- 模擬電路故障診斷
- 檢測電路地回路
- 監測電路電源波動(dòng)
- 用直方圖發(fā)現隱蔽干擾
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[page]
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RIGOLDM3068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
圖4是用DM3068的數據繪圖功能重新測試該電源電壓得到的電源波形，圖形左側是歷史數據的波形，圖形右側是實(shí)時(shí)波形。從實(shí)時(shí)波形中可以清楚地看到幅度約為4.4mVpp的正弦紋波，進(jìn)一步推算可以得出正弦波頻率約為50Hz。能量如此強的50Hz信號會(huì )給精密電路帶來(lái)很大的干擾。
圖4萬(wàn)用表測試結果
頻譜儀受頻率測量范圍和頻率分辨率的限制，很難發(fā)現這個(gè)50Hz電源干擾。DM3068在低頻時(shí)域測量中的高速、高精度、低噪聲和高頻抑制力強等特點(diǎn)正好彌補了示波器和頻譜儀的不足，有助于揭示“靈異事件”的真相。
用直方圖發(fā)現隱蔽干擾
當信號/干擾極微弱，并淹沒(méi)在電路自身的噪聲中時(shí)，借助直方圖統計分析方法可以將其暴露出來(lái)。
DM3068具備實(shí)時(shí)直方圖統計功能，結合低噪聲和大動(dòng)態(tài)范圍的特性，有助于測試微弱信號和干擾。
圖5是使用直方圖觀(guān)測被本底噪聲淹沒(méi)的信號的實(shí)例。圖左側是電路本底噪聲的時(shí)域波形（下方，垂直方向是時(shí)間軸方向。下同。）及其直方圖，該噪聲基本符合高斯分布，認為是白噪聲。圖右側是電路加入一個(gè)3μVpp左右的脈沖方波后的測試結果。對比時(shí)域波形，右側信號波形跟左側白噪聲波形很相像，電壓平均值也相接近，不能直觀(guān)地判定兩種波形的區別。但是對比兩者的直方圖可以明顯發(fā)現兩種信號的區別，而且通過(guò)右側直方圖可以推斷加入的信號有低電平分量，且該低電平分量出現概率不大，近似于占空比很小的負脈沖。
圖5直方圖發(fā)現淹沒(méi)的信號
