CN109490794A - 一种电源纹波测试电路和测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电路电源纹波测试电路和测试方法，包括依次串联的电源输入端、隔直电容、有源低通滤波放大电路、钳位电路、控制器，所述钳位电路由从上到下依次串联的电压VDD、二极管D1、二极管D2、接地端GND组成，所述有源低通滤波放大电路的输出端与二极管D1的正极、二极管D2的负极、控制器的信号输入端相连，所述有源低通滤波放大电路将输入信号的带宽限制在一定范围，并剔除高频噪声，本发明可以随时实时的测量电路的纹波大小，极大的简化现在主流的纹波测量电路的规模，降低设计成本和物料成本，轻巧的电路也直接轻松的集成到各种电源或电子负载等电子产品中。

Description

一种电源纹波测试电路和测试方法

技术领域

本发明涉及纹波检测领域，尤其涉及一种电源纹波测试电路和测试方法。

背景技术

作为现有的纹波检测装置，目前常采用的手段是通过示波器或者纹波测试仪，其采用的电路基本都是输入端采用隔直电容的交流耦合，运用高速高带宽的调理电路，然后采用高速ADC采集电压波形，再配合FPGA或者高性能的ARM来计算或测量纹波，然而这两者的成本都偏高，其电路设计也非常复杂，除此之外，使用示波器或纹波测试仪也很难集成到某些电测系统或自动化系统中去，让使用者很是被动。

同时，为了对采集到的波纹信号进行数值计算，也有直接通过整流电路将纹波整流成直流有效值，然后去采集测量，得到纹波的有效值，然而这样的方式会带来较大误差，测量的数值类型也有限，本发明意在采用一种简单的电路架构结合嵌入式软件，来实现简易快速的电源纹波有效值和峰值的测量，在具体实现上做了很多有效的优化和精简，保证了电路的高效性和低成本、小体积。

发明内容

因此，针对示波器或者纹波测试仪，为了追求高带宽，都使用了很多高速器件和补偿电路，电路架构非常庞大，导致的结果就是调试起来十分困难，需要做各种匹配，而且其电路成本也很昂贵，无法集成到一些对成本敏感的产品或系统中去，后续的维修也十分困难，本发明采用一种简单的电路架构结合嵌入式软件，来实现简易快速的电源纹波有效值和峰值的测量。

本发明提供了一种电源纹波测试电路，其特征在于：包括依次串联的电源输入端、隔直电容、有源低通滤波放大电路、钳位电路、控制器，所述有源低通滤波放大电路将输入信号的带宽限制在一定范围，并剔除高频噪声。

进一步地，所述电源输入端连接隔直电容的一端，隔直电容的另一端连接所述有源低通滤波放大电路的输入端，所述钳位电路由从上到下依次串联的电压VDD、二极管D1、二极管D2、接地端GND组成，所述有源低通滤波放大电路的输出端与二极管D1的正极、二极管D2的负极、控制器的信号输入端相连。

进一步地，所述控制器的信号输入端具体设置为ADC输入管脚，该管脚将输入的电源纹波实时采集，然后通过控制器中的软件将一段采集的数据做一定计算来实现纹波有效值和峰值的测量计算。

进一步地，所述有效值的计算方法是：通过ADC输入管脚采样获取一组M个经滤波和运算放大之后的电压数据集合U,在M个数据中，查找出最大的N个数据和最小的N个数据，计算所述最大的N个数据的平均值Vmax,所述最大的N个数据集合为P，计算所述最小的N个数据的平均值Vmin，所述最小的N个数据集合为Q，则纹波峰值Vpp＝Vmax-Vmin，其中

M≥2，N≥1。

进一步地，所述峰值的计算方法是：通过ADC输入管脚采样获取一组M个经滤波和运算放大之后的电压数据集合U,对M个数据进行方均根计算，得到的值即为有效值Vrms，所述方均根计算即将M个数据全部取平方，然后将M个平方后的数相加得到一个和值，最后将该和值除以M后求平方根，具体公式如下：

其中M≥2。

本发明还提供了一种电源纹波测试方法，其包括步骤：被测纹波信号通过隔直电容，滤除了直流成分，只保留了纹波交流信号，然后通过有源低通滤波放大电路，使用有源低通滤波方式，滤除线路高频噪声，同时有源低通滤波放大电路通过运算放大器和电阻电容的组合，将带宽限制在一定范围，既保证有效测量信号的保留，同时将高频噪声滤除掉，以便更真实的测试纹波大小，所述有源低通滤波放大电路还将纹波做一定的放大，以适配ADC的采集范围，提高测量分辨率和精度，有源低通滤波放大电路输出的信号经过钳位以后送入到一个带有ADC的控制器的ADC输入管脚，所述控制器通过其ADC将输入的纹波实时采集，然后运行软件将一段采集的数据做一定计算来实现纹波有效值和峰值的测量。

进一步地，所述有效值的计算方法是：通过ADC输入管脚采样获取一组M个经滤波和运算放大之后的电压数据集合U,在M个数据中，查找出最大的N个数据和最小的N个数据，计算所述最大的N个数据的平均值Vmax,所述最大的N个数据集合为P，计算所述最小的N个数据的平均值Vmin，所述最小的N个数据集合为Q，则纹波峰值Vpp＝Vmax-Vmin，其中

M≥2，N≥1。

进一步地，所述峰值的计算方法是：通过ADC输入管脚采样获取一组M个经滤波和运算放大之后的电压数据集合U,对M个数据进行方均根计算，得到的值即为有效值Vrms，所述方均根计算即将M个数据全部取平方，然后将M个平方后的数相加得到一个和值，最后将该和值除以M后求平方根，具体公式如下：

其中M≥2。

进一步地，所述带宽限制在一定范围，具体限制在250khz左右，既保证有效测量信号的保留，同时将高频噪声滤除掉，以便更真实的测试纹波大小。

进一步地，所述控制器采用MCU，且MCU采用1M采样率的ADC，通过所述ADC对输入的电源纹波实时采集。

本发明可以实现的有益效果包括：本发明在经过一系列的统计调研和仿真之后，设计了一种新的电路测试来测试纹波，极大的简化现在主流的纹波测量电路的规模，降低设计成本和物料成本，轻巧的电路也直接轻松的集成到各种电源或电子负载等电子产品中，使得其可以随时实时的测量电路的纹波大小，而不再需要通过外面用示波器或纹波测试仪去测量。

附图说明

图1本发明提供的纹波测试电路框图。

图2本发明提供的纹波测试电路的优选实施电路图。

图3本发明提供的纹波测试方法流程图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明一实施方式的纹波测试电路进行说明。

首先，对出现的相关技术术语的名词进行解释。

纹波：纹波是由于直流稳定电源的电压波动而造成的一种现象，因为直流稳定电源一般是由交流电源经整流稳压等环节而形成的，这就不可避免地在直流稳定量中多少带有一些交流成份，这种叠加在直流稳定量上的交流分量就称之为纹波。纹波的成分较为复杂，它的形态一般为频率高于工频(中国是50Hz)的类似正弦波的谐波，另一种则是宽度很窄的脉冲波。对于不同的场合，对纹波的要求各不一样。

运放：即运算放大器，运算放大器(简称“运放”)是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。

ADC:即模数转换器，也叫A/D转换器，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。

带宽：频带宽度，在模拟电路领域，可以理解为能够通过的频率范围。

低通滤波：低通滤波(Low-pass filter)是一种过滤方式，规则为低频信号能正常通过，而超过设定临界值的高频信号则被阻隔、减弱。但是阻隔、减弱的幅度则会依据不同的频率以及不同的滤波程序(目的)而改变。它有的时候也被叫做高频去除过滤(high-cutfilter)或者最高去除过滤(treble-cut filter)。低通过滤是高通过滤的对立。

MCU:微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)，又称单片微型计算机(SingleChip Microcomputer)或者单片机，是把中央处理器(Central Process Unit；CPU)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。诸如手机、PC外围、遥控器，至汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等，都可见到MCU的身影。

如图1所示的电源纹波测试电路，包括依次串联的电源输入端、隔直电容、有源低通滤波放大电路、钳位电路、MCU控制器。

电源输入端连接隔直电容的一端，隔直电容的另一端连接所述有源低通滤波放大电路的输入端，所述钳位电路由从上到下依次串联的电压VDD、二极管D1、二极管D2、接地端GND组成，所述有源低通滤波放大电路的输出端与二极管D1的正极、二极管D2的负极、控制器的信号输入端相连。

被测电源纹波信号通过隔直电容，滤除了直流成分，只保留了纹波等交流信号，纹波等交流信号之后进入中间这一级有源低通滤波放大电路，该放大电路的作用是使用有源低通滤波方式，滤除线路高频噪声，通过运算放大器和电阻电容的一定组合，经过电路仿真和计算，选择一定的参数配置，将带宽限制在一定范围，一般在250khz左右，既保证有效测量信号的保留，同时将高频噪声滤除掉，以便更真实的测试纹波大小。

该有源低通滤波放大电路还有一个作用是将纹波做一定的放大，以适配ADC的采集范围，提高测量分辨率和精度。图1中D1和D2为钳位二极管，用于防止上电掉电等情况的过冲和超量程，保护后端器件，在钳位以后就送入到一个带有ADC的MCU的ADC输入管脚，该电路使用1M采样率的ADC，通过其ADC将输入的纹波实时采集，然后软件将一段采集的数据做一定计算来实现纹波有效值和峰值的测量。

本电路与一般的纹波测量电路不同，没有采用超高的带宽调理电路和超高的ADC采集，而是采用低通有源放大电路，将输入信号的带宽限制在一定范围，因为实际调研发现，普通的开关电源纹波大多就是在几十kHz到200多kHz范围内，所以对于多数电源纹波的测量，完全没必要使用几百兆的带宽来测量，宽带宽不仅会引入不必要的高频噪声，使得测量结果不准确，而且成本贵。

进一步地，为了实现波纹的有效值和峰值计算，控制器中的测量软件先通过ADC采样获取一组M个，M取200，经滤波和运算放大之后的电压数据，该组M个数据集合取名U，后对获取到的数据进行分析，获取纹波峰峰值和有效值。

纹波峰峰值计算算法：

在200个数据中，查找出最大的N个最小的N个数据，其中N取20，计算最大N个数据(该组N个数据集合取名P)的平均值Vmax和最小N个数据(该组N个数据集合取名Q)的平均值Vmin。则峰峰值Vpp＝Vmax-Vmin。相关公式如下：

纹波有效值的计算算法：

对M个数据进行方均根计算，得到的值即为有效值Vrms。方均根计算即将M个数据全部取平方，后将M个平方后的数相加得到一个和值，最后对该和值除以M后求平方根。公式如下：

如图2所示GND为参考地,VDD为单片机的供电电压,MCU即单片机，或称微控制器。

如上图2所示，被测纹波信号通过隔直电容，滤除了直流成分，只保留了纹波交流信号，然后通过有源低通滤波放大电路，使用有源低通滤波方式，滤除线路高频噪声，同时有源低通滤波放大电路通过运算放大器和电阻电容的组合，将带宽限制在一定范围，既保证有效测量信号的保留，同时将高频噪声滤除掉，以便更真实的测试纹波大小，所述有源低通滤波放大电路还将纹波做一定的放大，以适配ADC的采集范围，提高测量分辨率和精度，有源低通滤波放大电路输出的信号经过钳位以后送入到一个带有ADC的单片机的ADC输入管脚，所述控制器通过其ADC将输入的纹波实时采集，然后运行软件将一段采集的数据做一定计算来实现纹波有效值和峰值的测量。

一、有源低通滤波放大电路详细说明：

该发明电路的核心在于中间的有源低通滤波放大电路，该电路有两级放大电路组成，前级主要是低通滤波和信号放大，其放大倍数可以由以下公式计算得到：

式中，

由上式及低通滤波器的幅频特性曲线可知，对于信号频率f小于f_p的信号，其电路的增益(即放大倍数)约为R6/R5，而对于高于f_p的高频噪声信号被逐渐衰减掉了，频率越高衰减越大。我们可以选择一定的R5和R6的值，来实现输入信号的放大，同时选择合适的R6和C1，来实现截止频率为250kHz的低通滤波。

第二级放大电路的主要作用是缓冲隔离作用，用于将信号跟随放大来驱动后级的ADC，其中R8和R9的值相等，构成1：1的求和电路，将输入信号和ADC的满量程电压求和，用于将前级的信号拉高到0V电平以上(由于前级信号经过隔直电容去掉了直流成分，变成了具有正负极性的信号，而ADC无法采集低于0V的电压信号)，以方便ADC采集。

如图3所示的电源纹波测试方法，包括步骤：被测纹波信号通过隔直电容，滤除了直流成分，只保留了纹波交流信号，然后通过有源低通滤波放大电路，使用有源低通滤波方式，滤除线路高频噪声，同时有源低通滤波放大电路通过运算放大器和电阻电容的组合，将带宽限制在一定范围，既保证有效测量信号的保留，同时将高频噪声滤除掉，以便更真实的测试纹波大小，所述有源低通滤波放大电路还将纹波做一定的放大，以适配ADC的采集范围，提高测量分辨率和精度，有源低通滤波放大电路输出的信号经过钳位以后送入到一个带有ADC的控制器的ADC输入管脚，所述控制器通过其ADC将输入的纹波实时采集，然后运行软件将一段采集的数据做一定计算来实现纹波有效值和峰值的测量。

其中，核心电路就在中间这一级有源低通滤波放大电路，该电路通过运算放大器和电阻电容的一定组合，经过电路仿真和计算，选择一定的参数配置，将带宽限制在一定范围，一般在250khz左右，既保证有效测量信号的保留，同时将高频噪声滤除掉，以便更真实的测试纹波大小。

该有源低通滤波放大电路还有一个作用是将纹波做一定的放大，以适配ADC的采集范围，提高测量分辨率和精度。图中D1和D2为钳位二极管，用于防止上电掉电等情况的过冲和超量程，保护后端器件，在钳位以后就送入到一个带有ADC的MCU的ADC输入管脚，该电路使用1M采样率的ADC，通过其ADC将输入的纹波实时采集，然后软件将一段采集的数据做一定计算来实现纹波有效值和峰值的测量。

本发明的关键就是中间的低通有源滤波放大电路，其低通的元件参数和低通电路均会影响测试效果，另外就是纹波峰峰值和有效值的软件计算方法。本发明电路的特点就是简洁高效，成本低廉，方便直接集成到电源、电子负载等电子产品中去。

虽然上面已经参考实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。因此，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以下权利要求(包括所有等同物)旨在限定本发明的精神和范围。以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种电源纹波测试电路，其特征在于：包括依次串联的电源输入端、隔直电容、有源低通滤波放大电路、钳位电路、控制器，所述有源低通滤波放大电路将输入信号的带宽限制在一定范围，并剔除高频噪声。

2.根据权利要求1所述的电源纹波测试电路，其特征在于：所述电源输入端连接隔直电容的一端，隔直电容的另一端连接所述有源低通滤波放大电路的输入端，所述钳位电路由从上到下依次串联的电压VDD、二极管D1、二极管D2、接地端GND组成，所述有源低通滤波放大电路的输出端与二极管D1的正极、二极管D2的负极、控制器的信号输入端相连。

3.根据权利要求2所述的电源纹波测试电路，其特征在于：所述控制器的信号输入端具体设置为ADC输入管脚，该管脚将输入的电源纹波实时采集，然后通过控制器中的软件将一段采集的数据做一定计算来实现纹波有效值和峰值的测量计算。

4.根据权利要求3所述的电源纹波测试电路，其特征在于，所述有效值的计算方法是：通过ADC输入管脚采样获取一组M个经滤波和运算放大之后的电压数据集合U,在M个数据中，查找出最大的N个数据和最小的N个数据，计算所述最大的N个数据的平均值Vmax,所述最大的N个数据集合为P，计算所述最小的N个数据的平均值Vmin，所述最小的N个数据集合为Q，则纹波峰值Vpp＝Vmax-Vmin，其中

M≥2，N≥1。

5.根据权利要求3或4所述的电源纹波测试电路，其特征在于，所述峰值的计算方法是：通过ADC输入管脚采样获取一组M个经滤波和运算放大之后的电压数据集合U,对M个数据进行方均根计算，得到的值即为有效值Vrms，所述方均根计算即将M个数据全部取平方，然后将M个平方后的数相加得到一个和值，最后将该和值除以M后求平方根，具体公式如下：

其中M≥2。

6.一种电源纹波测试方法，其包括步骤：被测纹波信号通过隔直电容，滤除了直流成分，只保留了纹波交流信号，然后通过有源低通滤波放大电路，使用有源低通滤波方式，滤除线路高频噪声，同时有源低通滤波放大电路通过运算放大器和电阻电容的组合，将带宽限制在一定范围，既保证有效测量信号的保留，同时将高频噪声滤除掉，以便更真实的测试纹波大小，所述有源低通滤波放大电路还将纹波做一定的放大，以适配ADC的采集范围，提高测量分辨率和精度，有源低通滤波放大电路输出的信号经过钳位以后送入到一个带有ADC的控制器的ADC输入管脚，所述控制器通过其ADC将输入的纹波实时采集，然后运行软件将一段采集的数据做一定计算来实现纹波有效值和峰值的测量。

7.根据权利要求6所述的电源纹波测试方法，其特征在于，所述有效值的计算方法是：通过ADC输入管脚采样获取一组M个经滤波和运算放大之后的电压数据集合U,在M个数据中，查找出最大的N个数据和最小的N个数据，计算所述最大的N个数据的平均值Vmax,所述最大的N个数据集合为P，计算所述最小的N个数据的平均值Vmin，所述最小的N个数据集合为Q，则纹波峰值Vpp＝Vmax-Vmin，其中

M≥2，N≥1。

8.根据权利要求6或7所述的电源纹波测试方法，其特征在于，所述峰值的计算方法是：通过ADC输入管脚采样获取一组M个经滤波和运算放大之后的电压数据集合U,对M个数据进行方均根计算，得到的值即为有效值Vrms，所述方均根计算即将M个数据全部取平方，然后将M个平方后的数相加得到一个和值，最后将该和值除以M后求平方根，具体公式如下：

其中M≥2。

9.根据权利要求6所述的电源纹波测试方法，其特征在于：所述带宽限制在一定范围，具体限制在250khz左右，既保证有效测量信号的保留，同时将高频噪声滤除掉，以便更真实的测试纹波大小。

10.根据权利要求6所述的电源纹波测试方法，其特征在于：所述控制器采用MCU，且MCU采用1M采样率的ADC，通过所述ADC对输入的电源纹波实时采集。