1. 首先应选择噪声最小的示波器和探头。

当您测量仅有几毫伏的信号时，如果噪声也差不多大小，那么肯定不会得到满意的测量结果。示波器和探头的噪声可能会掩盖掉周期性干扰和随机性干扰。所有示波器都带有 前端，它会产生一定的噪声并添加到信号中。示波器显示的测量结果实际上包含被测信 号和示波器噪声两部分。在示波器中，50 Ω 路径的噪声比 1 M Ω 路径小得多，因此 50 Ω 路径更适合电源轨测量。

在 1 GHz 带宽下，噪声最高的示波器与噪声最低的示波器相比，噪声电平的差距能够 达到 3 倍左右。确定您的示波器有多大噪声很容易。断开所有输入，然后测量每种垂 直标度设置下的 VAC rms。工程师在测试电源轨时通常更关注噪声峰峰值 (Vpp) 测量结果， 因为电源轨上的纹波和噪声一般是用峰峰值来测量的。在您将要使用的每个垂直灵敏度 下重复执行噪声测量。测量结果会生成一个类似图 1 所示的图形。对于电源轨测量， 使用 50 mV/ 格或更小的垂直标度设置。新示波器的此类信息通常在制造商提供的技术 资料中给出。如果您有两种不同的示波器候选，可以根据测量结果来决定使用哪种示波 器。如果您只能使用特定的示波器，那么可以利用测量获得的噪声值来确定最适合的示 波器通道。在每个垂直标度设置下，各通道的噪声都略有差异。如果您更青睐 ADC 分 辨率超过 8 位的示波器，您就会发现当垂直灵敏度为 20 mV 或更小时，示波器噪声的 影响要远远大于示波器的 ADC 分辨率。影响测量结果显示的最大因素不是分辨率，而是噪声。

图 1. 花几分钟测试示波器的噪声。图中显示了 Keysight Infiniium S 系列示波器在 1 GHz 带宽下的噪声特 性。在最灵敏的垂直标度设置下，噪声最小。因此，最好将垂直标度设置为让电源轨占据示波器屏幕上 绝大部分区域。

除了示波器所引发的噪声外，连接的探头或电缆也会增加噪声。与衰减比较高 ( 例如 10:1) 的探头相比，衰减比较低 ( 例如 1:1) 的探头其噪声也较低，因此在电源轨测量中 更常用。图 2 的例子中有 2 个探头，分别连接到同一台示波器。一个探头在示波器噪声上只增加了非常小的噪声；而另一个探头对总体噪声的影响是前者的 10 倍。为了测试探头噪声，可以将探头连接至将要使用的示波器通道。然后将探针接地，并测量 Vac rms 或 Vpp。这就是示波器和探头的噪声。示波器厂商通常不公布探头噪声指标 ( 仅公布 Vrms AC)，因此您需要咨询租赁商并运行这种快速检查。

图 2. 探头噪声添加到示波器噪声上。屏幕上显示的是电源轨测量可能使用的两个不同探头的噪声。 Tektronix P6248 探头的噪声是 Keysight N7020A 电源轨探头的 10 倍。

选择低噪声的探头甚至比选择低噪声的示波器更重要。探头的噪声通常比示波器更大。 例如，Keysight N7020A 电源轨探头添加的噪声就非常小，与 Infiniium 示波器连接时， 它只增加了 10% 的噪声。

2. 使用降噪技术。

在特定示波器中，最大的噪声部分是宽带噪声。断开示波器的所有输入，即可对频域中的噪声结果实施 FFT 运算。图 3 的实例显示了对 4 GHz 带宽 Infiniium S 系列示波器执行 FFT 运算的结果，可见在示波器的整个带宽范围内噪声密度都是一致的。对 FFT 下 的区域进行积分运算，您将得到与时域结果相同的噪声值。

打开带宽滤波器可以降低宽带噪声，得到更准确的测量结果。如果您的测量不需要使用 示波器的全部带宽，那么尽量限制所使用的带宽大小。不过，带宽限制滤波器的缺点 有哪些？当您需要查看较高频率的信号时，必须保证没有对带宽做太多限制。请看图 3 中的例子，如果您使用 35 MHz 带宽的探头，那么就看不到信号源输出的干扰或串扰中 超过 35 MHz 的频率分量。虽然纹波的频率通常是 kHz 级的，但来自耦合信号源和快 速信号边沿的周期性失真可能包含超过 1 GHz 的音频。

图 3. 2.5 GHz 带宽的电源轨测量结果，右下图为带宽限制在 20 MHz 的电源轨测量结果。在高带宽下， 您可以清晰地看到高频干扰，但是在打开 20 MHz 带宽限制后就看不到了。

另一种降低噪声的方法不是很引人注目，但是一样重要。前面提到过，示波器的带宽和垂直灵敏度都对噪声有影响。垂直灵敏度越低，噪声就越小。以 1 GHz 带宽的 Keysight Infiniium S 系列示波器为例，示波器的噪声在 50 mV/ 格标度下为 450 uV，在 20 mV/ 格下只有 160 uV，在 2 mV/ 格下更是降低到 90 uV。因此关键是要使用能够实 现最高信噪比的灵敏度。这意味着您应把电源轨测量的标度设定为占据示波器垂直量程的绝大部分。如果您需要同时查看两个电源轨，可以把它们上下分屏显示，每一个电源轨占示波器屏幕网格的一半，但是这样将导致噪声增加。想要进行噪声更低、更准确的测量，应把各自的网格垂直标度设置为更小值。

3. 使用符合偏置要求且具有最高直流输入阻抗的探头。

电源轨测量要求用户在示波器屏幕中心位置显示轨电压，并放大显示以测量纹波和观察 瞬态特性。示波器通常会产生随着垂直标度变化的偏置。当在小垂直增益下放大显示时， 内置偏置经常会不够用。例如在 Infiniium S 系列上，当放大到 10 mV/ 格标度下进行显 示时，可用偏置仅有 24 mV。这使它不可能放大到显示 3.3 V、1.6 V 或其他电压的功率轨测量结果。您将发现大多数示波器都是这种情况。解决这一问题有两种办法。

许多工程师选择使用隔直流电容器来消除直流值。这种方法的好处在于用户能够只查看 信号的交流分量，但主要缺点是无法查看直流漂移和电压下降情况。直流值可能会随着 器件的开启和关闭而发生变化，用户除了要知道交流特性外，了解直流值也非常重要。 因此通常不建议使用隔直流电容器。

图 4. 左图是使用隔直流电容器的电源轨的测量结果。受隔直流电容器的影响，您无法看到直流漂移。 右图显示的是使用 N7020A 电源轨探头测量同一个电源轨的结果。N7020A 使用户可以同时查看电源轨信号的交流值和直流值。

实现偏置要求的更好办法是使用偏置探头。 探头制造商通常在探头设计中加入偏置功能。 这种偏置可以很好地补充示波器偏置的不足。例如，在前面提到的例子中，示波器只能 提供 +/- 24 mV 的偏置，加上 N7020A 电源轨探头，用户可以获得 +/- 24V 的偏置。这个偏置范围覆盖了绝大多数电源轨直流值， 使用户能够以最小 1 mV/格的标度放大信号， 不会给偏置增加任何限制。

4. 使用输入阻抗较大的探头。

前面说过，要想最大限度降低噪声，最好使用示波器的 50 Ω 输入端。您是直接将同轴 电缆连接到 50 Ω 输入端，还是使用探头连接？哪种选择更好？ 这需要根据连接方法的输入阻抗而定。电源轨的阻抗通常小于 1 Ω。当用户用 50 Ω 同轴电缆连接示波器和 电源轨时，会发生两种情况。首先，50 Ω 连接会构成电阻分压网络。部分电流将会通 过同轴电缆流向示波器。因此部分电流将会被吸离目标系统。其次，示波器现在测量的直流值实际上要小于增加 50 Ω 输入阻抗之前的原始直流值。这种方法的问题在于用户不能获得精确的直流测量结果同样因为这个原因，即使您的示波器本身可以提供足够的偏置，但最好还是使用具有偏置的高阻抗探头。

目前，市面上已经出现专门为电源轨测量而设计的探头。电源轨探头专为功率完整性测 量而设计，通过在其他目标特性方面的折中而获得了最精确的电源轨测量能力。这些特性包括低噪声 ( 和相关的 1:1 衰减比 )、高偏置范围、高直流输入阻抗以及用于查看瞬 态特性的足够带宽。例如，Keysight N7020A 电源轨就是一种电源轨探头。该探头拥有 50 KΩ 的直流输入阻抗。与前面使用 50Ω 同轴电缆直接连接 50Ω 示波器输入端的例子 相比，它对负载的影响小 1000 倍。

随着电源电压的不断降低以及供电网络的日趋复杂，用户对更精确测量电源轨的需求将继续增长。能够出色地完成功率完整性测量的示波器和探头组合并不多，选择和使用正确的工具以及其他相关技术将有助于用户实现最精确的电源轨测量。

图 5. 10 位 Infiniium S 系列示波器与电源轨探头是完美的测量组合。关键的功率完整性技术指标包括低噪声、宽带限制滤波器以及支持最小 16 mV 信号的 10 位分辨率。

Keysight N7020A 电源轨探头专为功率完整性测量而设计。大偏置范围、低噪声、高直流输入阻抗和带宽等先进特性使它非常适合测 量供电网络的周期性干扰和随机干扰。