直流稳定电源稳压输出周期和随机偏差的测量方法

2021-01-15上海市计量测试技术研究院

上海计量测试 2020年6期

/上海市计量测试技术研究院

0 引言

依据JJF 1597-2016《直流稳定电源校准规范》，对直流稳定电源及具有直流稳定电源输出功能的装置及仪器进行校准时，周期和随机偏差（periodic and random deviation）的测量是必不可少的计量指标。本文基于该校准规范，分析了规范中采用的计量工具的要求及周期和随机偏差的测量方法，为直流稳定电源的校准工作提供了一种技术方法。

1 周期和随机偏差的定义与描述

JJF 1597-2016中对周期和随机偏差定义为在全部影响量和控制量均保持恒定时，在规定的带宽范围内，一个直流输出量对其平均值的周期和随机偏差[1]。

直流稳定电源输出直流电压信号时，不可避免因为交流供电电源经过整流、滤波、稳压的过程令直流电压信号中伴随着围绕其上下波动的周期偏差，又称纹波。纹波的产生主要与工频供电电源相关，其频率一般为供电频率的整数倍。采用开关电源方式整流的直流稳定电源因为整流过程中伴随着斩波倍频，引入了高频开关噪声，一般来说其输出直流电压信号中纹波较大[2]。

在温度高于绝对零度时，热能引起的电子运动会让导体产生热噪声[3]。所有的稳定电源都具有内阻，因此，所有的直流稳定电源输出的直流电压信号中毫无例外地带有无规律的随机偏差，即噪声。

一般很难将直流稳定电源输出的直流电压中周期偏差和随机偏差严格定量地区分开，即一般对直流稳定电源校准时，纹波与噪声通常放在一起测量，在指定的频率带宽内，用交流峰峰值或交流有效值来描述。

2 周期偏差和随机偏差的测量

依据JJF 1597-2016中直流稳定电源的技术指标，稳压输出周期偏差和随机偏差交流有效值一般在：200 μV ～ 10 V（20 Hz～ 20 MHz），稳压输出周期偏差和随机偏差交流峰峰值在：1 mV～50 V（20 Hz～ 20 MHz）[1]。JJF 1597-2016 提出了真有效值电压表、宽频电压差分探头、数字示波器（以下简称示波器）等作为周期偏差和随机偏差的测量设备。

如图1所示，将直流稳定电源与测量设备连接，并确保所有的测量设备接入同一个电源插座。设置并调节直流稳定电源及负载，令直流稳定电源处于额定功率下工作。从示波器或真有效值电压表上直接读取周期偏差或随机偏差的峰峰值与有效值。（使用宽频电压差分探头进行分压时，需要根据分压系数将读取的电压峰峰值或有效值换算成为实际值。）

图1 直流稳定电源稳压输出周期偏差和随机偏差的测量

然而，在实际应用中，常见的真有效值交流电压表通常难以满足JJF 1597-2016中的要求，如表1所示。

表1 常见的真有效值数字多用表技术指标

从表1中可知，工业计量中广泛应用的6位半数字多用表34401A在用于测量直流稳定电源稳压输出周期偏差及随机偏差时，无法满足其测量带宽的要求。在校准过程中，因为频率响应带宽不足，会产生测得电压信号偏小的情况。

即使采用目前世界上较先进的8位半数字多用表3458A与8508A，其带宽仍然满足不了JJF 1597-2016中带宽最大20 MHz的要求。此外，鉴于真有效值交流电压表及数字多用表的特性，只能测得电压信号的交流有效值，无法直接测得峰峰值。

综上所述，在实际应用中，严格意义上无法采用数字多用表直接读取示值的方法来测量直流稳定电源稳压输出的周期偏差和随机偏差。基于现有的技术水平，采用示波器是作为测量直流稳定电源稳压输出的纹波与噪声较为合适的测量仪器。

使用示波器测量直流稳定电源稳压输出的纹波与噪声时，考虑到示波器的实际测量带宽一般小于其标称带宽，因此，应选择带宽大于20 MHz的示波器作为测量工具[4]。

3 使用示波器测量直流稳定电源稳压输出周期偏差与随机偏差的注意事项

以一台常见示波器（泰克TDS3032C，带宽为300 MHz）为例，具体论述使用示波器测量直流稳定电源稳压输出周期偏差与随机偏差的注意事项。

按图1所示连接示波器与直流稳定电源，这里需要注意的是示波器探头的阻抗匹配，示波器内部设置探头阻抗为1 MΩ时，必须搭配相同输入阻抗的示波器探头。当示波器探头阻抗为10 MΩ时，必须修改示波器内部的增益系数为10，以此类推。

然而，经过多次试验得知，采用阻抗为10 MΩ的示波器探头时，示波器最大单格纵向分辨力为每格10 mV，此时示波器本底噪声在毫伏级，无法测量毫伏级别的纹波峰峰值。故使用无源探头时，必须采用阻抗不超过1 MΩ的示波器探头，此时示波器最大单格纵向分辨力不小于每格1 mV，本底噪声在数百微伏级，基本满足校准的要求。

此外，仍然值得注意的是，目前市场上大部分示波器无源探头所标称带宽为其增益最大档位时的带宽，例如通用示波器无源探头P2200有增益切换档位如×1、×10，其标称最大带宽200MHz为档位位于×10，即10 MΩ时的带宽，在×1档位，即1 MΩ时，其带宽仅为6 MHz。故必须依据规范中要求和探头的技术指标，合理地选择与示波器搭配的探头。经过认真筛选，常见满足测量要求的示波器无源探头如表2所示。

图2 直接使用示波器无源探头测量得的纹波与噪声

表2 满足直流稳定电源稳压输出纹波与噪声测量要求的示波器无源探头常见型号

在测量过程中，示波器应设置为交流耦合，最大单格纵向分辨力（每格1 mV）；设置带宽为20 MHz，高频抑制模式，部分带有数字滤波器功能的高级示波器可直接设置截止频率为20 MHz。

特别要注意的是示波器无源探头在测量时，应拆去挂钩探针与接地鳄鱼夹，使用接地弹簧探针接入直流稳定电源稳压输出的低端。因为在测量高频交流电压信号时，过长的导线引线会起到类似于天线的功能，引入高频干扰信号[5]。如图2、图3所示，同一直流稳定电源在额定负载下，使用同一示波器以不同探头接线方式测得的纹波与噪声，可以直接观察到不同的接线方式带来的干扰信号影响测量结果。

另外，有源差分探头具有带宽大，共模抑制比高等特点，同样可以作为直流稳定电源稳压输出周期偏差和随机偏差的有力测量工具。在使用有源差分探头时，要特别注意探头所能承受的最大输入电压是否大于测量时的电压。因有源差分探头输入电压远小于无源探头，且需要搭配支持有源差分探头的示波器，在电源纹波与噪声测试场合使用较少，采用无源探头即可满足大部分计量的需求，本文对其不做过多的介绍。