新一代數(shù)字萬(wàn)用表助力模擬電路故障診斷

概述
隨著電子產(chǎn)品向精密、微型化、低功耗方向持續(xù)發(fā)展，對(duì)電路系統(tǒng)中的模擬電路的調(diào)試和驗(yàn)證提出了前所未有的挑戰(zhàn)。這部分電路在系統(tǒng)中的分量一般不到20%，卻常常是限制項(xiàng)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(yùn)用合適的方法和測(cè)試工具可以提高調(diào)試效率。本文將通過(guò)超低功耗電路測(cè)試、微弱電源紋波測(cè)試、在線測(cè)量電流、短路定位、噪聲分析等幾個(gè)實(shí)例，并結(jié)合RIGOL推出的新一代61/2位數(shù)字萬(wàn)用表DM3068在弱信號(hào)測(cè)量方面的優(yōu)點(diǎn)介紹一些常見(jiàn)的故障診斷方法。

檢測(cè)地回路
現(xiàn)代的電子產(chǎn)品往往將小信號(hào)模擬電路、數(shù)字電路和功率電路緊密地整合在一塊PCB上，電路布局不僅要滿足電路性能要求，還受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的約束，同時(shí)要符合EMC規(guī)范，這些都給地回路的布置帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。在多重約束的限制下，設(shè)計(jì)階段PCB地回路布線會(huì)存在不確定的因素，需要在測(cè)試階段檢驗(yàn)。

以圖1所示電路為例，U1、R3、R2組成同相放大器，設(shè)計(jì)期望該放大器能夠?qū)⑤斎胄盘?hào)Ui放大10倍，Uo是放大器的輸出電壓。由于PCB布局布線受到約束，Ui的“-”輸入端子跟電阻R2的C端之間有一段導(dǎo)線Rpcb。而PCB上可能存在“電路X”引入地回流Ix流過(guò)導(dǎo)線電阻Rpcb。受“電路X”地回流Ix的影響，導(dǎo)線Rpcb兩端會(huì)有電壓差Ue，為了確定Ue對(duì)被測(cè)信號(hào)的影響，需要測(cè)量Ue的大小。

圖1 包含地回流干擾的同相放大電路

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

測(cè)量弱電壓信號(hào)需要注意熱電勢(shì)、共模干擾、電磁感應(yīng)等誤差源，這些誤差一般在10μV的量級(jí)，會(huì)嚴(yán)重干擾小信號(hào)測(cè)量。使用同材質(zhì)的、雙絞或帶屏蔽的測(cè)試電纜可以減小熱電勢(shì)和電磁感應(yīng)的誤差。測(cè)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(duì)”運(yùn)算排除固定誤差的干擾，然后再測(cè)量Ue就可以得到比較準(zhǔn)確的結(jié)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(shù)是由熱電勢(shì)、共模干擾、電磁感應(yīng)的誤差源引起的，觀察其變化情況。如果讀數(shù)在一個(gè)小范圍內(nèi)波動(dòng)，則認(rèn)為是固定誤差。按下萬(wàn)用表“相對(duì)”菜單鍵，萬(wàn)用表會(huì)記錄當(dāng)前讀數(shù)值，并在以后的每個(gè)測(cè)量結(jié)果中減去該讀數(shù)值再顯示，這樣就可以排除固定誤差的干擾。然后再測(cè)量端子C和Ui的“-”端之間的電壓差，讀數(shù)即為排除固定誤差干擾后的Ue值，可以比較準(zhǔn)確地反映真實(shí)Ue的大小。

監(jiān)測(cè)電源波動(dòng)
如果將一個(gè)電路模塊當(dāng)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(nèi)部的電路和信號(hào)輸入均正常，如果黑盒的輸出仍然有問(wèn)題，這時(shí)就應(yīng)該重點(diǎn)排查電源輸入。常用的電源檢測(cè)儀器有示波器、頻譜儀和數(shù)字萬(wàn)用表，它們能夠覆蓋的測(cè)量范圍不同（如圖2所示），應(yīng)該綜合運(yùn)用這些儀器來(lái)全面觀察電源信號(hào)，避免測(cè)試盲區(qū)。

圖2 不同儀器的典型測(cè)試范圍

一般認(rèn)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(cè)量功能，下面以RIGOL DM3068數(shù)字萬(wàn)用表的數(shù)據(jù)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(cè)試盲區(qū)。

圖3是用示波器測(cè)得的某個(gè)模數(shù)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(shù)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(rèn)為電源沒(méi)有問(wèn)題（電源影響被低估）。

圖3 示波器測(cè)試結(jié)果