电源测量中示波器带宽和采样率的选择

· 测量电源纹波和电源噪声的带宽选择

电源纹波和电源噪声在国内已经形成了一种约定俗成的理解。电源纹波理解为电源模块本身输出电压的波动,和电路板上复杂的供电网络无关。或者说，电源输出的源端（Source端)的电压的波动; 电源噪声则是指电源模块工作在实际电路系统中，经过供电分布网络（PDN）将电源能量输送到芯片管脚处，在芯片管脚处的电压的波动，或者说是电源输出末端(Sink端)电压的波动。简言之，电压的波动在源端叫纹波（Ripple)，在末端叫噪声（Noise)。

电源纹波包括的信号频率成分主要是工频100Hz和开关频率，一般是将带宽限制到20MHz。有人问我，为什么是20MHz而不是10MHz,5MHz？这确是有趣的好问题！

电源噪声的测量，我建议的带宽是500MHz。这方面有个很多讨论和争论。此文不再细述。

· 测量电源产品的快速瞬变脉冲放电的带宽选择

我曾遇到一些客户要买示波器只是为了测量EMI快速瞬变脉冲放电过程。很遗憾的是，一直没找到机会亲自和这些客户一起测量这类信号。测量具体方法是将高压信号通过专用的“分压器”元件分压后通过BNC同轴线连接到示波器。示波器选择的带宽1GHz以上，最好是2GHz，采样率一定要10GS/s。 其实，这里 面“分压器”的带宽影响到系统带宽，因为它是测量系统的一部分。

2 电源测量中采样率的选择

采样率的概念极好理解，表示每秒采样多少个点。例如采样率为10GS/s即表示每秒采样10G个点。“S”在这里理解为Samples的意思，有些文档中将采样率写为10GSa/s。 采样率的倒数就是采样周期，表示每隔多长时间采样一个点，如10GS/s采样率就表示每隔100ps采样一个点。

有个著名奈奎斯特采样定理告诉我们：当采样率是被测信号最高频率的两倍以上的时候才能保证不失真的重构信号。但是，被测信号的最高频率对于非正弦信号也并不直观。即使对于正弦信号，对于示波器的应用，一个周期采样两个点，也并不能非常完好地重构原始信号。 这么多年来，我推荐的判断采样率是否足够的方法是：确保感兴趣的信号上升沿采样3-5个点。最好是5个点，在示波器条件限制时采样3个点，误差也不大。感兴趣的上升沿采样5个点和10个的点测量结果几乎完全一致。根据此结论，回到我们对电源测量中采样率的选择问题：

· 测量开关管的采样率选择

测量电源开关管的采样率建议是250MS/s以上，因为开关管的上升沿的尖峰毛刺部分如果能准确地重构，需要4ns采样一个点。甚至对于有些开关管，250MS/s都不是很充分。 实际测量中大家可以将Vds波形上升沿局部放大，查看尖峰毛刺上是否采样到5个点。250MS/s这个数据是我从一个电源工程师改行做示波器销售工程师之后回到老东家亲自测量确认的一个数据，10年过去了，我至今印象深刻。有趣的是，在我当年工作的高富帅公司，有很多技术牛人，内部有很多测量规范文档，但似乎也没人去在意该怎么确定示波器的采样率，只是老板常告诉我按auto setup之后将波形展开后才能测量出真正的Vds峰值。

我当时核实测量的是MOSFET IRF460。但50MS/s能满足大多数开关管的准确测量。

注意：
（1）有些示波器默认插值方式是正弦插值（sinx/x插值），就是在真实的采样点的中间会根据sinx/x算法插入若干个“计算得到的假点”。这样放大波形的局部，您看到上升沿还是有很多计算得到的假点，会被误认为采样率足够，带来错误的判断和错误的测量结果。
（2）还有些示波器不能固定采样率，只能固定存储深度，但是因为采样率*采样时间=存储深度，随着时间的增加，采样率不断地降低，而当您将时间减少时，采样率又自动增加了，展开波形时看到的尖峰毛刺上仍然有足够多的点。

· 测量电源系统的监控部分电路的采样率选择

这部分的信号频率最高的是DSP的时钟，建议用5GS/s以上采样率。

· 测量电源纹波和电源噪声的采样率选择

测量电源纹波的采样率的选择和测量开关管一样，建议为250MS/s以上，因为电源纹波中包含了开关频率成分。但对于电源噪声，因为其中包含了来自于高速芯片通过电源和地平面传输的噪声，呈现200MHz左右的高频成分，建议的采样率为5GS/s以上才是足够的。

· 测量电源产品的快速瞬变脉冲放电的采样率选择

这类快速脉冲信号的尖峰毛刺的上升沿很快，建议采样率为10GS/s。

采样率太低，测量的结果将严重失真。譬如本来Vds的峰峰值，本来峰峰值应该是450V,但因为采样不够，用线性插值测量的结果可能只有350V，用正弦插值测量的结果则可能为500V。要“时刻警惕采样率”，这是高保真捕获的重要原则之一。

希望以上解释能对大家在最基本的指标选择和使用上有所帮助。欢迎关注“工程师的掌上示波器图书馆”，示波器的艺术微信平台scope-of-the-art,有问必答。