圖 1：Keysight In?niiVision X 系列示波器支持的電源表征測量項目
什么是頻率響應？
頻率響應是指系統對不同頻率輸入信號的響應情況，即輸出與輸入之間的幅度和相位隨頻率變化的關系。通過研究系統的頻率響應，可以了解系統對不同頻率成分的傳遞特性，幫助工程師設計出滿足特定需求的系統。
線性時不變系統在正弦輸入信號的激勵下到達穩態后，其輸出信號仍為正弦信號，且頻率與輸入信號相同，但幅值和相位可能發生變化。系統對不同頻率的正弦輸入產生的不同輸出響應中，我們主要關注幅值和相位隨信號頻率的變化。
頻率響應的重要性
頻率響應對系統的性能和穩定性具有重要影響，主要體現在以下方面：
電源實際上是一個包含了負反饋控制環路的放大器，如圖 2 所示。這意味著雖然您可以把電源看作是一個直流放大器，但它實際上會放大交流信號并對輸出條件的變化做出響應，比如負載變化。
圖 2：環路響應測試時電源閉環反饋網絡和示波器連接設置
為了實現控制環路響應測試，您需要注入一個誤差信號到控制環路的反饋路徑中。在圖2中，這個反饋路徑就是指 R1 和 R2 的電阻分壓器網絡。我們需要把一個較小的電阻器串聯到反饋環路中，才能注入一個誤差信號。原理圖中顯示的這個 5Ω?注入電阻與 R1 和 R2 串聯阻抗相比是微不足道的。所以，您也許可以考慮把這個低阻值注入電阻（Rinj）作為長久使用的測試器件。另外使用一個注入變壓器（例如 Picotest J2101A）來隔離這個交流干擾信號，從而不產生任何的直流偏置。
此處的測量系統是一臺內置 WaveGen?函數/任意波形發生器的 In?niiVision X 系列示波器，可以測量在反饋網絡（Vin）的頂部和電源直流輸出（Vout）上的交流電壓電平。示波器還可以計算在掃描頻段內每個測試頻率點上的增益，dB= 20Log(Vout/Vin)。同時還測量 Vin 和 Vout 之間的相位差。
嚴謹準確的測試技術是環路響應測試的必備條件。 Vin 和 Vout 在某些測試頻率點上的紋波電壓非常的小，很容易被示波器本底噪聲或者待測電源自身噪聲所淹沒，提高測試的信噪比可以提高頻率響應(伯德圖)測試的動態范圍。盡管大部分示波器都標配10:1無源探頭，但是使用1:1無源探頭才能更好的降低示波器底噪和電源開關噪聲的影響，進而提高測試信噪比。是德科技推薦使用35MHz帶寬的1:1無源探頭N2780A進行環路響應測試。
縮短探頭的地線長度對這個測試也很有幫助。探頭標配的接地線有些時候會像天線一樣吸收開關噪聲，如果在Vin和Vout測試點附近有接線柱，您可以去掉標配的長地線和探頭帽，然后如圖3所示直接把探頭前端的探針和地斜靠在接線柱上。如果沒有接線柱，在PCB上找到一個較近的接地點，然后利用無源探頭附帶的彈簧地線附件做一個較短的地線連接，或者設計時預留一個探頭接口在PCB板上，可以獲得最佳的低噪聲地線連接同時不需要用手固定探頭。
圖 3：使用短地線測量可以在環路響應測試中提供最好的信噪比
圖 4 展示了一個開關電源評估板進行環路響應測試時需要配置的隔離變壓器和1:1無源探頭，隔離變壓器使用的是Picotest的N2101A注入變壓器。這個電源測試板設計時已經在反饋回路中放置了5Ω注入電阻。
圖 4：環路響應測試隔離變壓器和1:1無源探頭的配置
環路響應測試需要使用一個帶有電源測試選件的 In?niiVision X系列示波器，第一步先在電源測試項目列表里選擇環響應測試，然后選擇如圖5所示的 設置&應用 菜單，我們先用固定 200mVpp 峰峰值和50Ω阻抗的默認設置進行這項測試，由于隔離變壓器連接的注入電阻只有5Ω，實際上加在注入電阻上的電壓只有36mVpp左右。
圖 5：環路響應測試參數設置
請注意大部分頻率響應分析儀或矢量網絡分析儀設置注入電壓時是Vrms或者dBm并且是基于50Ω注入電阻，如果您要對比不同設備的測試結果（示波器，頻率響應分析儀，網絡分析儀），即便是在電壓單位不同的時候（Vpp，Vrms，dBm），也要務必確保注入電壓設置是相同的。
設置好測試參數之后直接點擊 應用 按鈕，如圖6所示，藍綠色和橙色分別為增益和相位在100Hz到20MHz掃描頻段內的曲線。示波器還在屏幕坐下角自動顯示相位裕度（PM）和增益裕度（GM）測試結果。
環路響應測試需要使用一個帶有電源測試選件的 In?niiVision X系列示波器，第一步先在電源測試項目列表里選擇環響應測試，然后選擇如圖5所示的 設置&應用 菜單，我們先用固定200mVpp 峰峰值和50Ω阻抗的默認設置進行這項測試，由于隔離變壓器連接的注入電阻只有5Ω，實際上加在注入電阻上的電壓只有36mVpp左右。
圖 6：環路響應測試在固定注入電壓的增益曲線和相位曲線
我們可以看到測試結果中低頻時增益和相位結果有抖動，這種結果說明在這種頻率下信噪比可能太低了。一個簡單的提高信噪比的方法是把所有頻段的注入電壓幅值提高。但是提高注入電壓可能會造成信號失真或者0dB穿越時對應的相位裕度結果不對。
一個比較好的提高信噪比的方法是利用圖7所示的測量工具里的幅值配置功能來定制不同的注入電呀，通過幅值配置功能，您可以在待測電源敏感的頻率段使用低幅值注入電壓，在待測電源不敏感的頻率段使用高幅值注入電壓。開關電源反饋網絡一般在0dB穿越點附近最敏感，我們測的這個電源板是60KHz左右。
圖 7：利用幅度配置優化信噪比
圖8展示了通過定制注入電壓后的環路響應增益和相位的測試結果，可以看到因為信噪比不夠造成的測試結果抖動明顯變得很小。
圖 8：優化注入電壓配置后增益和相位測試結果
如何確定最適合的注入電壓呢？
有工程師建議開始時用一個相對高的注入電壓進行測試，然后逐漸降低幅值進行多次測試，直到0dB穿越頻率穩定在某個頻率點。頻率響應測試一般多次的重復測試迭代出合適的注入電壓以得到最好的動態范圍，利用是德科技示波器方案的頻率響應測試，一般您可以更快的找到合適的注入電壓。
請注意您也可以使用是德科技示波器方案進行單個頻率點的相位和增益測量。這個方案允許您在單個頻率點運行測試，例如在預計的0dB穿越頻率附近的某個頻率點，然后在示波器的波形發生器設置菜單里手工調整注入信號的電壓和頻率同時可以直觀地觀察實時波形的變化。
例如您可以像圖6那樣以一個固定的低注入電壓運行整個掃頻范圍的測試來確定大概的0dB穿越頻率。在這個例子中我們知道0dB穿越頻率是62KHz左右，然后運行62KHz單個頻率點的測試并且逐漸升高注入電壓直到觀察到信號失真。一旦您決定了0dB穿越頻率附近的最大注入電壓，您可以簡單地在所有頻段內使用注入電壓。您可以在不同的頻率點進行更多的單頻率點測試以優化低頻或者高頻時的注入電壓幅度。
總結
示波器是當今工程師測試和表征電源設計最基礎的測量設備。是德科技In?niiVision X系列是業界唯一一款可以自動測量環路響應的示波器，通過和是德科技網絡分析儀測試結果對比，增益和相位測試結果都非常接近。
高端技術帶來先進的功能。 充分了解如何使用示波器及其高級功能，可以幫助您獲得更多洞察力并創建更好的設計。了解可以提高效率的測試步驟。
您的示波器能否捕獲難以捉摸的事件？
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