DM3068數(shù)字萬用表的優(yōu)點(diǎn)及其在弱信號測量中的應(yīng)用

本文將通過超低功耗電路測試、微弱電源紋波測試、在線測量電流、短路定位、噪聲分析等幾個實(shí)例，并結(jié)合RIGOL推出的新一代61/2位數(shù)字萬用表DM3068在弱信號測量方面的優(yōu)點(diǎn)介紹一些常見的故障診斷方法。

　　檢測地回路

　　現(xiàn)代的電子產(chǎn)品往往將小信號模擬電路、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)計的約束，同時要符合EMC規(guī)范，這些都給地回路的布置帶來了很大的挑戰(zhàn)。在多重約束的限制下，設(shè)計階段PCB地回路布線會存在不確定的因素，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(shè)計期望該放大器能夠?qū)⑤斎胄盘朥i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流過導(dǎo)線電阻Rpcb。受“電路X”地回流Ix的影響，導(dǎo)線Rpcb兩端會有電壓差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，也會對電路產(chǎn)生巨大的影響。DM3068數(shù)字萬用表直流電壓的最小讀數(shù)分辨率可達(dá)0.1μV，而且測量端子跟機(jī)殼地隔離，不會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(yīng)等誤差源，這些誤差一般在10μV的量級，會嚴(yán)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(yīng)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，使用萬用表的“相對”運(yùn)算排除固定誤差的干擾，然后再測量Ue就可以得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果。

　　先將萬用表的兩個表筆同時連接圖1中的端子C端，這時萬用表的讀數(shù)是由熱電勢、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)在一個小范圍內(nèi)波動，則認(rèn)為是固定誤差。按下萬用表“相對”菜單鍵，萬用表會記錄當(dāng)前讀數(shù)值，并在以后的每個測量結(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)測電源波動

　　如果將一個電路模塊當(dāng)成黑盒，那么它至少會有一個輸入端口——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，以至于有些問題被定性為“靈異事件”。

　　假定黑盒內(nèi)部的電路和信號輸入均正常，如果黑盒的輸出仍然有問題，這時就應(yīng)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(shù)字萬用表，它們能夠覆蓋的測量范圍不同(如圖2所示)，應(yīng)該綜合運(yùn)用這些儀器來全面觀察電源信號，避免測試盲區(qū)。

　　圖2 不同儀器的典型測試范圍

　　一般認(rèn)為萬用表屬于直流儀器，示波器屬于時域儀器而頻譜儀是頻域儀器，但是這種界限正在被打破。新一代的萬用表已經(jīng)引入了時域測量功能，下面以RIGOL DM3068數(shù)字萬用表的數(shù)據(jù)繪圖功能來介紹萬用表如何覆蓋示波器和頻譜儀的電源測試盲區(qū)。

　　圖3是用示波器測得的某個模數(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)為電源沒有問題(電源影響被低估)。

　　圖3 示波器測試結(jié)果