我们的电路板出现了问题，在定位问题的过程中通常会用到万用表、示波器等测试工具，这些设备在测试过程中自身的阻抗是需要考虑的，比如在测电流的时候要考虑万用表自身的电阻，示波器探头自身的电阻，下面就是一个用示波器测试过程中探头电阻在故障分析中的影响。

故障现象是有一个表头在通信的过程中偶尔能通信一下，然后就不能通信了，通信部分的电路如下图所示：

箭头1、2为二极管两端，两端的引线接入到单片机比较器的两端，进行比较，识别出正确的通信信号；在用示波器抓取这两端之前分别在箭头1、2出焊接一根测试线，再焊接一根地线，用示波器的两个探头分别连接到1、2处，抓取波形发现波形正常，表头能够正常通信，但一旦取下探头后问题又出现了，为什么会出现这种问题呢？最初以为是C104电容坏了，导致不能通信，重新换了电容后问题依旧；再分析发现是R105电阻开路了，测试R105电阻值发现为一个很大的阻值，重新更换R105电阻后通信就正常了。那为什么连接示波器的时候通信有是正常的，原因是因为示波器的探头对地是有阻值的，我测试了一下我用的示波器探头对地阻值大约10M欧姆，虽然R105电阻开路了，但连接上示波器探头后，就相当于箭头2处对地并联了一个10M欧姆的电阻，所以反而工作正常了，所以在电路分析过程中要把测试设备的电阻考虑进去，这样才能准确的定位问题。

显示示波器探头对地有电阻，另外通过测试示波器探头的对地电阻值也可以发现如果探头接地不好的话，示波器探头对地电阻为无穷的，抓取的信号上有很大的干扰，如下图所示：

可以看到蓝色波形是接地不好的探头，波形上有许多的干扰信号，黄色是接地良好的探头，波形比较干净。

同样，在之前也遇到一个问题，就是在测试的时候发现有水量乱报的情况，分析是因为ldo输出连接了电容，在断电再次上电的过程中电容中还有电压，后端的单片机处于不正确的运行状态，虽然后面在程序中加了调电复位功能解决了这个问题，但这个问题的发现确是在仿真的过程中发现的，因为在用仿真器进行调试的时候，就发现ldo后端电容电压能够被完全释放掉，而在用示波器测试的时候电容上始终有未完全消耗的电压，从这点就找到了问题的根本点。

C103电容为跟单片机供电的电源电容，如果C103放电不干净，后端的单片机会处于不正常工作状态，所以要加调电复位功能。

下面说说在排除设计问题后，为什么在测试的时候发现电源纹波很大的问题：

何为纹波
由于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。纹波的表示方法可以用有效值或峰值来表示，可以用绝对量，也可以用相对对量来表示。例如一个电源工作在稳压状态，其输出为100V 5A，测得纹波的有效值为10mV，这10mV就是纹波的绝对量，而相对量即纹波系数=纹波电压/输出电压=10mv/100V=0.01%，即等于万分之一。（资料来自网络）

为什么你的电源纹波那么大？

某用户在用500MHz带宽的示波器对其开关电源输出5V信号的纹波进行测试时，发现纹波和噪声的峰峰值达到了900多mV（如下图所示），而其开关电源标称的纹波的峰峰值<20mv。虽然用户电路板上后级还有LDO对开关电源的这个输出再进行稳压，但用户认为测得的这个结果过大，不太可信，希望找出问题所在。

问题分析

电源纹波测试过大的问题通常和使用的探头以及前端的连接方式有关。首先检查了用户探头的连接方式，发现其使用的是如下面左图所示的长的鳄鱼夹地线，而且接地点夹在了单板的固定螺钉上，整个地环路比较大。由于大的地环路会引入更多的开关电源造成的空间电磁辐射噪声以及地环路噪声，于是更换成如下面右图所示的短的接地弹簧针。

经过实际测试，发现测得的纹波噪声的峰峰值有很大改善，如下图所示。但纹波噪声的峰峰值仍然有40多mV，和开关电源厂商标称的<20mV仍有较大差异。

进一步检查用户使用的探头的型号，发现用户使用的是示波器标配的10:1的无源探头。如下图所示。

10:1的探头会把被测信号衰减10倍再送入示波器，然后示波器再对被测信号进行10倍的数学放大。这种探头的好处是通过前面的匹配电路提升了探头带宽可以到几百MHz，而且扩展了示波器的量程，但是对于小信号的测量不是特备有利。如果被测信号幅度本身就小，再衰减10倍可能就淹没在示波器的底噪声里了，即使再做10倍的数学放大，对于信噪比本身也是没有改善的。所以对于电源纹波噪声的测量应该尽量使用小衰减比的探头，比如1:1的探头。于是另外找了一个1:1无源探头，这种1:1的无源探头虽然带宽不高（通常几十MHz），但衰减比小，对于小信号测试非常合适。下图是换用1:1的无源探头后，和10:1 探头在不同带宽限制下的对比测试结果。可以看到，使用1:1探头并设置20MHz带宽限制后，测量到的纹波噪声的峰峰值只有不到10mV，远远好过10:1探头的测试结果。从1:1探头的测试结果里可以看到清晰的纹波的波形，并且满足用户对于电源纹波噪声<20mV的预期。另外，我们也可以看到，带宽限制对于噪声峰峰值也有一定的改善作用。

问题总结

这是一个典型的电源纹波测试的问题。我们通过使用短的地线连接、换用低衰减比的探头以及带宽限制功能使得纹波噪声的测试结果大大改善。一般来说，影响电源纹波测试结果的影响因素按照重要性主要有以下几个：

1、前端连接线和地环路的长度：长的地环路会拾取更多开关电源的电磁辐射以及地噪声，因此需要使用尽可能短的地线连接。

2、探头的衰减比：大衰减比的探头会使得小信号幅度更加微弱，甚至淹没在示波器底噪声里，所以应该尽量使用1:1衰减比的探头。

3、带宽限制：很多电磁噪声和示波器的底噪声都是宽带的，设置合适的带宽限制可以滤除额外的噪声。很多电源纹波噪声测试场合使用20MHz的带宽限制，也有些芯片会要求测到80MHz或200MHz。

4、测量量程：通常会在小量程档下（比如10mv/格或20mv/格）进行电源纹波的测试。量程打得越大，示波器的底噪声越高。但有些示波器的偏置范围有限，在小档位下时可能不能够把被测的直流电压信号拉回到屏幕中心附近进行测量，所以很多时候会使用示波器的AC耦合功能把直流隔离掉再进行纹波噪声测试。

5、输入阻抗：很多示波器有50欧姆和1M欧姆的输入阻抗选择，通常50欧姆输入阻抗下示波器的底噪声更低。不过示波器连接大部分无源探头时都会自动把阻抗切换到1M欧姆，只有连接有源探头或同轴电缆时才可以设置为50欧姆输入阻抗。

在进行实际测试之前，一个比较好的习惯是先检查一下当前使用的设备和设置下的系统的底噪声。下面图中的5个波形分别是使用500M的S系列示波器在使用不同的探头和带宽设置下的底噪声结果。波形从上到下依次为：50欧姆输入阻抗，1:1探头，500MHz带宽；1M欧姆输入阻抗，1:1探头，20MHz带宽；1M欧姆输入阻抗，1:1探头，500MHz带宽；1M欧姆输入阻抗，10:1探头，20MHz带宽；1M欧姆输入阻抗，10:1探头，500MHz带宽。其底噪声的峰峰值从不到1mV直到接近30mV，可见测试中探头、带宽、输入阻抗设置的重要性。

如果手头实在没有合适的低衰减比的探头，也可以用50欧姆的同轴电缆用如下方式自制一个探头。实际上就是把电缆的一头接在示波器上，示波器设置为50欧姆输入阻抗；电缆的另一头剥开，屏蔽层焊接在被测电路地上，中心导体通过一个隔直电容连接被测的电源信号。这种方法的优点是低成本，低衰减比，缺点是一致性不好，隔直电容参数及带宽不好控制。另外，近些年示波器厂商还推出了专门为电源纹波测试设计的探头，结合了低衰减比（1.1:1）、高带宽（硬件2GHz，可以软件设置带宽限制）、兼顾测量需要和噪声的阻抗匹配（探头本身直流输入阻抗为50k欧姆，但示波器端是50欧姆输入阻抗频谱）、短地线（提供很低环路电感的焊接前端）、大偏置范围（可以到±24V）、可以纹波和直流电压同时测试等优点，适用于对于电源纹波测量要求比较高的用户。

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