新一代數字萬(wàn)用表助力模擬電路故障診斷

概述
隨著(zhù)電子產(chǎn)品向精密、微型化、低功耗方向持續發(fā)展，對電路系統中的模擬電路的調試和驗證提出了前所未有的挑戰。這部分電路在系統中的分量一般不到20%，卻常常是限制項目開(kāi)發(fā)進(jìn)程的瓶頸。雖然在模擬電路故障診斷的工作中沒(méi)有包治百病的良藥，但是運用合適的方法和測試工具可以提高調試效率。本文將通過(guò)超低功耗電路測試、微弱電源紋波測試、在線(xiàn)測量電流、短路定位、噪聲分析等幾個(gè)實(shí)例，并結合RIGOL推出的新一代61/2位數字萬(wàn)用表DM3068在弱信號測量方面的優(yōu)點(diǎn)介紹一些常見(jiàn)的故障診斷方法。

檢測地回路
現代的電子產(chǎn)品往往將小信號模擬電路、數字電路和功率電路緊密地整合在一塊PCB上，電路布局不僅要滿(mǎn)足電路性能要求，還受結構設計的約束，同時(shí)要符合EMC規范，這些都給地回路的布置帶來(lái)了很大的挑戰。在多重約束的限制下，設計階段PCB地回路布線(xiàn)會(huì )存在不確定的因素，需要在測試階段檢驗。

以圖1所示電路為例，U1、R3、R2組成同相放大器，設計期望該放大器能夠將輸入信號Ui放大10倍，Uo是放大器的輸出電壓。由于PCB布局布線(xiàn)受到約束，Ui的“-”輸入端子跟電阻R2的C端之間有一段導線(xiàn)Rpcb。而PCB上可能存在“電路X”引入地回流Ix流過(guò)導線(xiàn)電阻Rpcb。受“電路X”地回流Ix的影響，導線(xiàn)Rpcb兩端會(huì )有電壓差Ue，為了確定Ue對被測信號的影響，需要測量Ue的大小。

圖1 包含地回流干擾的同相放大電路

對精密電路而言，即使Ue只有μV量級，也會(huì )對電路產(chǎn)生巨大的影響。DM3068數字萬(wàn)用表直流電壓的最小讀數分辨率可達0.1μV，而且測量端子跟機殼地隔離，不會(huì )引入額外的直流電流地回路，適合于測量地回路引起的μV量級直流誤差。

測量弱電壓信號需要注意熱電勢、共模干擾、電磁感應等誤差源，這些誤差一般在10μV的量級，會(huì )嚴重干擾小信號測量。使用同材質(zhì)的、雙絞或帶屏蔽的測試電纜可以減小熱電勢和電磁感應的誤差。測量Ue前可以先判別這些誤差源引入的總誤差的大小，使用萬(wàn)用表的“相對”運算排除固定誤差的干擾，然后再測量Ue就可以得到比較準確的結果。

先將萬(wàn)用表的兩個(gè)表筆同時(shí)連接圖1中的端子C端，這時(shí)萬(wàn)用表的讀數是由熱電勢、共模干擾、電磁感應的誤差源引起的，觀(guān)察其變化情況。如果讀數在一個(gè)小范圍內波動(dòng)，則認為是固定誤差。按下萬(wàn)用表“相對”菜單鍵，萬(wàn)用表會(huì )記錄當前讀數值，并在以后的每個(gè)測量結果中減去該讀數值再顯示，這樣就可以排除固定誤差的干擾。然后再測量端子C和Ui的“-”端之間的電壓差，讀數即為排除固定誤差干擾后的Ue值，可以比較準確地反映真實(shí)Ue的大小。

監測電源波動(dòng)
如果將一個(gè)電路模塊當成黑盒，那么它至少會(huì )有一個(gè)輸入端口——電源。在電路故障診斷中，電源端口經(jīng)常被遺忘或者被低估，以至于有些問(wèn)題被定性為“靈異事件”。

假定黑盒內部的電路和信號輸入均正常，如果黑盒的輸出仍然有問(wèn)題，這時(shí)就應該重點(diǎn)排查電源輸入。常用的電源檢測儀器有示波器、頻譜儀和數字萬(wàn)用表，它們能夠覆蓋的測量范圍不同（如圖2所示），應該綜合運用這些儀器來(lái)全面觀(guān)察電源信號，避免測試盲區。

圖2 不同儀器的典型測試范圍

一般認為萬(wàn)用表屬于直流儀器，示波器屬于時(shí)域儀器而頻譜儀是頻域儀器，但是這種界限正在被打破。新一代的萬(wàn)用表已經(jīng)引入了時(shí)域測量功能，下面以RIGOL DM3068數字萬(wàn)用表的數據繪圖功能來(lái)介紹萬(wàn)用表如何覆蓋示波器和頻譜儀的電源測試盲區。

圖3是用示波器測得的某個(gè)模數混合電路的模擬部分電源電壓波形，由于示波器的帶寬很大，波形中大部分是數字電路引入的寬帶開(kāi)關(guān)噪聲，幅度為8.4mVpp。一般情況下，8.4mVpp電源紋波和噪聲符合人們的“心理期望”，因而就認為電源沒(méi)有問(wèn)題（電源影響被低估）。

圖3 示波器測試結果