中心議題：

• 模擬電路故障診斷

解決方案：

• 檢測電路地回路
• 監(jiān)測電路電源波動
• 用直方圖發(fā)現(xiàn)隱蔽干擾

隨著電子產(chǎn)品向精密、微型化、低功耗方向持續(xù)發(fā)展，對電路系統(tǒng)中的模擬電路的調(diào)試和驗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%，卻常常是限制項目開發(fā)進程的瓶頸。雖然在模擬電路故障診斷的工作中沒有包治百病的良藥，但是運用合適的方法和測試工具可以提高調(diào)試效率。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0.1μV，而且測量端子跟機殼地隔離，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(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，則認為是固定誤差。按下萬用表“相對”菜單鍵，萬用表會記錄當前讀數(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，可以比較準確地反映真實Ue的大小。
　　
監(jiān)測電源波動
　　
如果將一個電路模塊當成黑盒，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[page]
　　
一般認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RIGOLDM3068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”，因而就認為電源沒有問題（電源影響被低估）。


圖3示波器測試結(jié)果
　　
圖4是用DM3068的數(shù)據(jù)繪圖功能重新測試該電源電壓得到的電源波形，圖形左側(cè)是歷史數(shù)據(jù)的波形，圖形右側(cè)是實時波形。從實時波形中可以清楚地看到幅度約為4.4mVpp的正弦紋波，進一步推算可以得出正弦波頻率約為50Hz。能量如此強的50Hz信號會給精密電路帶來很大的干擾。


圖4萬用表測試結(jié)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(xiàn)這個50Hz電源干擾。DM3068在低頻時域測量中的高速、高精度、低噪聲和高頻抑制力強等特點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(xiàn)隱蔽干擾
　　
當信號/干擾極微弱，并淹沒在電路自身的噪聲中時，借助直方圖統(tǒng)計分析方法可以將其暴露出來。
　　
DM3068具備實時直方圖統(tǒng)計功能，結(jié)合低噪聲和大動態(tài)范圍的特性，有助于測試微弱信號和干擾。
　　
圖5是使用直方圖觀測被本底噪聲淹沒的信號的實例。圖左側(cè)是電路本底噪聲的時域波形（下方，垂直方向是時間軸方向。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(cè)是電路加入一個3μVpp左右的脈沖方波后的測試結(jié)果。對比時域波形，右側(cè)信號波形跟左側(cè)白噪聲波形很相像，電壓平均值也相接近，不能直觀地判定兩種波形的區(qū)別。但是對比兩者的直方圖可以明顯發(fā)現(xiàn)兩種信號的區(qū)別，而且通過右側(cè)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(xiàn)概率不大，近似于占空比很小的負脈沖。


圖5直方圖發(fā)現(xiàn)淹沒的信號