Spectrum View 在电源网络调试 及PLL故障诊断场景的应用

本文将通过常见的电源网络调试及PLL故障诊断等测试场景进一步描述Spectrum View的应用。
 

图1. MSO64采用全新TEK049平台和超低噪声前端TEK061

Spectrum View在电源调试中的应用

作为电子系统的动力源泉，电源网络质量的优劣将直接影响系统能否正常工作，因此电源测试及调试是保证系统正常工作极其重要的一环。系统中常用的电源种类较多，包括SMPS (AC-DC, DC-DC)及LDO，对于这些电源，一般除了关注电压幅度之外，现在也越来越多地开始关注电源纹波信号，尤其是对于RF IC及HSS IC的供电。因为电源网络中的高频噪声可能会串入这些敏感电路，从而造成干扰。

即使电源纹波比较微弱，对敏感电路带来的影响也不可忽略。在电源纹波测试方面存在两个问题：(1) 能否测到微弱的电源纹波？(2) 如何快捷地确定电源噪声频率？这两点都是在纹波测试时面临的挑战，使用泰克最新平台示波器MSO64并借助于极低噪声、高带宽电源轨探头，这些问题便迎刃而解。

新平台示波器MSO64采用全新TEK049平台，不仅实现了4通道同时打开时25GS/s的高采样率，而且实现了12-bit高垂直分辨率。同时，由于采用了新型低噪声前端放大ASIC TEK061，大大降低了噪声水平，在1mv/div时，实测的本底噪声RSM值只有58uV，远远低于市场同类示波器。这些特性都是MSO64频谱模式——Spectrum View获得高动态、低噪底的强有力保证。

MSO64借助于TPR1000/4000电源轨探头，系统噪声可以低至300uVpp，极大地提高了微弱信号测试能力，这是普通探头所远远不及的。TPR系列探头的带宽高达4GHz，并可提供±60V的offset电压范围，非常适合测试常规电源的高频噪声。此外，TPR探头还提供了丰富的探测前端，支持灵活的探测连接方式，包括点测、焊接测试、卡接、插接等方式。

电源纹波测试时，可能多数情况下测得的纹波并不是正弦波，如图3所示，纹波的时域波形比较“乱”，局部放大波形后虽然也能观察到周期性，但是并不知道纹波的频率成分。当打开Spectrum View后，可以非常清晰地看到电源上噪声的频谱，如图5所示。电源噪声频谱中主要包括两组频率成分：8kHz及其谐波分量和间距为200Hz的线状谱。线状谱主要是由图3所示的周期为5ms的脉冲所致，而8kHz及其谐波是由于电路板上的时钟信号串扰所致，这为电路板的故障诊断提供了调试依据。
 

图2. 泰克可提供高性能电源轨探头
 

图3. 微弱电源纹波测试波形
 

图4. 微弱电源纹波测试波形(局部放大)
 

图5. 电源噪声波形及频谱分析

Spectrum View在PLL调试中的应用

凭借优异的相噪性能和频率稳定度，基于PLL的频率综合器已广泛应用于射频/uW及HSS电路。在PLL开发调试过程中，为了提高诊断和测试效率，需要多通道测试设备同时观测多路信号，包括射频输出、VCO直流电压、VCO调谐电压等，以便于联动分析。因为VCO供电及调谐电压是否稳定及纯净将直接影响PLL的性能，甚至导致PLL失锁。

图6是一个频率工作在约2.4GHz处的PLL实际输出的信号频谱，此时PLL处于稳定的状态。但是，当降低RBW后发现，信号中存在很多杂散，如图7所示。图中同时打开了三个通道的spectrum view，Ch.1观测射频信号频谱，Ch.2/3分别观测调谐和直流电压波形的频谱。

三个通道频谱的中心频率可以设置不同，Ch1.设置为2.42GHz，Ch.2/3设置为20MHz，span均设置为50MHz。从图7中可以看出，调谐和直流电压的时域波形并不稳定，而是包含了很多杂散频率成分。对比三个通道的频谱发现，射频频谱上的杂散基本都是由调谐和直流电压波形上的杂散直接调制而来的。因此，为了提高射频信号频谱纯度，需要对供电和调谐电压作滤波处理。
 

图6. PLL稳定工作时的频谱
 

图7. 使用Spectrum View分别观测PLL射频及供电/调谐电压的频谱

Spectrum View的时频域联动分析功能，还便于PLL失锁分析，图8捕获了PLL的失锁状态，通过分析此时的电压波形可知，调谐电压出现问题导致PLL失锁，与此同时，也导致直流电压波形瞬间异常。除了可以排查失锁故障，Spectrum View的这种特性也可以用于测试PLL的稳定响应时间。
 

图8. 多通道测试协助PLL失锁故障分析

结论
本文着重介绍了泰克示波器全新频谱分析功能Spectrum View在电源调试和PLL故障排查诊断中的应用。实测表明，Spectrum View的多通道时频域联动分析，非常便于干扰信号定位以及电路故障排查，为开发工程师调试产品提供了重要依据。