בעיית מדידת רעש של תחום תדר אוסילוסקופ באספקת חשמל
בתהליך של ניתוח רעשי אספקת החשמל, השיטה הקלאסית יותר היא להשתמש באוסילוסקופ כדי לצפות בצורת גל הרעש של ספק הכוח ולמדוד את המשרעת שלו, כדי לקבוע את מקור הרעש של ספק הכוח. עם זאת, ככל שהמתח של מכשירים דיגיטליים יורד בהדרגה והזרם גדל בהדרגה, תכנון אספקת החשמל הופך לקשה יותר, ויש להשתמש בשיטות בדיקה יעילות יותר כדי להעריך את רעשי אספקת החשמל. מאמר זה הוא מקרה של שימוש בשיטת תחום התדרים לניתוח רעשי אספקת חשמל. כאשר לא ניתן לאתר את התקלה על-ידי התבוננות בצורת הגל של תחום הזמן, המרת זמן-תדר מתבצעת בשיטת FFT (Fast Fourier Transform), וצורת גל הרעש של אספקת החשמל של תחום הזמן מומרת לתחום התדר לצורך ניתוח. בעת איתור באגים במעגל, צפייה במאפייני האות מנקודת מבט של תחום הזמן ותחום התדר יכולה להאיץ ביעילות את תהליך איתור הבאגים.
במהלך תהליך איתור באגים בלוח בודד, נמצא שרעש אספקת החשמל של רשת הגיע ל-80mv, שחרג מדרישות המכשיר. על מנת להבטיח שהמכשיר יכול לעבוד ביציבות, יש להפחית את רעשי אספקת החשמל.
לפני איתור באגים של תקלה זו, סקור את העקרונות של דיכוי רעשי אספקת החשמל. פסי תדרים שונים ברשת חלוקת החשמל משתמשים ברכיבים שונים כדי לדכא רעש. רכיבי הניתוק כוללים מודולי ויסות הספק (VRM), קבלי ניתוק, זוגות מטוסי הארקה של כוח PCB, חבילות התקנים ושבבים. VRM כולל שבב כוח וקיבול מוצא היקפי, הפועל בערך מ-DC לתדר נמוך (בסביבות 100K). הדגם המקביל שלו הוא דגם דו-רכיבי המורכב מנגד ומשרן. עדיף להשתמש בקבלי ניתוק עם קבלים בסדרי גודל מרובים כדי לכסות באופן מלא את רצועת אמצע התדר (בסביבות 10K עד 100M). בשל קיומם של השראות חיווט ושראות חבילה, גם אם נערמים מספר רב של קבלי ניתוק, יהיה קשה לתפקד בתדרים גבוהים יותר. מישור ההארקה של ספק הכוח PCB יוצר קבל לוח, שגם לו יש אפקט ניתוק, כעשרות מגה-בייט. אריזת השבבים והשבבים אחראים על פסי תדר גבוה (מעל 100M). התקנים מתקדמים נוכחיים מוסיפים בדרך כלל קבלי ניתוק לחבילה. בשלב זה, ניתן לצמצם את טווח הניתוק ב-PCB לעשרות מגה-בייט או אפילו למספר מגה-בייט. לכן, כאשר העומס הנוכחי נשאר ללא שינוי, עלינו רק לקבוע באיזה פס תדרים מופיע רעש המתח, ולאחר מכן לבצע אופטימיזציה של רכיבי הניתוק המתאימים לפס תדר זה. שני אלמנטי הניתוק ישתפו פעולה בפסי תדר סמוכים, ולכן יש לקחת בחשבון גם את אלמנטי הניתוק בפסי תדר סמוכים בעת ניתוח הנקודות הקריטיות של אלמנטי הניתוק.
בהתבסס על ניסיון איתור באגים מסורתי של ספק כוח, נוספו תחילה כמה קבלי ניתוק לרשת כדי להגדיל את שולי העכבה של רשת אספקת הכוח כדי להבטיח שהעכבה של רשת אספקת החשמל בפס התדר האמצעי תוכל לענות על צרכי האפליקציה תַרחִישׁ. התוצאה היא הפחתת mV בלבד באדוות, שיפור מינימלי. ישנן מספר אפשרויות לתוצאה זו: 1. הרעש הוא בתדר נמוך ואינו בטווח של קבלי הניתוק הללו; 2. הוספת קיבול משפיעה על מאפייני הלולאה של ווסת ההספק VRM, והפחתת העכבה הנגרמת מהקיבול קשורה ל-VRM. ההידרדרות מתקזזת. עם שאלה זו בחשבון, שקלנו להשתמש בפונקציית ניתוח תחום התדרים של האוסילוסקופ כדי להציג את המאפיינים הספקטרליים של רעש אספקת החשמל ולאתר את מקור הבעיה.
פונקציית ניתוח תחום התדר של האוסילוסקופ מתממשת באמצעות טרנספורמציה של פורייה. המהות של התמרת פורייה היא שכל רצף תחום זמן יכול לבוא לידי ביטוי כסופרפוזיציה אינסופית של אותות גלי סינוס בתדרים שונים. אנו מנתחים את מידע התדר, המשרעת והפאזה של גלי הסינוס הללו, שהיא שיטת ניתוח המחליפה את אות תחום הזמן לתחום התדר. הרצף שנדגם על ידי אוסילוסקופ דיגיטלי הוא רצף בדיד, כך שההמרת פורייה המהירה (FFT) משמשת לרוב בניתוח שלנו. אלגוריתם FFT מותאם מאלגוריתם Discrete Fourier Transform (DFT). כמות החישובים מצטמצמת במספר סדרי גודל, וככל שיש לחשב יותר נקודות, כך גדל החיסכון בחישובים.
