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，并結合RIGOL推出的新一代61/2位數字萬用表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
現代的電子產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，電路布局不僅要滿足電路性能要求，還受結構設計的約束，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布局布線受到約束，Ui的“-”輸入端子跟電阻R2的C端之間有一段導線Rpcb。而PCB上可能存在“電路X”引入地回流Ix流過導線電阻Rpcb。受“電路X”地回流Ix的影響，導線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，也會對電路產生巨大的影響。DM3068數字萬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，會嚴重干擾小信號測量。使用同材質的、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，這時萬用表的讀數是由熱電勢、共模干擾、電磁感應的誤差源引起的，觀察其變化情況。如果讀數在一個小范圍內波動，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值，并在以后的每個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、頻譜儀和數字萬用表，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引入了時域測量功能，下面以RIGOL DM3068數字萬用表的數據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關噪聲，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，借助直方圖統計分析方法可以將其暴露出來。
DM3068具備實時直方圖統計功能，結合低噪聲和大動態(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。圖右側是電路加入一個3μVpp左右的脈沖方波后的測試結果。對比時域波形，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)現兩種信號的區(qū)別，而且通過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)現淹沒的信號
超低功耗電路的電壓、電流測試
超低功耗電路測試通常要求儀器能夠測試nA級弱電流，同時電壓測量的輸入阻抗趨于無窮大。一般的手持式萬用表無法測量nA級電流，電壓測量的輸入阻抗固定為10MΩ，不能滿足超低功耗電路的測試需求。
圖6是一種超低功耗設備的入侵檢測電路。常閉開關S1用于入侵檢測，設備外殼被破壞時開關S1斷開。該電路中二極管D1用作超低電流的上拉元件，其反向漏電流Is約為10nA。一旦外殼被破壞，S1斷開，D1將控制器MCU的管腳DET拉高，產生上升沿作為入侵觸發(fā)信號。這個電路的主要測試項目有二極管反向漏電流Is，開關S1閉合時的DET電平，開關S1斷開時的DET電平，開關S1閉合到斷開過程中DET管腳的電壓上升沿波形。
圖6 入侵檢測電路
常規(guī)儀表無法有效完成以上測試，DM3068數字萬用表直流電流最小分辨率高達100pA, 可以滿足Is的測試需求;直流電壓20V(范圍比競爭產品大一倍)及以下擋位有大于10GΩ的輸入阻抗，并且輸入偏流小于100pA，結合其數據繪圖、電平觸發(fā)和預觸發(fā)功能，能夠實時捕獲并顯示DET管腳波形，可以像使用示波器一樣輕松完成上升沿波形和電平測試。
查找電路板中的短路
手工焊接過的電路板常常會有焊屑導致的短路，而且焊屑一般藏在元件底部，不易查找。一旦電路板上的電源跟地短路，接在該電源和地之間的所有元件都成了可疑對象。逐個排查可以解決問題，但是非常費勁。
如果被短路的電源上只有一處短路，那么遠離短路點的位置由于串聯了PCB電阻因而對地電阻較大，因此只要找到對地電阻最小的位置就能定位短路。
如圖7所示，Rp1～Rp(n)是+5V電源線的PCB電阻，阻值均為1mΩ;Rn1～Rn(m)是GND地線的PCB電阻，阻值均為1mΩ;C1～C5是+5V電源的退耦電容。假設在電容C2下方隱藏有短路，那么在C2處測得的電阻為0mΩ;在C1處測得的電阻C2處測得電阻加上Rp1和Rn1，共為2mΩ;同樣的道理，C3～C5處測得的電阻依次是2mΩ、4mΩ和6mΩ。C2處測得的電阻最小，因而可以斷定C2下方有短路。
圖7 有短路的等效電路
電阻測量分辨率越高，短路定位的精度也越高。PCB電阻一般為毫歐級別，大部分手持萬用表電阻測量分辨率大于10mΩ，不能有效確定分辨短路位置。DM3068的電阻測量分辨率為0.1mΩ，可以精確地定位短路(對于1OZ厚，5mm寬線銅，可以分辨到1mm)，使得上述短路定位的方法實用化。
在線測量電流
在電路板上單獨測量一塊QFN或BGA封裝的芯片的工作電流是很不容易的。在高密度多層PCB上很難找到切斷電源線并插入電流表的地方;有些數字芯片要求極低的電源內阻，完全無法容忍插入測試電纜。這時，如果電路板上留有一些突破口，則可以利用DM3068低電阻測量和弱電壓測量功能來實現非侵入的在線測量電流。
如圖8所示，需要測量芯片U1的VCC電流Ivcc，其電流方向是從A點到B點。可以先斷開電路的電源，然后使用DM3068的電阻測量功能測量AB兩點間的PCB導線電阻，接著接通電源并測量AB兩點之間的電壓，最后用測得的電壓除以測得的電阻即可得到電流的大小。例如，PCB導線電阻為4.8mΩ(1oz厚，20mm長，2mm寬的導線)，測得電壓為48μV，則電流大小為10mA。
圖8 在線測量電流示意圖
在線測量電阻
嚴格地說，在線測量電阻是不被推薦的，但是電路板調試時頻繁地拆裝電阻確實是一件很繁瑣的事情。電路調試時通過分析電路，可以找到能夠在線測量電阻的條件。在線測量電阻只是證明電阻阻值跟預期值相同，因此也就不必為測不準而擔心了。
以圖9所示電路為例，電阻R串聯在邏輯IC1的輸出和邏輯IC2的輸入之間。電阻R的正確值是33Ω，現懷疑R阻值異常，需要對其進行測試。觀察邏輯IC1和邏輯IC2的內部等效電路可以發(fā)現，邏輯IC2只通過鉗位二極管將電阻R連接到電源線上。也就是說，只要電阻R兩端的電壓不超過IC2內部的鉗位二極管的正向導通電壓(一般為0.5V)，流過IC2的輸入管腳的電流就可以忽略，也就不會對電阻R的測量產生影響。
圖9 在線測量電阻的一種特例
測試前先切斷電路板的電源，并確保電源回路徹底放電。DM3068使用加恒定電流測電壓的方法測量電阻。查看萬用表的手冊可以知道各個電阻量程使用的電流源的大小，例如，該表的2kΩ擋位使用1mA電流源，如果被測電阻R阻值正常，其兩端壓降為33mV，不會使IC2鉗位二極管導通，因此能夠正確地在線測量。
大部分半導體器件都存在類似的二極管隔離結構，因此可以根據實際電路的情況擴展該方法的使用范圍。
簡單而言，應該選擇比被測電阻阻值大5倍以上的量程來在線測量電阻，電路中有反向擊穿電壓小于5V的器件時不能使用該方法。
結語
雖然模擬電路的調試和驗證的挑戰(zhàn)不斷增長，但是新一代的測試測量工具在性能和功能方面也有了長足的進步。充分發(fā)揮工具的優(yōu)異性能可以大大提高故障診斷的效率。DM3068在微弱電流、微弱電壓和小電阻測量方面性能有獨特優(yōu)勢，并提供實時數據繪圖、實時直方圖、內部觸發(fā)等高級分析功能，能夠幫助超低功耗和精密模擬電路驗證和故障診斷。
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