Использование анализатора сигналов для измерения уровня шума источников питания, стабилизаторов и источников опорного напряжения
Шумы источников питания, линейных стабилизаторов и источников опорного напряжения являются одной из основных причин ограничения рабочих характеристик систем, особенно в измерительных приборах и средствах связи. В приложениях, использующих аналого-цифровые преобразователи, шумы регулятора напряжения и источника опорного напряжения приводят к возникновению джиттера синхросигнала, значительно ухудшающего такие характеристики АЦП, как отношение сигнал/шум (SNR), отношение суммы сигнала, шума и искажений (SINAD) и коэффициент битовой ошибки (BER). Малошумящие усилители также страдают от фазовых шумов и эффектов модуляции, связанных с шумами источника питания.
Для измерения уровня шума источников питания и линейных стабилизаторов часто используются осциллографы. Поскольку чувствительность осциллографа относительно невысока и находится в диапазоне 2 мВ на деление, для наблюдения пульсаций и шума, нередко имеющих порядок микровольт, необходимо добавить значительное усиление по напряжению. Получить такое усиление можно с помощью малошумящего операционного усилителя или каскадной схемы из нескольких малошумящих операционных усилителей. После усилителя необходимы активные фильтры верхних и нижних частот для выделения требуемого частотного диапазона измерений, а вся схема должна быть заключена в клетку Фарадея (экран от внешних электромагнитных полей), для чего, в частности, может использоваться специальная краска. В руководствах по применению некоторых изготовителей микросхем рекомендуется схема проведения измерений, изображенная на Рисунке 1.
| Рисунок 1. | Для типовой схемы измерения шума с помощью осциллографа требуется малошумящий усилитель с очень большим коэффициентом усиления, активный фильтр и пиковый детектор, что делает подобную технологию слишком сложной. Кроме того, этот метод по сравнению с другими, дает меньше информации, так как не показывает соотношение частот. |
Это решение имеет несколько очевидных ограничений. Во-первых, создание такой схемы требует много времени, усилий и крайней осторожности. Во-вторых, необходимый высокий коэффициент усиления часто ограничивает частотный диапазон измерений, а усилители пропускают шумы источника питания за счет конечного коэффициента подавления пульсаций питания (PSSR), делая схему чувствительной к качеству питающего ее напряжения. Кроме того, усилители вносят собственные шумы.
Наилучшие методы измерений
Анализатор сигналов Agilent N9020A (опция 503) и анализаторы спектра реального времени Tektronix RSA5103A и RSA5106A, совместно с генератором контрольных сигналов Picotest, предлагают два пути измерения уровня шума источников питания и линейных регуляторов. Эти анализаторы спектра могут измерять сигналы с частотой от 1 Гц до 3 ГГц (RSA5103A) или до 6 ГГц (RSA5106A) и имеют намного больший динамический диапазон, чем осциллографы. Оба прибора отличаются непревзойденным уровнем шумов, а по чувствительности превосходят осциллографы на порядки. Кроме того, в них предусмотрены опциональные функции пикового детектора, повышенного разрешения и усреднения результатов измерений.
Анализатор сигналов N9020A-503 может измерять шумы в частотном диапазоне 20 Гц – 3.6 ГГц, у других моделей верхняя граница достигает 26.5 ГГц. Прибор поддерживает множество методов выборки и опций анализа, включая непосредственное измерение спектра, а также фазового шума и джиттера генератора. Такие же, и еще многие другие функции могут выполнять RSA5103A и RSA5106A.
Существует два основных метода измерения шумов регуляторов напряжения и опорных источников. Первый основан на измерении фазового шума высококачественного тактового генератора, питающегося от напряжения, вырабатываемого тестируемым регулятором. Эффективным способом такого косвенного измерения является измерение фазового шума кварцевого генератора. Шум стабилизатора напряжения проявляется в виде амплитудной модуляции и интерференции с частотой генератора. Измерение фазового шума позволяет определить характерные частоты шума, которые могут наблюдаться в виде «шипов».
 |
|
| Рисунок 2. | Измерения фазового шума (изображен шум 250 кГц от источника питания) показывают результат смешения всех частотных составляющих генератора. В этом примере к напряжению питания добавляется лишь одна частота. Результирующий сигнал проявляется в фазовом шуме генератора. |
Эти «шипы» отображают как все частоты собственного шума источника питания, так и результаты смешения тактовой частоты и частот шума источника питания. В фазовый шум вносит свой вклад весь шум источника питания, увидеть который можно на общей характеристике джиттера, отображаемой непосредственно на дисплее прибора RSA. Рисунок 2 демонстрирует пример фазового шума генератора, питающегося от источника с частотой шума 250 кГц. Типичный блок питания порождает множество интерференционных сигналов, только один в этом примере показан лишь для ясности. Для того чтобы на основании этого графика фазового шума определить шум источника питания, необходимо определить значение PSSR генератора.
Второй метод требует непосредственных измерений на испытуемом устройстве (Рисунок 3). Для демонстрации точности и чувствительности этого метода фиксируется уровень собственных шумов типовой измерительной системы, для прямой оценки которых используется генератор контрольных сигналов Picotest J2130A, блокирующий постоянную составляющую сигнала, и предварительный усилитель Picotest J2180A. Предварительный усилитель улучшает отношение сигнал/шум примерно на 20 дБ и одновременно выполняет функцию согласования с испытуемым устройством (Рисунок 4), что очень важно, поскольку нагрузка 50 Ом может легко повлиять на результаты измерений шума.
Далее необходим генератор сигналов произвольной формы для получения синусоидального сигнала с частотой 1 кГц и амплитудой 50 мВ. Пара каскадируемых аттенюаторов Picotest J2140A, каждый из которых настроен на ослабление 40 дБ, включается между генератором и анализатором сигналов N9020A (Рисунок 5). Аттенюатор значительно уменьшает уровень сигнала генератора, что позволяет проверить чувствительность измерений. Результирующий сигнал, измеренный с помощью анализатора, имеет среднее значение 4.56 мкВ (эффективное значение 5.06 мкВ), которое и является истинным уровнем шума (Рисунок 6).
Показав, что уровень шума измерительной установки составляет приблизительно 45 нВ, и удостоверившись в том, что средний сигнал 4.6 мкВ она измерила правильно и точно, мы можем использовать ее для прямых измерений шумов источников питания, стабилизаторов напряжения и источников опорного напряжения.
Выводы
Мы продемонстрировали два простых метода измерения шумов источников питания и опорного напряжения с использованием анализатора спектра реального времени компании Tektronix. Эти методы предоставляют значительно больше информации, чем измерения с помощью осциллографа, так как отличаются намного более высокой чувствительностью и позволяют отображать конкретные частоты, вносящие наибольший вклад в шум исследуемого устройства. Новые малошумящие активные аналоговые фильтры и широкополосные предусилители, которые скоро поступят от компании Picotest, добавят новые возможности этим методам измерений, снижая эффективные помехи, особенно заметные на частоте 60 Гц.
Инструментальные измерения усилителей мощности JLH 1969 и Naim NAP140
Прошлая статья была посвящена измерениям параметров усилителя QUAD 405, клон которого не ударил в грязь лицом и подтвердил параметры оригинала, а в чем-то даже превзошел оный. Теперь настало время посмотреть на JLH 1969, усилитель класса А и Naim NAP 140 класса АВ.
JLH 1969
В отличии от QUAD 405, в данном усилителе есть два настраиваемых параметра — напряжение средней точки и ток покоя. Напряжение средней точки я выставил ранее и зафиксировал подстроечный резистор, а вот ток был установлен в 1.1А, что однозначно мало для данного усилителя.
Итак снова собираем «стенд», питание от импульсного БП 24 вольта, нагрузка 6 ом, звуковая карта Behringer UMC22
Значение тока контролируем амперметром. К сожалению нормальный тестер погиб смертью храбрых, как раз в области измерения тока, пришлось приобрести вот такое недоразумение.
Для начала посмотрим, какое напряжение можно подавать на вход до клиппинга. В принципе все совпало с теоретическими данными — порядка 0.6 вольт, дальше начинается клиппинг. Расчетная выходная мощность примерно 8.5 ватта.
Потом подал меандр с разными частотами, чтобы посмотреть нет ли криминала. Как выяснилось данному усилителю практически все равно что усиливать, что на входе, то и на выходе. На 16 и 30кГц завален уже был сигнал на входе, ровно те-же завалы в выходном сигнале.
Ну и замеры в RMMA, как обычно, не получилось подвести уровень к 0дБ, видимо это специфика звуковухи. Наилучшие результаты по обоим каналам были получены при токе покоя в 1.6А, что согласуется с рекомендованным для сопротивления нагрузки 6ом. На низах есть небольшой завал до 30гЦ, надо увеличивать выходную емкость до 4700мКф, сейчас 3300.
По современным меркам, параметры не то чтобы ах, но наибольший вклад в искажения вносит вторая гармоника а не третья, что положительно сказывается на восприятии звука.
При дальнейшем увеличении тока покоя, можно уменьшить искажения, но видно, что вторая гармоника начинает падать а третья активно подрастает, что не есть гуд. Оставил 1.6А.
NAIM Nap 140
Собрал «стенд», тут все поразвесистее из-за двуполярного питания и необходимости объединения сигнальной и питательной земли.
Начал измерения в RMMA и тут меня настигло фиаско: с одной стороны коэффициент гармоник порядка 0.003, что очень хорошо, с другой соотношение сигнал-шум -82дБ что для такого усилителя просто очень плохо. Долго искал причину, перепаивал входы-выходы… ненашел. Видно что очень много 50Гц и дальше от них, откуда берутся — непонятно, с БП так много приходить не может.
В расстроенных чувствах разобрал делители для подключения к звуковухе, но все-таки решил посмотреть на осциллографе что с клиппингом и меандром. ..
Подал напряжение со встроенного генератора и увидел вот такую картинку.
Очень похоже, что это как раз тот уровень шума, который замерялся через RMMA, к счастью у усилителя есть регулировка тока покоя, чуть прибавил и вуаля, все ровно и красиво. Жалко, что не подключил осциллограф сначала, были бы корректные измерения в RMMA.
Но странности на этом не закончились, при повышении входного напряжения, клиппинга добиться не удалось, каждый раз искажалась нижняя полуволна и повышением тока покоя все исправлялось. Буду выяснять нормально ли это вообще, честно говоря таких искажений видеть раньше не приходилось.
Подал меандр, на 1, 4 и 8 кГц, все в принципе нормально, на 16 усилитель уже начинает валить фронты, вроде не сильно, но все-таки… тоже буду изучать, возможно это нормально для класса АВ.
Усилитель довольно сильно греется, правда подавал синусоиду, что всегда тяжело, но как факт: 58 на радиаторе, 60 на корпусе транзистора. Без сигнала конечно холодный в отличии от класса А.
Вывод
Проще всего настраивать класс А, задирай ток до приемлемых показателей и все! Ну еще надо подобрать выходной (и входной) конденсатор чтобы не обрезались низкие частоты.
С классом АВ в версии NAP140, все оказалось интересно и странно, появилось очень много вопросов, которые придется прояснить, читая теорию. Хотя по коэффициенту гармонических искажений он меня удивил, таких цифр не увидишь даже в гораздо более навороченных решениях.
Измерение шумов источника питания с помощью осциллографа
Повышение скорости переключения, крутизны фронтов и увеличение числа активных выводов корпуса приводит к увеличению наведенного коммутационного шума в источниках питания. В то же время повышается восприимчивость схем к шумам источника питания, поскольку снижение амплитуды сигнала приводит к сужению границ допустимых значений шума.
В результате конструкторы всех устройств — от сотовых телефонов до серверов — все больше уделяют внимание шумам источника питания. Как правило, для измерения шумов источников питания используются осциллографы реального времени, что связано с широкополосным характером этих шумов. В этой статье обсуждаются шумы источников питания и их измерение с помощью осциллографа Agilent серии Infiniium 8000.
В идеальном случае источник питания шуметь не должен, так почему же он шумит? Простой гауссовский шум, неизбежно порождаемый тепловыми процессами, в данном случае не является доминирующим. Главным источником шумов в большинстве цифровых схем являются процессы коммутации.
Импульсные источники питания порождают собственные шумы — как правило, на частотах, кратных рабочей частоте преобразователя. Кроме того, в момент переключения логических схем и формирователей импульсного сигнала возникают переходные токи, оказывающие дополнительную нагрузку на источник питания. Хотя такие переключения могут происходить в случайные моменты времени, они так или иначе привязаны к тактовой частоте системы. Поэтому их следует считать не столько «шумами», сколько «сигналами», накладывающимися на постоянное напряжение источника питания (рис. 1). Такой подход к рассмотрению шума значительно упрощает его анализ.
Проблемы, возникающие при измерении
Широкополосная природа шумов источника питания вынуждает исследователей использовать для его измерения осциллографы. Осциллографы дают уникальную возможность взглянуть на природу возникновения шума. Но, к сожалению, широкополосные цифровые осциллографы реального времени и осциллографические щупы обладают собственными шумами, которые следует учитывать. Если измеряемый уровень шума источника питания имеет тот же порядок, что и собственные шумы осциллографа и щупа, точное измерение шума сильно затрудняется.
Другую проблему представляет динамический диапазон. Сигнал источника питания привязан к постоянному напряжению. Небольшое переменное напряжение шума, наложенное на это постоянное напряжение, составляет обычно лишь очень малую его часть. Для многих осциллографов и щупов такое постоянное смещение может оказаться проблематичным, особенно при измерении с большой чувствительностью (для оптимального отображения шума при минимальном уровне шумов осциллографа).
Методы и передовой опыт измерений
Существует множество методов, позволяющих улучшить эффективность измерения шумов источника питания.
Оценка шумового вклада осциллографа и щупа
Очевидно, что для достижения максимальной точности измерения осциллограф и щуп должны обладать достаточно низким уровнем собственных шумов.
Природа собственных шумов осциллографа поясняется блок-схемой на рис. 2. В системе «щуп–осциллограф» присутствует два основных источника шума. С одной стороны, некоторый шум вносят входной усилитель и буферные схемы осциллографа, а с другой — обладает шумами усилитель щупа. Все осциллографы используют аттенюатор для установки вертикального размаха сигнала. Из-за этого аттенюатора шум осциллографа возрастает. Поэтому если аттенюатор установлен на любое значение, кроме 1:1 (соответствующее максимальной чувствительности осциллографа), отображаемый шум, приведенный к входному разъему осциллографа, будет расти. Например, возьмем осциллограф с собственной чувствительностью без аттенюатора 5 мВ/дел. Предположим, что при такой чувствительности он имеет собственный уровень шумов 500 мкВ (среднеквадратическое).
Чтобы снизить чувствительность до 50 мВ/дел., последовательно с входом осциллографа включается аттенюатор 10:1. При этом значение отображаемого шума, приведенное ко входу аттенюатора, будет равно 5 мВ среднеквадратического значения (500 мкВ умножить на 10). Поэтому, во избежание нежелательного «усиления» собственных шумов осциллографа, нужно использовать диапазон с наибольшей чувствительностью. Шум, создаваемый щупом, попадает в систему до входного аттенюатора осциллографа, поэтому его вклад не зависит от коэффициента ослабления.
Всегда используйте дифференциальный щуп
В большинстве случаев шум щупа значительно превосходит шум осциллографа при максимальной чувствительности. Большинство источников питания без проблем выдерживают нагрузку 50 Ом входа осциллографа, так зачем же добавлять еще и шум щупа? Ответ кроется в динамическом диапазоне.
Чтобы сигнал оказался в центре экрана и в середине рабочей характеристики АЦП осциллографа при измерении шума источника питания напряжением 1,5 В, осциллограф должен обеспечить работу при смещении 1,5 В. Наиболее чувствительный диапазон, в котором осциллограф позволяет подать на вход смещение 1,5 В, равен 100 мВ/дел. В диапазоне 100 мВ/дел. шум осциллографа составляет
3 мВ (среднеквадратическое). К тому же в диапазоне 100 мВ/дел. измеряемый шум будет использовать лишь малую часть рабочей характеристики АЦП, что приведет к потере разрешения.
Если сам осциллограф способен работать с необходимым смещением лишь при минимальной чувствительности, ситуацию могут исправить возможности щупа. Используя активные щупы, работающие с большим уровнем смещения, можно достичь большей точности измерения и снизить влияние собственных шумов осциллографа. Активный дифференциальный щуп обеспечивает смещение сигнала на 1,5 В, позволяя тем самым использовать для измерения более чувствительный диапазон 10 мВ/дел. и получать более точные результаты.
Для решения проблемы динамического диапазона можно использовать также вход со связью по переменному току (если осциллограф это допускает). Если осциллограф имеет входное сопротивление 50 Ом, и инженер хочет использовать коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом и щуп с коэффициентом передачи 1:1, то для подключения сигнала по переменному току можно использовать включенный последовательно со входом разделительный конденсатор. Разделительный конденсатор должен обеспечивать измерение минимальной частоты шумового спектра. Недостатком подключения по переменному току является то, что оно не позволяет наблюдать медленный дрейф напряжения источника питания.
Анализ с помощью быстрого преобразования Фурье
Большинство цифровых осциллографов реального времени имеют функцию быстрого преобразования Фурье (FFT). После каждого запуска осциллограф может обработать конечный фрагмент сигнала, длительность которого определяется объемом памяти и частотой дискретизации осциллографа. Разрешение сигнала в частотной области, которое получается с помощью FFT, определяется уравнением:
Чтобы увидеть в FFT предполагаемый источник шума, объем памяти должен быть достаточно большим для захвата достаточного числа отсчетов. Например, если импульсный источник питания работает на частоте 33 кГц, нужно захватить сигнал длительностью 1/(33 кГц), то есть 30 мкс. При частоте дискретизации 20 × 10 9 отсчетов/с это эквивалентно 600 000 ячеек памяти.
В цифровых запоминающих осциллографах серии 8000 и осциллографах серии DSO 80 000 компании Agilent функция FFT работает только с данными, видимыми на экране. Чтобы увидеть минимальные частоты для выбранного объема памяти и частоты дискретизации, скорость развертки надо установить так, чтобы вся память оказалась на экране. Это очень легко определить по расположенному над шкалой индикатору памяти.
Анализ FFT позволяет глубже исследовать свойства сигнала. Он обеспечивает быстрый анализ источников шума. Например, если устройство содержит блок питания с частотой преобразования 33 кГц и тактовый генератор 500 МГц, пики наблюдаются на частоте 33 кГц и на частотах, кратных 500 МГц. Относительная амплитуда этих пиков позволяет в первом приближении оценить вносимый ими уровень шума.
На рис. 3 показаны результаты анализа FFT, где кроме белого шума видны еще две составляющие. Одна из них лежит на частоте 49,5 МГц, а другая — на частоте 500 МГц.
Другой способ повышения заметности пиков заключается в усреднении FFT. Истинно случайный шум существенно подавляется при усреднении FFT, что позволяет выделять из шума очень слабые сигналы.
Синхронизация с предполагаемыми источниками и применение усреднения для подавления некоррелированного шума
В некоторых случаях удается засинхронизироваться с сигналом, совпадающим по фазе с источником неслучайного шума, и затем использовать усреднение. Усреднение позволяет уменьшить или подавить все компоненты, не коррелирующие с синхросигналом. Таким образом можно выделять компоненты сигнала, которые в противном случае маскировались бы случайным шумом самого источника питания или осциллографа и щупа.
На рис. 4 показан пример синхронизации от сигнала прямоугольной формы. Сигнал прямоугольной формы может представлять, например, шум коммутации, возникающий на выходах мощных каскадов или в результате других переходных процессов в цепи нагрузки. Шумовые составляющие, относящиеся к сигналу синхронизации, хорошо видны на фоне других шумов.
Заключение
Измерение шумов источников питания порождает определенные проблемы. Благодаря присущей ему широкой полосе, оптимальным прибором для таких измерений является осциллограф. В этой статье перечислены некоторые методы, которые можно использовать для таких измерений. При условии правильного выбора осциллографа и щупа эти методы позволяют эффективно измерять шум источников питания.
Борьба с помехами в усилителе.
В данной статье я поделюсь своим опытом борьбы с наводками, шумами, гулом, помехами в усилителях низкой частоты. Расскажу о причинах их возникновения.
Помехи
Помехи в усилителе низкой частоты могут быть как внутренние, так и внешние.
Внутренние помехи могут быть связаны:
- Некачественный блок питания или недоработка питающих цепей. При таком недостатке начинает «захлебываться», то есть при увеличении громкости появляются искажения. Диагностировать такой недостаток достаточно просто. Необходимо замерить напряжение на выходе блока питания, а также на плате самого усилителя при максимальной и минимальной громкости. Большого перепада напряжения не должно быть. При изготовлении устройства из готовых плат, очень часто сталкивался с потерей массы (минуса), для устранения данной проблемы нужно кинуть провод от минуса блока питания до минуса на клемме входа усилителя, выхода и на корпус переменного резистора.
- Пожалуй, самое распространенное явление — это «наводки 50 Гц.», связаны они с пульсациями напряжения в сети. Для борьбы с ними можно поэкспериментировать с емкостью конденсаторов фильтрующих элементов. (СЛЕДУЕТ ЗНАТЬ, ЧТО ПРИ УВЕЛИЧЕНИИ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА НАПРЯЖЕНИЕ УВЕЛИЧИВАЕТСЯ, экспериментируя с электролитами на выходе стабилизатора не стоит увлекаться). Можно добавить дросель в питающую цепь. Экранировать предварительный каскад и располагать его как можно дальше от источников наводок.
Электролитические конденсаторы не добросовестных производителей могут терять свои свойства даже при хранении в коробочке. Вздутие такого конденсатора говорит нам о том, что он пришел в негодность. Но далеко не всегда конденсатор вздувается. Для диагностики работоспособности конденсатора рекомендую пользоваться ESR метром. Благо друзья китайцы делают интересные приборы по доступной цене.
Внешние помехи обусловлены воздействием на усилитель внешних устройств. Например, импульсных источников питания, двигателей, источников магнитного излучения.
Для уменьшения воздействия внешних источников помех следует:
- Применять экранирование входных цепей.
- Располагать плату усилителя как можно дальше от устройств, создающих помехи.
При самостоятельной сборке следует:
Провода, используемые для подачи сигнала на входные цепи должны быть экранированы и как можно короче. Желательно на каждый канал по отдельному экранированному проводу. Также при проектировании печатной платы дорожки следует делать как можно короче. Их расположение тоже может влиять.
Шумы усилителя (шипение)
Шипение усилителя связано с конструктивной особенностью, а также с шумами самих радиоэлементов. Побороть его получится наврятли.
На этом все. Если у Вас есть замечания или предложения по данной статье, прошу написать администратору сайта, или комментарии под данной статьей.