51c嵌入式~电路~合集7

我自己的原文哦~ https://blog.51cto.com/whaosoft/12163501

一、借助示波器看以太网传输机制

本文以双绞线以太网为分析对象，以混合信号示波器为分析工具，深入探秘了两类常见的双绞线以太网的编码，且实地查看并验证了以太网在物理层的信号传输情况。

最后，通过一个实战例子对比了实际网络中软件接收的数据和示波器捕获信号之间的一致性。

本文打通软硬件之间的隔阂，从物理层揭示了以太网数据传输的机制，也充分发挥了现代化混合信号示波器的总线解码能力。

1 以太网概述

以太网（Ethernet）是一种常见的计算机组网技术，其技术标准在IEEE 802.3中规定 [1]。

目前广泛使用的以太网通过双绞线（俗称网线）交换信息，其技术标准主要在TIA/EIA-568中规定 [2]。

本文以最常见的以太网标准为例，利用混合信号示波器的协议解码功能，揭秘以太网上的信号是如何传输的。

通常对于网络数据的分析都在软件上进行，例如著名的Wireshark工具可以对指定网卡上传输的数据进行捕获并解析 [3]。

但这样的操作屏蔽了物理层的差异，本文将更进一步揭秘物理层上数据具体是如何转变成电信号并传输的。

以太网（10 Base-T）和快速以太网（100 Base-TX）可以使用同一种双绞线进行数据传输，其引脚定义如下图所示。

以T568B为例，其中用到了4根线，构成2个差分对（TX和RX）。不失一般性，我们取其中一对（TX）作为分析对象。因此需要引出Pin 1和Pin 2，用于连接示波器探头来抓取信号。这里剪开一根网线，在Pin 1和2上分别引出一根导线，做成分析用的专用跳线，如下图所示。

这一对线上传输的是差分信号，因此最好用差分探头（例如TDP1500）。当然这里用到的跳线比较短，用普通的无源探头也可以，只是信号质量会受到一定的影响。

2 10 Base-T以太网

10 Base-T的传输速率是10Mbps，使用曼彻斯特编码（相位编码）数据。“0”用下降沿表示，“1”用上升沿表示。如下图所示，这是一段由示波器抓取到的差分波形。在确认最小脉宽后，可以通过判断周期性的边沿方向来辨识“0”或“1”。

接下来，需要将二进制序列组装成数据帧，由于包含多个协议的堆叠（MAC、IP、TCP等），手动解码会比较复杂，可以直接使用示波器的总线解码工具进行解码并显示。如下图所示，将总线设为“Ethernet”，速度设为“10 Base-T”，信号类型设为“差分”，其它选项根据实际情况选择或保持默认就可以了。

解码结果如下图所示，可以看到这是一个IPv4的数据帧，放大后可以看到MAC地址等数据包内的具体内容。

3 100 Base-TX以太网

相比10 Base-T，100 Base-TX带来了10倍的速度提升，达到100Mbps。它的编码协议也变得复杂得多，主要涉及3个关键词：4B5B、MLT-3和NRZ-I。

3.1 4B5B

4B5B表示使用5位二进制编码来表示1组4 bits数据 [4]。这样做的原因是使得传输线上有足够多的跳变用来恢复时钟。4B5B的编码规则是预先定义的，如果仅仅用来解码，只需要查表即可，如下图所示。

举例：“0000”或“1111”如果直接传输，会带来4个一样的编码，很有可能引入较强的直流分量，但经过4B5B编码后，分别变成了“11110”和“11101”，就缓解这个问题了。4B5B的缺点是，需要增加额外的25%传输带宽，因此100 Base-TX虽然数据传输率是100MBps，却需要125Mhz的时钟频率。

3.2 MLT-3

MLT-3表示“Multi-Level Transmit”，即使用多个电压级别来传输数据 [5]。MLT-3使用3个电压，在差分传输线上，3个电压可以归一化记为“-1”、“0”和“+1”。

MLT-3通过切换电压来实现跳变，顺序遵循两个规则：一是，如果跳变前电压是-1或+1，则跳变后电压是0；二是，如果跳变前电压是0，则跳变后电压与上一个非0值的电压相反。

因此可简单总结跳变顺序为：-1 → 0 → +1，或+1 → 0 → -1。

3.3 NRZ-I

MLT-3描述了电压跳变的规则，但没有说明电压跳变与数据“0”、“1”的关系。NRZ-I为“Non-Return-to-Zero Inverted”的缩写，即不归零反转码。这种编码规定数据“0”不跳变，数据“1”跳变。

3.4 示例

综合前面三个关键词，可以简单概括100 Base-TX的电信号变化规律如下：

100 Base-TX首先通过4B5B编码将每4位数据编码成5位二进制编码；接着使用3种电压传输数据，如果数据为“0”，电压不跳变，如果数据为“1”，电压跳变1次，且总是往历史电平相反的方向跳变，例如-1 → 0 → +1，或+1 → 0 → -1。

最后，100 Base-TX并不直接传输信号本身，而是传输信号与扰码的异或结果，如下图所示。截取的信号首先通过MLT-3的规则解码，每5位一组，用绿色字体标识。接下来，找到解扰码（scrambler key）序列。

扰码不是加密，只是用来改善电磁特性。因此，加扰和解扰都只需做异或（XOR）操作，使用同一个序列。

100 Base-TX使用一个11位的线性反馈移位寄存器（LFSR）来生成2047位长的伪随机数序列。这对于手动找到同步的位置带来了非常大的困难，但是如果是程序自动同步，就非常容易了。

解扰后的数据是5 bits一组，反查4B5B的编码表，就可以得到4 bits一组的数据。图7中展示了3个字节的编码分析结果。

虽然100 Base-TX手动解码非常困难，但是借助示波器的总线解码工具，可以非常快速方便地完成解码。示波器的设置，如下图所示。

由于是标准协议，并没有太多选项，将总线设为“Ethernet”，速度设为“100 Base-TX”，信号类型设为“差分”，其它选项根据实际情况选择或保持默认就可以了。

解码结果，如下图所示。

100 Base -TX的解码流程复杂，数据量大，检索不方便，通常需要协议分析软件辅助才可以进一步分析。现在混合信号示波器中已经集成了解码和分析功能，只需要一根特制的网线，就可以完成全部分析工作，彻底将以太网的传输机制展示在屏幕上。

3.5 实战

我们通过2台计算机组成一个小局域网，在局域网之间进行ping操作的实战验证。通过Wireshark捕获，我们可以看到在网口上已经有了若干ping request和reply数据包，如下图所示。在TX差分对上，我们理应找到发出去的ping request数据包，源地址是192.168.0.2，目标地址是192.168.0.1。

在示波器上，我们设置好Ethernet总线解码，并将触发设置为指定的IP。如下图所示，触发位置选为“IP标头”，源地址设为“192.168.0.2”，这样当出现指定源地址的数据包后，示波器就会被触发。

如下图所示，是通过上述设置后示波器捕获并解码的数据包，经过对比，和Wireshark上软件捕获的数据相一致。

4 总结

软件和硬件总是存在一些隔阂。例如在以太网分析上，传统的计算机网络领域主要从软件层面介绍逻辑链路层及更高层的设计和实现，对于物理层的介绍比较简单。

而传统的硬件领域对于数字信号往往只介绍简单的串行总线，并不会拿比较复杂的以太网作为例子。

本文深入分析了两类常见的双绞线以太网的编码，并利用混合信号示波器的总线解码功能，查看并验证了以太网在物理层的信号传输情况。

最后，通过一个实战例子对比了实际网络中软件接收的数据和示波器捕获信号之间的一致性，从物理层揭示了以太网数据传输的机制。

参考文献：

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Ethernet

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/ANSI/TIA-568

[3] https://www.wireshark.org

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/4B5B

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/MLT-3_encoding

二、模拟量采集从硬件到程序，从滤波到实际值转换

❤在单片机系统里对模拟量的处理要比数字量稍显复杂，但是只要掌握了使用技巧，使用起来也很简单，很多朋友一开始比较纠结于单片机的底层语言，非要先弄个明白才罢休，其实大可不必，重要的是我们要先学会怎么应用。

❤现以铅酸电池电压检测及充电电流检测为例讲解模拟量的硬件和程序的设计。

如图1为28节铅酸电池的电压检测电路，1--14节组成电池组1，15--28节组成电池组2；第1节正极为BAT+，14与15节之间为BATM，第28节负极为BAT-。输入端的8个二极管的作用是钳位作用；电路计算如图所示。

图1：电池组电压检测电路

如图2为铅酸电池的充电电流检测电路，TA1为工频电流互感器，输入的4个二极管为整流二极管，电流流过R37（510Ω）形成压差△V。电路计算如图所示。

图2：电池组充电电流检测电路

如图3为单片机STM32F103CBT6，图1和图2的模拟信号输入至单片机的PA5、PA6、PA7。

图3：STM32F103CBT6单片机

由于代码较多，为便于浏览，把其中一部分以截图的形式展示。

如图4为单片机adc.c文件的底层配置，把PA5、PA6、PA7端口配置成模拟输入模式。

图4：配置端口模式

如图5对以上三个模拟量进行模数转换并缓存入数组ADC_ConvertedValue[3]，得到的AD值的范围是0~4096。

图5：模数转换并缓存

如图6把以上两个配置函数整合在一起，定义成模拟量的初始化函数void ADC1_Init(void)。

图6：初始化

如图7在adc.h文件里声明函数void ADC1_Init(void)，另外几个函数也在adc的c文件里定义的，后面附上源程序（非截图）。

图7：声明函数

如图8在main()主函数里调用ADC1_Init()初始化函数（要去掉void），初始化函数一定要放在while(1)的前面，表示在进入while(1)无限循环前只执行一次。Analog_Processing()为模拟量处理函数，要放在while(1)无限循环里面（该函数在下面讲）。

图8，函数调用

以下为模拟量在main.c文件里的定义。

s16 Charging_Current;     //充电电流实际值
s16 Battery1_Voltage;     //电池组1电压实际值
s16 Battery2_Voltage;     //电池组2电压实际值
s16 Battery_Voltage;      //电池组总电压值

❤下面三个函数的定义都在adc.c文件里面定义的。

以下代码为模拟量处理函数：①对数组ADC_ConvertedValue[3]缓存值进行滤波处理；②对滤波后的AD值转换为实际值。

/******************************
模拟量处理函数
******************************/
void Analog_Processing(void)
{
//对AD值进行滤波
ADC_Charging_Current=Filter(ADC_ConvertedValue[0],ADC_Charging_Current,1,10);
ADC_Battery1_Voltage=Filter(ADC_ConvertedValue[1],ADC_Battery1_Voltage,1,10);
ADC_Battery2_Voltage=Filter(ADC_ConvertedValue[2],ADC_Battery2_Voltage,1,10);
//AD值转换为实际值
Charging_Current = Adc_To_Act(ADC_Charging_Current, 10, 4096, 0, 220);//22.0A
Battery1_Voltage = Adc_To_Act(ADC_Battery1_Voltage, 10, 4096, 0, 267);//267V
Battery2_Voltage = Adc_To_Act(ADC_Battery2_Voltage, 10, 4096, 0, 267);//267V
//两组电压相加得到总电压
Battery_Voltage = Battery1_Voltage + Battery2_Voltage;
}

以下代码为滤波函数，滤波函数有很多，采用合适的才是最实用的（该函数滤波后的值是连续变化的，有些滤波函数滤波后的值是跳变的）。

/******************************
滤波函数（base/k越大，容性越大）
该函数相当于是一个电容，通常取值k=1，base=10
******************************/
u16 Filter(u16 NewData, u16 OldData, u8 k, u8 base)
{
  u16 uiResult;
  if (NewData > OldData)
  {
    uiResult = NewData - OldData;
    uiResult *= k;
    uiResult += base >> 2;
    uiResult /= base;
    uiResult = OldData + uiResult; 
  }
  else if (OldData > NewData)
  {
    uiResult = OldData - NewData;
    uiResult *= k;
    uiResult += base >> 2;
    uiResult /= base;
    uiResult = OldData - uiResult; 
  }
  else
  {
    uiResult = NewData;
  }
  
  return(uiResult);
}

使用方法如下：NewData表示最新采用的模拟量；OldData表示滤波后的模拟量。

ADC_Battery1_Voltage=Filter(ADC_ConvertedValue[1],ADC_Battery1_Voltage,1,10);

为便于逻辑计算、控制及显示，以下代码是把AD值转换为实际值，

/******************************
AD值转换实际值函数
******************************/
s16 Adc_To_Act(s16 Adc_Value, s16 Pre_Adc_Min, s16 Pre_Adc_Max, s16 Pre_Act_Min, s16 Pre_Act_Max)
{
s32 _temp;
s32 _range;
_temp = (s32)((Adc_Value - Pre_Adc_Min) * (Pre_Act_Max - Pre_Act_Min) / (Pre_Adc_Max-Pre_Adc_Min)) + Pre_Act_Min;
_temp = Adc_Value - Pre_Adc_Min;
_range = Pre_Act_Max - Pre_Act_Min;
_temp = _temp * _range;
_range = Pre_Adc_Max - Pre_Adc_Min;
_temp = _temp + _range / 2;
_temp = _temp / _range;
_temp = _temp + Pre_Act_Min;
return(_temp);
}

使用方法如下：Adc_Value表示要转换的模拟量；Pre_Adc_Min表示模拟量AD值的最小值；Pre_Adc_Max表示模拟量AD值的最大值；Pre_Act_Min表示转换后实际值的最小值；Pre_Act_Max表示转换后实际值的最大值；（以下最大实际值220表示22.0A，是因为数码管显示需要小数表示）。

Charging_Current = Adc_To_Act(ADC_Charging_Current, 10, 4096, 0, 220);//22.0A

❤要点：

①模拟量的采样电路，我多采用运放的差分放大电路，原因是被测电压可以和运放不用共地，且可有效抑制共模噪声，可达到较高的精确线性测量，比如以上电池组的被测电压的误差与实际相差在0.3V左右；

②电池组输入至运放的8个1M的电阻是两个为一组的，且功率至少1/4W以上，因为在高压下的电阻容易老化，为保险起见，通常一个电阻的最大压差在100V以下为宜；

③电池组分为两组检测，一是为了降低元件所承受的电压，二是为了监视两组电池电压之间是否平衡，达到保护电池目的。

③函数应功能模块化，且具备通用性质，便于移植和调用，对于很多朋友应先学会如何使用，底层代码只要会配置就完全足够了。

当然，以上提供的设计是我通常的做法，能满足大多数的常规应用。

三、提高嵌入式系统抗干扰能力的方式

在提高硬件系统抗干扰能力的同时，软件抗干扰以其设计灵活、节省硬件资源、可靠性好等越来越受到重视。

下面以单片机系统为例，对软件抗干扰方法进行研究。

1 软件抗干扰方法的研究

在工程实践中，软件抗干扰研究的内容主要是：

消除模拟输入信号的噪声(如数字滤波技术);
程序运行混乱时使程序重入正轨的方法。

本文针对后者提出了几种有效的软件抗干扰方法。

1.1 指令冗余

CPU取指令过程是先取操作码，再取操作数。当PC受干扰出现错误，程序便脱离正常轨道“乱飞”，当乱飞到某双字节指令，若取指令时刻落在操作数上，误将操作数当作操作码，程序将出错。若“飞”到了三字节指令，出错机率更大。

在关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写称为指令冗余。通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP。

这样即使乱飞程序飞到操作数上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被当作操作数执行，程序自动纳入正轨。

此外，对系统流向起重要作用的指令如RET、RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入两条NOP，也可将乱飞程序纳入正轨，确保这些重要指令的执行。

1.2 拦截技术

所谓拦截，是指将乱飞的程序引向指定位置，再进行出错处理。通常用软件陷阱来拦截乱飞的程序，因此先要合理设计陷阱，其次要将陷阱安排在适当的位置。whao开发板商城测试设备www.143ai.com

a.软件陷阱的设计
当乱飞程序进入非程序区，冗余指令便无法起作用。通过软件陷阱，拦截乱飞程序，将其引向指定位置，再进行出错处理。

软件陷阱是指用来将捕获的乱飞程序引向复位入口地址0000H的指令。通常在EPROM中非程序区填入以下指令作为软件陷阱：

NOP NOP LJMP 0000H 其机器码为 0000020000。

b.陷阱的安排

通常在程序中未使用的EPROM空间填0000020000。最后一条应填入020000，当乱飞程序落到此区，即可自动入轨。在用户程序区各模块之间的空余单元也可填入陷阱指令。

当使用的中断因干扰而开放时，在对应的中断服务程序中设置软件陷阱，能及时捕获错误的中断。如某应用系统虽未用到外部中断 1，外部中断1的中断服务程序可为如下形式：

NOPNOPRETI返回指令可用“RETI”，也可用“LJMP0000H”。如果故障诊断程序与系统自恢复程序的设计可靠、完善，用“LJMP0000H”作返回指令可直接进入故障诊断程序，尽早地处理故障并恢复程序的运行。

考虑到程序存贮器的容量，软件陷阱一般1K空间有2-3个就可以进行有效拦截。

1.3 软件“看门狗”技术

若失控的程序进入“死循环”，通常采用“看门狗”技术使程序脱离“死循环”。通过不断检测程序循环运行时间，若发现程序循环时间超过最大循环运行时间，则认为系统陷入“死循环”，需进行出错处理。

“看门狗”技术可由硬件实现，也可由软件实现。在工业应用中，严重的干扰有时会破坏中断方式控制字，关闭中断。则系统无法定时“喂狗”，硬件看门狗电路失效。而软件看门狗可有效地解决这类问题。

2 系统故障处理、自恢复程序的设计

单片机系统因干扰复位或掉电后复位均属非正常复位，应进行故障诊断并能自动恢复非正常复位前的状态。

2.1 非正常复位的识别
程序的执行总是从0000H开始，导致程序从0000H开始执行有四种可能：

系统开机上电复位;
软件故障复位;
看门狗超时未喂狗硬件复位;
任务正在执行中掉电后来电复位。

四种情况中除第一种情况外均属非正常复位，需加以识别。

硬件复位与软件复位的识别：

此处硬件复位指开机复位与看门狗复位，硬件复位对寄存器有影响，如复位后PC=0000H，SP=07H，PSW=00H等。而软件复位则对SP、 SPW无影响。

故对于微机测控系统，当程序正常运行时，将SP设置地址大于07H，或者将PSW的第5位用户标志位在系统正常运行时设为1，那么系统复位时只需检测PSW.5标志位或SP值便可判此是否硬件复位。

由于硬件复位时片内RAM状态是随机的，而软件复位片内RAM则可保持复位前状态，因此可选取片内某一个或两个单元作为上电标志。

设40H用来做上电标志，上电标志字为78H，若系统复位后40H单元内容不等于78H，则认为是硬件复位，否则认为是软件复位，转向出错处理。若用两个单元作上电标志，则这种判别方法的可靠性更高。

开机复位与看门狗故障复位的识别：

开机复位与看门狗故障复位因同属硬件复位，所以要想予以正确识别，一般要借助非易失性RAM或者EEROM。

当系统正常运行时，设置一可掉电保护的观测单元。当系统正常运行时，在定时喂狗的中断服务程序中使该观测单元保持正常值(设为AAH)，而在主程中将该单元清零，因观测单元掉电可保护，则开机时通过检测该单元是否为正常值可判断是否看门狗复位。

正常开机复位与非正常开机复位的识别：

识别测控系统中因意外情况如系统掉电等情况引起的开机复位与正常开机复位，对于过程控制系统尤为重要。

如某以时间为控制标准的测控系统，完成一次测控任务需1小时。在已执行测控50分钟的情况下，系统电压异常引起复位，此时若系统复位后又从头开始进行测控则会造成不必要的时间消耗。

因此可通过一监测单元对当前系统的运行状态、系统时间予以监控，将控制过程分解为若干步或若干时间段，每执行完一步或每运行一个时间段则对监测单元置为关机允许值，不同的任务或任务的不同阶段有不同的值，若系统正在进行测控任务或正在执某时间段，则将监测单元置为非正常关机值。那么系统复位后可据此单元判系统原来的运行状态，并跳到出错处理程序中恢复系统原运行状态。

2.2 非正常复位后系统自恢复运行的程序设计

对顺序要求严格的一些过程控制系统，系统非正常复位否，一般都要求从失控的那一个模块或任务恢复运行。所以测控系统要作好重要数据单元、参数的备份，如系统运行状态、系统的进程值、当前输入、输出的值，当前时钟值、观测单元值等，这些数据既要定时备份，同时若有修改也应立即予以备份。

当在已判别出系统非正常复位的情况下，先要恢复一些必要的系统数据，如显示模块的初始化、片外扩展芯片的初始化等。其次再对测控系统的系统状态、运行参数等予以恢复，包括显示界面等的恢复。之后再把复位前的任务、参数、运行时间等恢复，再进入系统运行状态。

应当说明的是，真实地恢复系统的运行状态需要极为细致地对系统的重要数据予以备份，并加以数据可靠性检查，以保证恢复的数据的可靠性。其次，对多任务、多进程测控系统，数据的恢复需考虑恢复的次序问题。

系统基本初始化是指对芯片、显示、输入输出方式等进行初始化，要注意输入输出的初始化不应造成误动作。而复位前任务的初始化是指任务的执行状态、运行时间等。

对于软件抗干扰的还有一些其它常用方法，如数字滤波、RAM数据保护与纠错等。在工程实践中通常都是几种抗干扰方法并用，互相补充完善，才能取得较好的抗干扰效果。

从根本上来说，硬件抗干扰是主动的，而软件抗干扰是被动的。细致周到地分析干扰源，硬件与软件抗干扰相结合，完善系统监控程序，设计一稳定可靠的单片机系统是完全可行的。

四、常见滤波电路分析技巧

在整流电路输出的电压是单向脉动性电压，不能直接给电子电路使用。所以要对输出的电压进行滤波，消除电压中的交流成分，成为直流电后给电子电路使用。在滤波电路中，主要使用对交流电有特殊阻抗特性的器件，如：电容器、电感器。本文对其各种形式的滤波电路进行分析。

滤波电路种类

滤波电路主要有下列几种：

电容滤波电路，这是最基本的滤波电路；
π 型 RC 滤波电路；
π 型 LC 滤波电路；
电子滤波器电路。

滤波原理

单向脉动性直流电压的特点

如下图所示。是单向脉动性直流电压波形，从图中可以看出，电压的方向性无论在何时都是一致的，但在电压幅度上是波动的，就是在时间轴上，电压呈现出周期性的变化，所以是脉动性的。

但根据波形分解原理可知，这一电压可以分解一个直流电压和一组频率不同的交流电压，如下图所示。在图中，虚线部分是单向脉动性直流电压 U。中的直流成分，实线部分是 UO 中的交流成分。

电容滤波原理

根据以上的分析，由于单向脉动性直流电压可分解成交流和直流两部分。在电源电路的滤波电路中，利用电容器的“隔直通交”的特性和储能特性，或者利用电感“隔交通直”的特性可以滤除电压中的交流成分。讲解电容的视频：看老外怎么讲解电容工作原理。下图所示是电容滤波原理图。

下图 (a)为整流电路的输出电路。交流电压经整流电路之后输出的是单向脉动性直流电，即电路中的 UO。

下图 (b)为电容滤波电路。由于电容 C1 对直流电相当于开路，这样整流电路输出的直流电压不能通过C1 到地，只有加到负载 RL 图为 RL 上。对于整流电路输出的交流成分，因 C1 容量较大，容抗较小，交流成分通过 C1 流到地端，而不能加到负载 RL。这样，通过电容 C1 的滤波，从单向脉动性直流电中取出了所需要的直流电压 +U。

滤波电容 C1 的容量越大，对交流成分的容抗越小，使残留在负载 RL 上的交流成分越小，滤波效果就越好。

电感滤波原理

下图所示是电感滤波原理图。由于电感 L1 对直流电相当于通路，这样整流电路输出的直流电压直接加到负载 RL 上。

对于整流电路输出的交流成分，因 L1 电感量较大，感抗较大，对交流成分产生很大的阻碍作用，阻止了交流电通过 C1 流到加到负载 RL。这样，通过电感 L1 的滤波，从单向脉动性直流电中取出了所需要的直流电压 +U。

滤波电感 L1 的电感量越大，对交流成分的感抗越大，使残留在负载 RL 上的交流成分越小，滤波效果就越好，但直流电阻也会增大。

π 型 RC滤波电路识图方法

下图所示是 π 型 RC 滤波电路。电路中的 C1、C2 和 C3 是 3 只滤波电容，R1 和 R2 是滤波电阻，C1、R1 和C2 构成第一节 π 型的 RC 滤波电路， C2、R2 和 C3 构成第二节 π 型 RC 滤波电路。由于这种滤波电路的形式如同希腊字母 π 和采用了电阻器、电容器，所以称为 π 型 RC 滤波电路。

π 型 RC 滤波电路原理如下：

（1）这一电路的滤波原理是：从整流电路输出的电压首先经过 C1 的滤波，将大部分的交流成分滤除，然后再加到由 R1 和 C2 构成的滤波电路中。C2 的容抗与 R1 构成一个分压电路，因 C2 的容抗很小，所以对交流成分的分压衰减量很大，达到滤波目的。对于直流电而言，由于 C2 具有隔直作用，所以 R1 和 C2 分压电路对直流不存在分压衰减的作用，这样直流电压通过 R1 输出。

（2）在 R1 大小不变时，加大 C2 的容量可以提高滤波效果，在 C2 容量大小不变时，加大 R1 的阻值可以提高滤波效果。但是，滤波电阻 R1 的阻值不能太大，因为流过负载的直流电流要流过 R1，在 R1 上会产生直流压降，使直流输出电压 Uo2 减小。R1 的阻值越大，或流过负载的电流越大时，在 R1 上的压降越大，使直流输出电压越低。

（3）C1 是第一节滤波电容，加大容量可以提高滤波效果。但是 C1 太大后，在开机时对 C1 的充电时间很长，这一充电电流是流过整流二极管的，当充电电流太大、时间太长时，会损坏整流二极管。所以采用这种 π 型 RC 滤波电路可以使 C1 容量较小，通过合理设计 R1 和 C2 的值来进一步提高滤波效果。

（4）这一滤波电路中共有 3 个直流电压输出端，分别输出 Uo1、 Uo2 和 Uo3 三组直流电压。其中， Uo1 只经过电容 C1 滤波；Uo2 则经过了 C1、 R1 和 C2 电路的滤波，所以滤波效果更好， Uo2 中的交流成分更小；Uo3 则经过了 2 节滤波电路的滤波，滤波效果最好，所以 Uo3 中的交流成分最少。

（5）3 个直流输出电压的大小是不同的。Uo1 电压最高，一般这一电压直接加到功率放大器电路，或加到需要直流工作电压最高、工作电流最大的电路中；Uo2 电压稍低，这是因为电阻 R1 对直流电压存在电压降；Uo3 电压最低，这一电压一般供给前级电路作为直流工作电压，因为前级电路的直流工作电压比较低，且要求直流工作电压中的交流成分少。

π型 LC滤波电路识图方法

下图所示是 π 型 LC 滤波电路。π 型 LC 滤波电路与 π 型 RC 滤波电路基本相同。这一电路只是将滤波电阻换成滤波电感，因为滤波电阻对直流电和交流电存在相同的电阻，而滤波电感对交流电感抗大，对直流电的电阻小，这样既能提高滤波效果，又不会降低直流输出电压。

在下图的电路中，整流电路输出的单向脉动性直流电压先经电容 C1 滤波，去掉大部分交流成分，然后再加到 L1 和 C2 滤波电路中。

对于交流成分而言， L1 对它的感抗很大，这样在 L1 上的交流电压降大，加到负载上的交流成分小。

对直流电而言，由于 L1 不呈现感抗，相当于通路，同时滤波电感采用的线径较粗，直流电阻很小，这样对直流电压基本上没有电压降，所以直流输出电压比较高，这是采用电感滤波器的主要优点。

电子滤波器识图方法

电子滤波器

下图所示是电子滤波器。电路中的 VT1 是三极管，起到滤波管作用， C1 是 VT1 的基极滤波电容，R1 是 VT1 的基极偏置电阻，RL 是这一滤波电路的负载，C2 是输出电压的滤波电容。

电子滤波电路工作原理如下：

① 电路中的 VT1、 R1、 C1 组成电子滤波器电路，这一电路相当于一只容量为 C1×β1 大小电容器，β1 为 VT1 的电流放大倍数，而晶体管的电流放大倍数比较大，所以等效电容量很大，可见电子滤波器的滤波性能是很好的。等效电路如上图（b）所示。图中 C 为等效电容。

② 电路中的 R1 和 C1 构成一节 RC 滤波电路， R1 一方面为 VT1 提供基极偏置电流，同时也是滤波电阻。由于流过 R1 的电流是 VT1 的基极偏置电流，这一电流很小， R1 的阻值可以取得比较大，这样 R1 和 C1 的滤波效果就很好，使 VT1 基极上直流电压中的交流成分很少。由于发射极电压具有跟随基极电压的特性，这样 VT1 发射极输出电压中交流成分也很少，达到滤波的目的。

③ 在电子滤波器中，滤波主要是靠 R1 和 C1 实现的，这也是 RC 滤波电路，但与前面介绍的 RC 滤波电路是不同的。在这一电路中流过负载的直流电流是 VT1 的发射极电流，流过滤波电阻 R1 的电流是 VT1 基极电流，基极电流很小，所以可以使滤波电阻 R1 的阻值设得很大（滤波效果好），但不会使直流输出电压下降很多。

④ 电路中的 R1 的阻值大小决定了 VT1 的基极电流大小，从而决定了 VT1 集电极与发射极之间的管压降，也就决定了 VT1 发射极输出直流电压大小，所以改变 R1 的大小，可以调整直流输出电压 +V 的大小。

电子稳压滤波器

上图所示是另一种电子稳压滤波器，与前一种电路相比，在 VT1 基极与地端之间接入了稳压二极管 VD1。电子稳压原理如下：

在 VT1 基极与地端之间接入了稳压二极管 VD1 后，输入电压经 R1 使稳压二极管 VD1 处于反向偏置状态，此时 VD1 的稳压特性使 VT1 管的基极电压稳定，这样 VT1 发射极输出的直流电压也比较稳定。注意：这一电压的稳定特性是由于 VD1 的稳压特性决定的，与电子滤波器电路本身没有关系。

R1 同时还是 VD1 的限流保护电阻。在加入稳压二极管 VD1 后，改变 R1 的大小不能改变 VT1 发射极输出电压大小，由于 VT1 的发射结存在 PN 结电压降，所以发射极输出电压比 VD1 的稳压值略小。

C1、 R1 与 VT1 同样组成电子滤波器电路，起到滤波作用。

在有些场合下，为了进一步提高滤波效果，可采用双管电子滤波器电路，2 只电子滤波管构成了复合管电路。这样总的电流放大倍数为各管电流放大倍数之积，显然可以提高滤波效果。

电源滤波电路识图小结

关于电源滤波电路分析主要注意以下几点：

（1）分析滤波电容工作原理时，主要利用电容器的“隔直通交”特性，或是充电与放电特性，即整流电路输出单向脉动性直流电压时对滤波电容充电，当没有单向脉动性直流电压输出时，滤波电容对负载放电。

（2）分析滤波电感工作原理时，主要是认识电感器对直流电的电阻很小、无感抗作用，而对交流电存在感抗。

（3）进行电子滤波器电路分析时，要知道电子滤波管基极上的电容是滤波的关键元件。另外，要进行直流电路的分析，电子滤波管有基极电流和集电极、发射极电流，流过负载的电流是电子滤波管的发射极电流，改变基极电流大小可以调节电子滤波管集电极与发射极之间的管压降，从而改变电子滤波器输出的直流电压大小。

（4）电子滤波器本身没有稳压功能，但加入稳压二极管之后可以使输出的直流电压比较稳定。

五、运放电路应用实例分析

同相放大器

运放的同相放大器形式，它的输出信号与输入信号的相位相同，即：同一时刻的极性是相同的。

同相放大器的电路形式，如下图所示：

　　运放的同相放大器形式

同相放大器的增益，由Rf和Rs决定，并且总是大于1。

增益K计算公式如下：

K=1+Rf/Rs

同相放大器，施加的反馈方式是电压串联负反馈，这种负反馈具有增大输入电阻、降低输出电阻的作用。

然而，反馈深度又决定了输入电阻、输出电阻的改变程度。

当Rs的阻值接近无穷大时，同相放大器的增益无限接近1，此时的效果等效为电压跟随器，此时把Rf减小到0，性能基本不变，此时，电压跟随器的电路形式如下图所示：

运放的电压跟随器形式

电压跟随器，通常用在高阻抗电路与低阻抗负载之间的匹配，起到缓冲/隔离的作用。

由于电压跟随器，有很深的负反馈，获得的缓冲/隔离作用远胜于单个分立元件组成的电压跟随器。

反相放大器

运放的反相放大器形式，它的输出信号与输入信号的相位相反，即：同一时刻的极性是相反的。关于运放的视频:看懂运算放大器原理。

反相放大器的电路形式，如下图所示：

运放的反相放大器形式

反相放大器的增益，由Rf和Rs决定，增益可以小于1、等于1、大于1。

增益K计算公式如下：

K=-Rf/Rs

式中的‘负号’表示输出极性与输入极性相反。

反相放大器，施加的反馈方式是电压并联负反馈，这种负反馈，能减小输入和输出电阻的作用。

然而，反馈深度又决定了输入电阻、输出电阻的改变程度。

由于负反馈的作用，运放的反相输入端成为交流电位与地相等的虚地。

利用这个虚地，反相放大器可以成为多个输入信号叠加的加法器。

运放的加法器形式，如下图所示：

运放的加法器形式

加法器的输出信号Ao≈-Rf·（1/R1·V1+1/R2·V2+。。.+1/Rn·Vn）

可见，输出信号是各个输入信号按比例叠加的结果，电阻R1至Rn可以分别控制各个输入信号的混合比例。

加法器在多路信号的混合上有着很多的应用。

反相放大器，在单管放大电路上也有一样的用法，如下图所示：

单管与运放组成的反相放大器对比

积分器

如果把反相放大器的电阻Rf用电容Cf替换，此时就变成了一个积分器。

如下图所示：

积分器

积分器，实质上等效于一个低通滤波器，滤波器的截止频率fo的计算公式如下：

fo=1/2π·Cf·Rs

当输入频率等于fo时，积分器的增益等于1。

当输入频率低于fo时，积分器的增益以6dB/oct的斜率，随着输入频率的降低而升高，直到达到运放的开环增益为止。

积分器常用于取出信号中的直流分量。

如果使用单纯RC型低通滤波器，来获得同样的效果，电容取值要比积分器的Cf大得多，需要的容量大概是开环增益值乘以Cf这个数值，这几乎不能实现，或者是造价太高了。

因此积分器，被大量用在伺服系统中，有些音频放大器，就是利用运放的积分器，组成DC伺服电路，以便让放大器的直流偏移电压控制在最小值。

六、常见的脉冲电路到底有何用途和特点？

  在电子电路中，电源、放大、振荡和调制电路被称为模拟电子电路，因为它们加工和处理的是连续变化的模拟信号。电子电路中另一大类电路的数字电子电路。它加工和处理的对象是不连续变化的数字信号。数字电子电路又可分成脉冲电路和数字逻辑电路，它们处理的都是不连续的脉冲信号。脉冲电路是专门用来产生电脉冲和对电脉冲进行放大、变换和整形的电路。家用电器中的定时器、报警器、电子开关、电子钟表、电子玩具以及电子医疗器具等，都要用到脉冲电路。
    电脉冲有各式各样的形状，有矩形、三角形、锯齿形、钟形、阶梯形和尖顶形的，最具有代表性的是矩形脉冲。要说明一个矩形脉冲的特性可以用脉冲幅度 Um 、脉冲周期 T 或频率 f 、脉冲前沿 t r 、脉冲后沿 t f 和脉冲宽度 t k 来表示。如果一个脉冲的宽度 t k =1 ／ 2T ，它就是一个方波。
    脉冲电路和放大振荡电路最大的不同点，或者说脉冲电路的特点是：脉冲电路中的晶体管是工作在开关状态的。大多数情况下，晶体管是工作在特性曲线的饱和区或截止区的，所以脉冲电路有时也叫开关电路。从所用的晶体管也可以看出来，在工作频率较高时都采用专用的开关管，如 2AK 、 2CK 、DK 、 3AK 型管，只有在工作频率较低时才使用一般的晶体管。
    就拿脉冲电路中最常用的反相器电路（下图1）来说，从电路形式上看，它和放大电路中的共发射电路很相似。在放大电路中，基极电阻 R b2 是接到正电源上以取得基极偏压；而这个电路中，为了保证电路可靠地截止， R b2 是接到一个负电源上的，而且 R b1 和 R b2 的数值是按晶体管能可靠地进入饱和区或止区的要求计算出来的。不仅如此，为了使晶体管开关速度更快，在基极上还加有加速电容 C ，在脉前沿产生正向尖脉冲可使晶体管快速进入导通并饱和；在脉冲后沿产生负向尖脉冲使晶体管快速进入截止状态。除了射极输出器是个特例，脉冲电路中的晶体管都是工作在开关状态的，这是一个特点。

脉冲电路的另一个特点是一定有电容器（用电感较少）作关键元件，脉冲的产生、波形的变换都离不开电容器的充放电。

产生脉冲的多谐振荡器

脉冲有各种各样的用途，有对电路起开关作用的控制脉冲，有起统帅全局作用的时钟脉冲，有做计数用的计数脉冲，有起触发启动作用的触发脉冲等等。不管是什么脉冲，都是由脉冲信号发生器产生的，而且大多是短形脉冲或以矩形脉冲为原型变换成的。因为矩形脉冲含有丰富的谐波，所以脉冲信号发生器也叫自激多谐振荡器或简称多谐振荡器。如果用门来作比喻，多谐振荡器输出端时开时闭的状态可以把多谐振荡器比作宾馆的自动旋转门，它不需要人去推动，总是不停地开门和关门。
（ 1 ）集基耦合多谐振荡器
下图2是一个典型的分立元件集基耦合多谐振荡器。它由两个晶体管反相器经 RC 电路交叉耦合接成正反馈电路组成。两个电容器交替充放电使两管交替导通和截止，使电路不停地从一个状态自动翻转到另一个状态，形成自激振荡。从 A 点或 B 点可得到输出脉冲。当 R b1 =R b2 =R ， C b1 =C b2 =C 时，输出是幅度接近 E 的方波，脉冲周期 T=1.4RC 。如果两边不对称，则输出是矩形脉冲。

（ 2 ） RC 环形振荡器
下图 4 是常用的 RC 环形振荡器。它用奇数个门、首尾相连组成闭环形，环路中有 RC 延时电路。图中 RS 是保护电阻， R 和 C 是延时电路元件，它们的数值决定脉冲周期。输出脉冲周期 T=2.2RC 。如果把 R 换成电位器，就成为脉冲频率可调的多谐振荡器。因为这种电路简单可靠，使用方便，频率范围宽，可以从几赫变化到几兆赫，所以被广泛应用。

脉冲变换和整形电路

脉冲在工作中有时需要变换波形或幅度，如把矩形脉冲变成三角波或尖脉冲等，具有这种功能的电路就叫变换电路。脉冲在传送中会造成失真，因此常常要对波形不好的脉冲进行修整，使它整旧如新，具有这种功能的电路就叫整形电路。
（ 1 ）微分电路
微分电路是脉冲电路中最常用的波形变换电路，它和放大电路中的 RC 耦合电路很相似，见图 5 。当电路时间常数 τ=RC<<t k="" 时，输入矩形脉冲，由于电容器充放电极快，输出可得到一对尖脉冲。输入脉冲前沿则输出正向尖脉冲，输入脉冲后沿则输出负向尖脉冲。这种尖脉冲常被用作触发脉冲或计数脉冲。

（ 2 ）积分电路
把图 5 中的 R 和 C 互换，并使 τ=RC>>t k ，电路就成为积分电路，见图 6 。当输入矩形脉冲时，由于电容器充放电很慢，输出得到的是一串幅度较低的近似三角形的脉冲波。

（ 3 ）限幅器
能限制脉冲幅值的电路称为限幅器或削波器。图 7 是用二极管和电阻组成的上限幅电路。它能把输入的正向脉冲削掉。如果把二极管反接，就成为削掉负脉冲的下限幅电路。

用二极带或三极管等非线性器件可组成各种限幅器，或是变换波形（如把输入脉冲变成方波、梯形波、尖脉冲等），或是对脉冲整形（如把输入高低不平的脉冲系列削平成为整齐的脉冲系列等）。
（ 4 ）箝位器
能把脉冲电压维持在某个数值上而使波形保持不变的电路称为箝位器。它也是整形电路的一种。例如电视信号在传输过程中会造成失真，为了使脉冲波形恢复原样，接收机里就要用箝位电路把波形顶部箝制在某个固定电平上。下图 8 中反相器输出端上就有一个箝位二极管 VD 。如果没有这个二极管，输出脉冲高电平应该是 12 伏，现在增加了箝位二极管，输出脉冲高电平被箝制在 3 伏上。

    此外，象反相器、射极输出器等电路也有“整旧如新”的作用，也可认为是整形电路。
    有记忆功能的双稳电路多谐振荡器的输出总是时高时低地变换，所以它也叫无稳态电路。另一种双稳态电路就截然不同，双稳电路有两个输出端，它们总是处于相反的状态：一个是高电平，另一个必定是低电平。它的特点是如果没有外来的触发，输出状态能一直保持不变。所以常被用作寄存二进制数码的单元电路。
（ 1 ）集基耦合双稳电路
    下图 9 是用分立元件组成的集基耦合双稳电路。它由一对用电阻交叉耦合的反相器组成。它的两个管子总是一管截止一管饱和，例如当 VT1 管饱和时 VT2 管就截止，这时 A 点是低电平 B 点是高电平。如果没有外来的触发信号，它就保持这种状态不变。如把高电平表示数字信号“ 1 ”，低电平表示“ 0 ”，那么这时就可以认为双稳电路已经把数字信号“ 1 ”寄存在 B 端了。

电路的基极分别加有微分电路。如果在 VT1 基极加上一个负脉冲（称为触发脉冲），就会使 VT1 基极电位下降，由于正反馈的作用，使 VT1 很快从饱和转入截止， VT2 从截止转入饱和。于是双稳电路翻转成 A 端为“ 1 ”， B 端为“ 0 ”，并一直保持下去。
（ 2 ）触发脉冲的触发方式和极性
双稳电路的触发电路形式和触发脉冲极性选择比较复杂。从触发方式看，因为有直流触发（电位触发）和交流触发（边沿触发）的分别，所以触发电路形式各有不同。从脉冲极性看，也是随着晶体管极性、触发脉冲加在哪个管子（饱和管还是截止管）上、哪个极上（基极还是集电极）而变化的。在实际应用中，因为微分电路能容易地得到尖脉冲，触发效果较好，所以都用交流触发方式。触发脉冲所加的位置多数是加在饱和管的基极上。所以使用 NPN 管的双稳电路所加的是负脉冲，而 PNP 管双稳电路所加的是正脉冲。
（ 3 ）集成触发器除了用分立元件外，也可以用集成门电路组成双稳电路。但实际上因为目前有大量的集成化双稳触发器产品可供选用，如 R—S 触发器、 D 触发器、 J － K 触发器等等，所以一般不使用门电路搭成的双稳电路而直接选用现成产品。

有延时功能的单稳电路

无稳电路有 2 个暂稳态而没有稳态，双稳电路则有 2 个稳态而没有暂稳态。脉冲电路中常用的第 3 种电路叫单稳电路，它有一个稳态和一个暂稳态。如果也用门来作比喻，单稳电路可以看成是一扇弹簧门，平时它总是关着的，“关”是它的稳态。当有人推它或拉它时门就打开，但由于弹力作用，门很快又自动关上，恢复到原来的状态。所以“开”是它的暂稳态。单稳电路常被用作定时、延时控制以及整形等。
（ 1 ）集基耦合单稳电路
图 10 是一个典型的集基耦合单稳电路。它也是由两级反相器交叉耦合而成的正反馈电路。它的一半和多谐振荡器相似，另一半和双稳电路相似，再加它也有一个微分触发电路，所以可以想象出它是半个无稳电路和半个双稳电路凑合成的，它应该有一个稳态和一个暂稳态。平时它总是一管（ VT1 ）饱和，另一管（ VT2 ）截止，这就是它的稳态。当输入一个触发脉冲后，电路便翻转到另一种状态，但这种状态只能维持不长的时间，很快它又恢复到原来的状态。电路暂稳态的时间是由延时元件 R 和 C 的数值决定的：t t =0.7RC 。

（ 2 ）集成化单稳电路
用集成门电路也可组成单稳电路。图 11 是微分型单稳电路，它用 2 个与非门交叉连接，门 1 输出到门 2 是用微分电路耦合，门 2 输出到门 1 是直接耦合，触发脉冲加到门 1 的另一个输入端 U I 。它的暂稳态时间即定时时间为：t t = （ 0.7 ～ 1.3 ） RC 。

脉冲电路的读图要点

①、脉冲电路的特点是工作在开关状态，它的输入输出都是脉冲，因此分析时要抓住关键，把主次电路区分开，先认定主电路的功能，再分析辅助电路的作用。

②、从电路结构上抓关键找异同。前面介绍了集基耦合方式的三种基本单元电路，它们都由双管反相器构成正反馈电路，这是它们的相同点。但细分析起来它们还是各有特点的：无稳和双稳电路虽然都有对称形式，但无稳电路是用电容耦合，双稳是用电阻直接耦合（有时并联有加速电容，容量一般都很小）；而且双稳电路一般都有触发电路（双端或单端触发）；单稳电路就很好认，它是不对称的，兼有双稳和单稳的形式。这样一分析，三种电路就很好区别了。

③、脉冲电路中，脉冲的生成、变换和整形都和电容器的充、放电有关，电路的时间常数即 R 和 C 的数值对确定电路的性质有极重要的意义，这一点尤为重要。

七、如何测量芯片电源的噪声

1 日益发展的技术对芯片电压测试的挑战

随着5G、车联网等技术的飞速发展，信号的传输速度越来越快，集成电路芯片的供电电压随之越来越小。早期芯片的供电通常是5V和3.3V，而现在高速IC的供电电压已经到了2.5V、1.8V或1.5V，有的芯片的核电压甚至到了1V。芯片的供电电压越小，电压波动的容忍度也变得越苛刻。对于这类供电电压较小的高速芯片的电压测试用电源噪声表示，测求要求从±5%到 ±-1.5%，乃至更低。

如上图1，日益发展的技术对芯片电压测试的挑战。

如果芯片的电源噪声没有达到规范要求，就会影响产品的性能，乃至整机可靠性。因此工程师需要准确地测量现代电路产品中的芯片电压的电源噪声。

2 芯片电源噪声的特点

2.1 更小幅度，更高频率

以往电源噪声的要求维持在几十mV的量级，而随着芯片电压的降低，很多芯片的电源噪声已经到了mV的量级，某些电源敏感的芯片要求甚至到了百uV的量级。直流电源上的噪声是数字系统中时钟和数据抖动的主要来源。处理器、内存等芯片对直流电源的动态负载随着各自时钟频率而发生，并可能在直流电源上耦合高速瞬态变化和噪声，它们包含了1 GHz以上的频率成分。

因此与传统的电源相比，芯片电源的噪声具有频率高/幅度小等特点，这就为了工程师准确地测得芯片的电源噪声带来了挑战。

如上表1，传统电源和芯片电源频率和噪声范围。

2.2 电源分布网络（PDN）引入的噪声干扰

为了保证电路上各个芯片的供电，电源分布网络（PDN）遍布整个PCB。如果电源分布网络靠近时钟或者数据的PCB走线，那么时钟/数据的变化会耦合到电源分布网络上，也会成为电源噪声的来源。在这种情况下，工程师还需要定位电源噪声的来源，以便后续调整PCB的布局和布线，减少PDN网络受到的干扰。

上图2，时钟/数据传输线耦合到电源分布网络的干扰。

3 影响电源噪声测试准确性的因素

示波器是电源噪声测试的重要仪器。为了能够准确地测量GHz带宽内mV级别的电源噪声，并定位干扰电源分布网络的噪声来源，需要考虑如下因素：示波器的底噪，探头的衰减比，示波器的偏置补偿能力，探头的探接方式，以及示波器的FFT能力等等。

3.1 示波器底噪

示波器本身是有噪声的。当示波器测试电源噪声时，其底噪会附加到被测的电源噪声上，进而影响电源噪声的测试结果。

如上图3，示波器底噪对电源噪声测试结果的影响。

3.2 探头的衰减比

目前最常用的500MHz带宽的无源探头的衰减比为10:1，其会放大示波器的底噪，影响电源噪声测试的不确定性。

如果用传统的衰减比为1:1的无源探头，可以避免放大示波器的底噪。但是这种探头的带宽一般在38MHz，无法测到更高频率的电源噪声。同样会影响电源噪声测试的不确定性。

所以，为了准确测量电源噪声，需要一款衰减比为1:1，带宽到GHz的探头。

如上图4，探头的衰减比对电源噪声测试的影响。

3.3 示波器的偏置补偿能力

电源噪声是叠加在芯片直流电压上的噪声，为此需要将示波器的偏置电压设到与直流电压相等的水平，再测量电源的噪声。例如某芯片的供电电压是3.3V，首先将示波器的偏置电压调到3.3V，然后再测试3.3V直流电源上的噪声波动，但是示波器在该偏置电压的垂直挡位会受限，一般只能到20mV/div，用来测试mV级别的电源噪声，会带来很大的误差。

为了解决类似问题，有的工程师使用隔直电容去除直流，但会导致直流电源压缩和丢失低频漂移信息。如果电容值选取不当，还会影响高频能量。

如上图5，示波器的偏置补偿能力受限。

如上图6，隔直电容影响低频信息。

3.4 探头的探接方式

电路形态各异，需要有更灵活的方法来进行信号的探接。探接的稳定性和寄生参数对被测电源电路的影响不可忽视，所以需要尽量贴近芯片的管脚，并使用短地线。

如上图7 贴近芯片管脚，使用短地线。

3.5 示波器的FFT能力

由于电源分布网络PDN会受到干扰噪声的来源，因此需要示波器具有强大的FFT分析能力，以便分析的干扰噪声的频率，进而排查噪声的源头。

如上图8所示，FFT分析电源噪声的频谱。

八、几个基础模块电路

下面的五副电路图，你能看懂几个？

TDA2030电路图

34063电路图

555电路

TDA2030电路图

三极管分立元件电路

01.电源电路

直流稳压电源是电子设备的能源电路，关系到整个电路设计的稳定性和可靠性，是电路设计中非常关键的一个环节。本节重点介绍三端固定式（正、负压）集成稳压器、三端可调式（正、负压）集成稳压器以及 DC-DC 电路等组成的典型电路设计，相关视频推荐:老外教你DC-DC，做一个开关电源。

电源处理框图

整流电路的作用是将交流电压 U1变换成脉动的直流 U2，它主要有半波整流、全波整流方式，可以由整流二极管构成整流桥堆来执行，常见的整流二极管有 IN4007、 IN5148 等，桥堆有 RS210 等。滤波电路作用是将脉动直流 U2滤除纹波，变成纹波小的 U3，常见的电路2有 RC 滤波、 KL 滤波、∏型滤波等，常用的选 RC 滤波电路。

集中整流形式

实际应用电路中，芯片输入端和输出端与地之间除分别接大容量滤波电容外，通常还需在芯片引出脚根部接小容量（ 0.1µF～10µF）电容 Ci、 Co 到地。Ci 用于抑制芯片自激振荡， Co 用于压窄芯片的高频带宽，减小高频噪声。Ci 和 Co 的具体取值应随芯片输出电压高低及应用电路的方式不同而异。

78 系列三端稳压器基本应用电路

02.运算放大器电路

运算放大器一般可分为通用型、精密型、低噪声型、高速型、低电压低功率型、单电源型等几种，相关视频推荐:看懂运算放大器原理。表示运算放大器性能的参数有：单/双电源工作电压、电源电流、输入失调电压、输入失调电流、输入电阻、转换速率、差模输入电阻、失调电流温漂、输入偏置电流、偏置电流温漂、差模电压增益、共模电压增益、单位增益带宽、电源电压抑制、差模输入电压范围、共模输入电压范围、输入噪声电压、输入噪声电流、失调电压温漂、建立时间、长时间漂移等。