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什么是纹波和谐波 如何测量纹波和谐波

 共同成长888 2014-06-04

什么是纹波和谐波 如何测量纹波和谐波

什么是纹波和谐波 如何测量纹波和谐波

纹波和谐波是不是同一种概念呢?显然不是的。我们可以从字面上去理解。纹波,很容易让人联想到波纹。就是在“平静”的水面的一阵阵的水波,言下之意就是在稳定的直流中的交流成分;而谐波呢?有和谐的意思。我们如果学过高频的话,或者是收音机发烧友的话,肯定经常听到二次谐波、高次谐波之类的名词。举个例子吧,我们做一个调频发射机,本振假设为30M Hz,那么,60M 、90M 都是本振的谐波。分别是二次谐波和三次谐波。

那么它们两个是不是都有害呢?我们经常有这样的常识,做电源什么的,都要将纹波降到百分之几以下,所以呢,一般纹波是有百害而无一益的。它主要有以下害处:
1、容易在用电器上产生谐波,而谐波会产生较多的危害;
2、降低了电源的效率;
3、较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生,导致烧毁用电器;
4、会干扰数字电路的逻辑关系,影响其正常工作;
5、会带来噪音干扰,使图像设备、音响设备不能正常工作。

而谐波呢?是不是也是百害而无一益?显然不是啦!我们通常做调频发射的时候,通常是用晶振的谐波去做本振呢!比如:我们用10.245M 的晶振去振荡,将滤出的三次谐波作为发射的载波呢!这个还可以增加调制深度呢!但是,那么不要的谐波肯定是有害的啦!主要有以下害处:

1、 使电网中发生谐振而造成过电流或过电压而引发事故;
2、增加附加损耗,降低发电、输电及用电设备的效率和设备利用率;
3、使电气设备(如旋转电机、电容器、变压器等)运行不正常,加速绝缘老化,从而缩短它们的使用寿命;
4、使继电保护、自动装置、计算机系统及许多用电设备运转不正常或不能正常动作或操作;
5、使测量和计量仪器、仪表不能正确指示或计量;
6、干扰通信系统,降低信号的传输质量,破坏信号的正常传递,甚至损坏通信设备。

那么,如何测量纹波呢?通常最常用的仪器是高频毫伏表,而用示波器也可以测量 ;而谐波呢?则要用频谱分析仪去测量啦!

测量电源纹波本身有一定技巧性。图1给出了一个不当使用示波器测量电源纹波的实例。在这个例子中出现了几个错误,首先是使用了接地线很长的示波器探针;其二是让由探针和接地线形成的回路靠近功率变压器和开关元件;最后是允许在示波器探针和输出电容之间形成额外的电感。其结果带来的问题是在测得的纹波波形中携带了拾取的高频成分。

在电源中有许多很容易耦合到探针中的高速的、大电压和电流信号波形,其中包括来自功率变压器的磁场耦合、来自开关节点的电场耦合、以及由变压器交绕(interwinding)电容产生的共模电流。

图1:不当的纹波测量得到糟糕的结果.
图1:不当的纹波测量得到糟糕的结果。

采用正确的测量技术可切实改善纹波测量的结果。首先,通常会规定纹波的带宽上限,以避免拾取超出纹波带宽上限的高频噪声,应该给用于测量的示波器设定合适的带宽上限。其次,可以通过摘掉探针的“帽子”来去掉接地长引线形成的天线。如图2所示,我们把一段短线绕在探针接地引线周围,并使之与电源地相连接。这样做附带的好处是缩短暴露在电源附近高强度电磁辐射中的探针长度,从而进一步减少高频拾取。

最后,在隔离电源中,真正的共模电流是由在探针接地引线中流动的电流产生的,这就使得在电源地和示波器地之间产生电压降,表现为纹波。要抑制这个纹波,需要在电源设计中仔细考虑共模滤波问题。

此外,把把示波器引线绕在铁芯上可减小这个电流,因为这样会形成一个不影响差分电压测量、但可降低由共模电流产生的测量误差的共模电感。图2显示了采用改进测量技术对同一电路得到的纹波电压测量结果。可以看到,高频尖刺已几乎消除。

图2:四种简单改进极大地改善了测量结果.
图2:四种简单改进极大地改善了测量结果。

事实上,当电源集成到系统中之后,电源纹波性能甚至会更好。在电源和系统其它部分之间几乎总会存在一定量的电感。电感可能是由导线或在印刷线路板上的蚀刻线形成的,而在芯片附近总会有作为电源负载的附加旁路电容,这两者形成低通滤波效应并进一步降低电源纹波和/或高频噪声。

举一个极端的例子,由电感量为15nH的长一英寸的短线和电容量10μF的旁路电容构成的滤波器,其截止频率为400kHz。该实例意味着能大幅减少高频噪声。该滤波器的截止频率比电源纹波频率低很多倍,可以切实降低纹波。聪明的工程师应该在测试过程中设法利用它。

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