幅度不高，但这个信息给了我们很重要的线索。

根据经验，几百KHz的干扰信号一般来自于开关电源。首先，我们要先排除那些一直运行的电路板或者电子设备，而重点关注查找那些在测试过程中新开启的设备，因为开关电源在开启的瞬间产生的干扰一般会具有更大的幅度。逐一切断新接入的电子设备的电源，我们发现当被测设备附近的一台台灯的电源断开后，1.0V电源的频谱出现了变化，如下图8所示，350KHz左右的噪声消失了。

图6PicoScope 5444D示波器在电源监控过程中捕获到的异常脉冲

图7 干扰源存在时的电源频谱

图8 干扰源关闭时的电源频谱

至此，基本可以推断电源监控过程中的偶发干扰来自于台灯内的开关电源，在其加电开启的瞬间产生了较大幅度的干扰。基于此分析，再次采集台灯加电瞬间的电源波形，并用触发的方式捕获可能的较大幅度的干扰信号，我们顺利的反复采集到明显的干扰信号叠加在电源信号上，如图9所示。

图9 干扰源电源开启瞬间产生的干扰脉冲

2 判别干扰是来自于辐射干扰还是传导干扰

在EMC/EMI领域中，一般将干扰根据其传输方式分为两种，一种是辐射干扰，另外一种是传导干扰。辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备。传导干扰一般是通过电压或电流的形式在电路中进行传播的。

在上述测试中，我们已经查找到了干扰源，弄清干扰是通过辐射的方式还是传导的方式对被测设备包括测试仪器施加了影响将有利于我们找到解决问题的方案。如果是辐射耦合，那么干扰源与被测系统的距离会对干扰信号的强度带来影响。

由于正常情况下(非切换状态)干扰信号的强度往往会比较微弱，所以我们将示波器设置为AC耦合，量程设置为+/-100mV，来观察1.0V电源纹波中干扰信号的情况。我们分别分析三种情况下的时域和频域波形：测试系统与干扰源(台灯)距离5cm、测试系统与干扰源(台灯)距离3m、切断台灯电源。

实验结果如下图10~15所示，我们可以看出测试系统(示波器+探头+被测设备)距离干扰源5cm左右时，在时域明显可见几十mV的干扰噪声，在频域则能清楚的看到在350KHz左右位置有明显的频谱峰值(局部放大观察);当测试系统距离干扰源3m左右时，在时域可见几mV的干扰噪声，在频域350KHz位置干扰信号已经基本消失不见;而当我们完全切断干扰源(台灯)电源后，在时域波形上已经基本看不到干扰信号的踪迹，而频域波形和3m距离时的差异不大。这组实验结果也给予我们一个启示，即从多角度多视角(如频域和时域)进行问题的分析对问题的发现和解决是很有帮助的。

图10 测试系统、干扰源5cm间距电源时域波形

图11 测试系统、干扰源5cm间距电源频域波形

图12 测试系统、干扰源3m间距电源时域波形

图13 测试系统、干扰源3m间距电源频域波形

图14 干扰源关闭后电源时域波形

图15 干扰源关闭后电源频域波形

同时，根据图1的连接示意图，我们知道PicoScope 5444D示波器是和笔记本电脑通过USB 3.0线缆相连接的，即PicoScope 5444D示波器是和PC共地的，被测设备使用两芯电源供电，其参考地是通过探头的接地线与示波器共在一起，如果PC的地平面上因其它电子设备的接入而产生地弹噪声，就可能会影响到示波器、被测设备的参考地，从而引发干扰，为了判别是否有这方面的干扰存在，我们尝试了断开笔记本电脑的外接电源，使得测试系统与干扰源供电系统实现物理隔断，实验发现当干扰源(台灯)正常工作时，笔记本是否外接电源，测试结果几乎没有明显变化，当干扰源突然加电的瞬间，会有比较微小的变化。

上述实验结果表明，此次电源测试过程中的干扰源主体是通过辐射干扰对测试系统进行影响的。只要关闭干扰源，或者远离干扰源即可得到可靠的测试结果。

3 结论

干扰无处不在，在电子设备调试、测试过程中需要时刻警惕干扰信号对我们的系统和测试结果的影响。作为工程师，我们需要有一些必备的工具(如示波器)和基本的技巧和经验来发现、定位、分析干扰信号，从而提出对症的解决方案。

如下为几点经验总结：

1)测试时尽可能的关闭附近的电子设备，或者至少不要切换附近电子设备的状态;

2)如果测试时使用的探头连线比较长，也需要注意理顺，避免一圈一圈的重叠环绕在一起从而有利于拾取更多的空间辐射噪声;

3)使用质量可靠的插线板，尽量避免测试系统与很多其它电子设备公用一个插线板;

4)特别留意整个系统包括测试设备、被测物、其它电子设备的参考地、安全地之间的连接关系和路径，通过合理安排和设计接地、共地、参考地隔离来减少电子设备之间的传导耦合干扰;

5)当前的测试设备都已经智能化，有很多优秀的工具能够帮助工程师快速的发现、定位和分析问题，如本文提到的PicoScope示波器中的模板限定测试功能、警报功能、时域和频域分析功能等。其实还有很多高级触发工具，也是查找定位异常问题的利器，多掌握些这样的工具和使用技巧对硬件调试和测试将大有裨益。