一种纹波噪声测试系统及方法与流程

1.本发明涉及服务器测试技术领域，更具体的说是涉及一种纹波噪声测试系统及方法。


背景技术：

2.服务器作为一种高端计算机，可以为各行各业的用户提供云计算、海量存储、大数据分析等服务，是现代社会万物互联的重要支撑。由于服务器的计算速率快、运行时间长、稳定性和可靠性要求高，所以对于服务器的硬件电路质量，尤其是电源电路质量的要求极其严苛。其中，纹波和噪声是衡量电源电路质量的两个重要参数，如果纹波和噪声超出cpu、ddr等关键芯片的电气规格，可能会导致服务器死机、异常重启等致命性的问题。随着cpu、ddr等芯片速率和工艺制程的逐步提高，供电电压也正在逐渐降低，从而对电源纹波和噪声的设计与测试要求也越来越严格。
3.如何才能更加准确地测量出电源电压的纹波和噪声参数、改善电源质量、保证服务器产品运行的稳定性和可靠性，是硬件工程师们的一个重要关注点。
4.当前，针对服务器电源电压的纹波噪声测试主要采用以下几种方式：
5.1、使用无源探头和鳄鱼夹接地线进行测试。具体为：将探头连接在电源网络的去耦电容上，鳄鱼夹就近接地。测纹波时，需要将示波器设置成20mhz带宽限制、ac耦合、50欧姆输入阻抗；测噪声时，需要将示波器设置成全带宽、ac耦合、50欧姆输入阻抗。但是，由于鳄鱼夹接地线较长，与探头之间形成较大的环路，容易引入大量干扰，影响测试结果。
6.2、使用无源探头和接地弹簧进行测试，测试方法与第一种方式相同，使用接地弹簧可以减小探头与地之间的环路，避免引入其他的干扰。但是，由于接地弹簧有一定的韧性，实际操作困难且容易脱落，可能造成电路板的短路。
7.3、使用差分探头和双绞线进行测试，测试方法与第一种方式相同，由于双绞线相较于鳄鱼夹地线和接地弹簧而言，与探头之间的环路更小，进一步减少了外部干扰，有效提高纹波噪声的测量精度。但是，差分探头价格高昂，需要特别注意输入电压的大小，否则容易损坏差分探头；双绞线需要焊接在去耦电容两端，保证测试操作的稳定性，测试的效率不高。
8.4、使用专用的纹波探头进行测试，测试方法与第一种方式相同，测量精确度最高。缺点是专用的纹波探头，价格昂贵，测试成本高。
9.5、使用50欧姆同轴线缆和100nf隔离电容自制的纹波探头进行测试，等效于第一种方式，同轴线中的屏蔽层可以有效降低外部干扰，提高测量精度，成本低。由于隔离电容大小是确定的，对应的截止频率也是固定的，如果待测点的电源开关频率与截止频率不符，则影响测试结果的准确度；通过手动更换隔离电容可以改变截止频率，但是每个人的焊接水平不同，无法保证隔离电容的焊接质量，从而影响测试的一致性和效率。


技术实现要素：

10.针对以上问题，本发明的目的在于提供一种纹波噪声测试系统及方法，有效的解决了纹波探头截止频率无法任意切换的问题，提高了截至频率切换的便捷性。
11.本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：一种纹波噪声测试系统，包括示波器、第一同轴线、第二同轴线和pcb板，所述pcb板上设有隔离电容切换电路，所述示波器与第一同轴线的第一端连接，第一同轴线的第二端与隔离电容切换电路的输出端连接，第二同轴线的第一端与隔离电容切换电路的输入端连接，第二同轴线的第二端设有纹波探头组件。
12.进一步，隔离电容切换电路包括：第一多路旋钮开关s1、第二多路旋钮开关s2和多个隔离电容，第一多路旋钮开关s1的输出端与第一同轴线的第二端连接，第二多路旋钮开关s2的输入端与第二同轴线的第一端连接，第一多路旋钮开关s1的任一输入端均与第二多路旋钮开关s2的对应输出端通过一个隔离电容串联。
13.进一步，所述纹波探头组件包括第一金属针和第二金属针，所述第一金属针焊接在第二同轴线的内芯上，第二金属针焊接在第二同轴线的屏蔽层上。
14.进一步，所述第一同轴线和第二同轴线均采用50ω的同轴线。
15.进一步，所述第一同轴线的第一端设有bnc接头，第一同轴线的第二端设有sma连接器。
16.进一步，所述第二同轴线的第一端设有设有sma连接器。
17.进一步，所述第一多路旋钮开关s1和第二多路旋钮开关s2均采用七路旋钮开关，隔离电容为七个。
18.相应的，本发明还公开了一种纹波噪声测试方法，包括：
19.根据预设的电源芯片手册确定待测服务器电源芯片的开关频率；
20.根据预设公式估算出所述开关频率对应的截至频率，并确定待使用的隔离电容；通过控制隔离电容切换电路选取待使用的隔离电容串联在第一同轴线和第二同轴线之间；
21.将示波器设置为dc耦合模式，并将纹波探头组件连接在待测服务器电源芯片的电源网络的去耦电容上，启动纹波噪声测试。
22.进一步，所述根据预设公式估算出所述开关频率对应的截至频率，并确定待使用的隔离电容包括：
23.根据高通滤波器的电压增益g的计算公式估算出开关频率f对应的截至频率f
l
；
24.高通滤波器的电压增益g的计算公式为：
25.其中，g＝0.9899，表示测量误差约等于1％；所以，开关频率f为截至频率f
l
的7倍；
26.根据截至频率f
l
的计算公式确定待使用的隔离电容c；
27.截至频率f
l
的计算公式为：f
l
＝1/(2πrc)
28.其中，r为示波器的输入阻抗r。
29.进一步，所述通过控制隔离电容切换电路选取待使用的隔离电容串联在第一同轴线和第二同轴线之间具体为：
30.通过调节第一多路旋钮开关s1和第二多路旋钮开关s2，选取待使用的隔离电容与第一多路旋钮开关s1和第二多路旋钮开关s2导通。
31.对比现有技术，本发明有益效果在于：
32.1、本发明在pcb板上设置了多颗隔离电容，并通过旋钮开关进行多路选择的形式，有效解决了自制纹波探头的截止频率无法任意切换的问题。双路旋钮开关的设计，可以减少信号线的分叉，降低干扰，提高测试精度。
33.2.本发明的pcb板可以根据需求设定隔离电容的数量，同时更换成开关数更多的旋钮即可，从而实现了该测试系统的可扩展性。
34.3、本发明在使用时，可以根据不同的示波器接口，选择不同的bnc接头和同轴线缆，连接方便，提高了测试效率。同时，本发明能够适用于各种多路选择电路的设计场合，具有一定的通用性和灵活性。
35.由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
37.附图1是本发明的系统结构图；
38.附图2是本发明的方法流程图；
39.附图3是本发明的等效原理图。
40.图中，1为示波器；2为第一同轴线；3为第二同轴线；4为pcb板；5为隔离电容切换电路；6为第一金属针；7为第二金属针；8为bnc接头；9为sma连接器。
具体实施方式
41.本发明的核心是提供一种纹波噪声测试系统，现有技术中，使用50欧姆同轴线缆和100nf隔离电容自制的纹波探头进行测试，虽然同轴线中的屏蔽层可以有效降低外部干扰，提高测量精度，成本低。但是，由于隔离电容大小是确定的，对应的截止频率也是固定的，如果待测点的电源开关频率与截止频率不符，则影响测试结果的准确度；通过手动更换隔离电容可以改变截止频率，但是每个人的焊接水平不同，无法保证隔离电容的焊接质量，从而影响测试的一致性和效率。
42.而本发明提供的纹波噪声测试系统，首先，能够据不同的示波器接口，选择不同的bnc接头和同轴线缆；采用了pcb板，放置多个隔离电容，并配置了选取相应路数的旋钮开关，而且在一端的同轴线内芯和屏蔽层分别焊接上金属针，作为测试探头和接地线。实际测试时，能够根据电源芯片手册确定服务器电源的开关频率，然后根据公式估算出截止频率，从而确定隔离电容的大小，通过调节旋钮开关s选取相应的隔离电容，从而实现了纹波噪声测试。
43.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.实施例一：
45.如图1所示，本实施例提供了一种纹波噪声测试系统，包括示波器1、第一同轴线2、第二同轴线3和pcb板4，所述pcb板4上设有隔离电容切换电路5，所述示波器1与第一同轴线2的第一端连接，第一同轴线2的第二端与隔离电容切换电路5的输出端连接，第二同轴线3的第一端与隔离电容切换电路5的输入端连接，第二同轴线2的第二端设有纹波探头组件。
46.其中，纹波探头组件包括第一金属针6和第二金属针7，第一金属针6焊接在第二同轴线3的内芯上，第二金属针7焊接在第二同轴线3的屏蔽层上。第一同轴线2和第二同轴线3均采用50ω的同轴线。第一同轴线2的第一端设有bnc接头8，第一同轴线2的第二端和第二同轴线3的第一端均设有sma连接器9。
47.隔离电容切换电路包括：第一多路旋钮开关s1、第二多路旋钮开关s2和隔离电容，多路旋钮开关s1和第二多路旋钮开关s2均采用七路旋钮开关，隔离电容为七个。第一多路旋钮开关s1的输出端与第一同轴线的第二端连接，第二多路旋钮开关s2的输入端与第二同轴线的第一端连接，第一多路旋钮开关s1的任一输入端均与第二多路旋钮开关s2的对应输出端通过一个隔离电容串联。
48.本实施例提供了一种纹波噪声测试系统，可以根据不同的示波器接口，选择不同的bnc接头和同轴线缆，在pcb板上设置了多颗隔离电容，并通过旋钮开关进行多路选择的形式，有效解决了自制纹波探头的截止频率无法任意切换的问题。双路旋钮开关的设计，可以减少信号线的分叉，降低干扰，提高测试精度。
49.实施例二：
50.基于实施例一，如图2所示，本发明还公开了一种纹波噪声测试方法，具体包括如下步骤：
51.s1：根据预设的电源芯片手册确定待测服务器电源芯片的开关频率。
52.s2：根据预设公式估算出所述开关频率对应的截至频率，并确定待使用的隔离电容。
53.首先，根据高通滤波器的电压增益g的计算公式估算出开关频率f对应的截至频率f
l
；
54.高通滤波器的电压增益g的计算公式为：
55.其中，g＝0.9899，表示测量误差约等于1％；所以，开关频率f为截至频率f
l
的7倍。
56.然后，根据截至频率f
l
的计算公式确定待使用的隔离电容c。
57.截至频率f
l
的计算公式为：f
l
＝1/(2πrc)
58.其中，r为示波器的输入阻抗r。示波器的输入阻抗r一般选择50欧姆，从而有效的避免信号反射；隔离电容c选择不同的大小时，对应的高通滤波器的低频截止频率fl不同。
59.由于测试纹波噪声时，将示波器设置为dc耦合模式，输入阻抗设置为r，通过旋钮
开关选择隔离电容为c，则隔离电容与示波器输入阻抗构成一个无源高通滤波器，等效原理图如图3所示，vin是电路板上的电源信号，vout是电源信号进入示波器的ac分量，即电源的纹波和噪声。因此，根据高通滤波器的特性，采用了上述高通滤波器的电压增益g的计算公式估算出开关频率f对应的截至频率f
l，
并使用截至频率fl的计算公式确定待使用的隔离电容c。
60.当电压增益g接近1时，vout的大小基本等于vin，此时的测量结果最为精确。经过计算可知，当待测信号的频率f＝7fl时，电压增益g＝0.9899，表示测量误差约等于1％。所以，待测信号的频率至少是截止频率的7倍。这一点可以作为如何选择隔离电容的重要依据。
61.s3：通过控制隔离电容切换电路选取待使用的隔离电容串联在第一同轴线和第二同轴线之间。
62.本步骤具体为：通过调节第一多路旋钮开关s1和第二多路旋钮开关s2，选取待使用的隔离电容与第一多路旋钮开关s1和第二多路旋钮开关s2导通。
63.通常，待测服务器电源芯片的开关频率在几十khz到几mhz之间，查询芯片手册即可确定。对于已经选定的电源芯片，可以利用旋钮开关s1和s2选择合适的隔离电容，设定合适的截止频率，从而更加准确的测试出电源的纹波和噪声参数。双路旋钮开关的设计，可以减少信号线的分叉，降低干扰，提高测试精度。
64.s4：将示波器设置为dc耦合模式，并将纹波探头组件连接在待测服务器电源芯片的电源网络的去耦电容上，启动纹波噪声测试。
65.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
66.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
67.以上对本发明所提供的纹波噪声测试系统及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。