DM3068數(shù)字萬用表在弱信號(hào)測(cè)量中的應(yīng)用

　本文將通過超低功耗電路測(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)字萬用表DM3068在弱信號(hào)測(cè)量方面的優(yōu)點(diǎn)介紹一些常見的故障診斷方法。

　　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。按下萬用表“相對(duì)”菜單鍵，萬用表會(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(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(cè)試結(jié)果

　　圖4是用DM3068的數(shù)據(jù)繪圖功能重新測(cè)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(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(qiáng)的50Hz信號(hào)會(huì)給精密電路帶來很大的干擾。

　　圖4 萬用表測(cè)試結(jié)果

　　頻譜儀受頻率測(cè)量范圍和頻率分辨率的限制，很難發(fā)現(xiàn)這個(gè)50Hz電源干擾。DM3068在低頻時(shí)域測(cè)量中的高速、高精度、低噪聲和高頻抑制力強(qiáng)等特點(diǎn)正好彌補(bǔ)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(dāng)信號(hào)/干擾極微弱，并淹沒在電路自身的噪聲中時(shí)，借助直方圖統(tǒng)計(jì)分析方法可以將其暴露出來。

　　DM3068具備實(shí)時(shí)直方圖統(tǒng)計(jì)功能，結(jié)合低噪聲和大動(dòng)態(tài)范圍的特性，有助于測(cè)試微弱信號(hào)和干擾。

　　圖5是使用直方圖觀測(cè)被本底噪聲淹沒的信號(hào)的實(shí)例。圖左側(cè)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(rèn)為是白噪聲。圖右側(cè)是電路加入一個(gè)3μVpp左右的脈沖方波后的測(cè)試結(jié)果。對(duì)比時(shí)域波形，右側(cè)信號(hào)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(duì)比兩者的直方圖可以明顯發(fā)現(xiàn)兩種信號(hào)的區(qū)別，而且通過右側(cè)直方圖可以推斷加入的信號(hào)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(fù)脈沖。

　　圖5 直方圖發(fā)現(xiàn)淹沒的信號(hào)

　　超低功耗電路的電壓、電流測(cè)試

　　超低功耗電路測(cè)試通常要求儀器能夠測(cè)試nA級(jí)弱電流，同時(shí)電壓測(cè)量的輸入阻抗趨于無窮大。一般的手持式萬用表無法測(cè)量nA級(jí)電流，電壓測(cè)量的輸入阻抗固定為10MΩ，不能滿足超低功耗電路的測(cè)試需求。

　　圖6是一種超低功耗設(shè)備的入侵檢測(cè)電路。常閉開關(guān)S1用于入侵檢測(cè)，設(shè)備外殼被破壞時(shí)開關(guān)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(chǎn)生上升沿作為入侵觸發(fā)信號(hào)。這個(gè)電路的主要測(cè)試項(xiàng)目有二極管反向漏電流Is，開關(guān)S1閉合時(shí)的DET電平，開關(guān)S1斷開時(shí)的DET電平，開關(guān)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(cè)電路

　　常規(guī)儀表無法有效完成以上測(cè)試，DM3068數(shù)字萬用表直流電流最小分辨率高達(dá)100pA, 可以滿足Is的測(cè)試需求;直流電壓20V(范圍比競(jìng)爭產(chǎn)品大一倍)及以下?lián)跷挥写笥?0GΩ的輸入阻抗，并且輸入偏流小于100pA，結(jié)合其數(shù)據(jù)繪圖、電平觸發(fā)和預(yù)觸發(fā)功能，能夠?qū)崟r(shí)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(cè)試。

　　查找電路板中的短路

　　手工焊接過的電路板常常會(huì)有焊屑導(dǎo)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(duì)象。逐個(gè)排查可以解決問題，但是非常費(fèi)勁。

　　如果被短路的電源上只有一處短路，那么遠(yuǎn)離短路點(diǎn)的位置由于串聯(lián)了PCB電阻因而對(duì)地電阻較大，因此只要找到對(duì)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(shè)在電容C2下方隱藏有短路，那么在C2處測(cè)得的電阻為0mΩ;在C1處測(cè)得的電阻C2處測(cè)得電阻加上Rp1和Rn1，共為2mΩ;同樣的道理，C3～C5處測(cè)得的電阻依次是2mΩ、4mΩ和6mΩ。C2處測(cè)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(cè)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(jí)別，大部分手持萬用表電阻測(cè)量分辨率大于10mΩ，不能有效確定分辨短路位置。DM3068的電阻測(cè)量分辨率為0.1mΩ，可以精確地定位短路(對(duì)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(shí)用化。

　　在線測(cè)量電流

　　在電路板上單獨(dú)測(cè)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(shù)字芯片要求極低的電源內(nèi)阻，完全無法容忍插入測(cè)試電纜。這時(shí)，如果電路板上留有一些突破口，則可以利用DM3068低電阻測(cè)量和弱電壓測(cè)量功能來實(shí)現(xiàn)非侵入的在線測(cè)量電流。

　　如圖8所示，需要測(cè)量芯片U1的VCC電流Ivcc，其電流方向是從A點(diǎn)到B點(diǎn)?？梢韵葦嚅_電路的電源，然后使用DM3068的電阻測(cè)量功能測(cè)量AB兩點(diǎn)間的PCB導(dǎo)線電阻，接著接通電源并測(cè)量AB兩點(diǎn)之間的電壓，最后用測(cè)得的電壓除以測(cè)得的電阻即可得到電流的大小。例如，PCB導(dǎo)線電阻為4.8mΩ(1oz厚，20mm長，2mm寬的導(dǎo)線)，測(cè)得電壓為48μV，則電流大小為10mA。

　　圖8 在線測(cè)量電流示意圖

　　在線測(cè)量電阻

　　嚴(yán)格地說，在線測(cè)量電阻是不被推薦的，但是電路板調(diào)試時(shí)頻繁地拆裝電阻確實(shí)是一件很繁瑣的事情。電路調(diào)試時(shí)通過分析電路，可以找到能夠在線測(cè)量電阻的條件。在線測(cè)量電阻只是證明電阻阻值跟預(yù)期值相同，因此也就不必為測(cè)不準(zhǔn)而擔(dān)心了。

　　以圖9所示電路為例，電阻R串聯(lián)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(xiàn)懷疑R阻值異常，需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。觀察邏輯IC1和邏輯IC2的內(nèi)部等效電路可以發(fā)現(xiàn)，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(nèi)部的鉗位二極管的正向?qū)妷?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(huì)對(duì)電阻R的測(cè)量產(chǎn)生影響。

　　圖9 在線測(cè)量電阻的一種特例

　　測(cè)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(cè)電壓的方法測(cè)量電阻。查看萬用表的手冊(cè)可以知道各個(gè)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(cè)電阻R阻值正常，其兩端壓降為33mV，不會(huì)使IC2鉗位二極管導(dǎo)通，因此能夠正確地在線測(cè)量。

　　大部分半導(dǎo)體器件都存在類似的二極管隔離結(jié)構(gòu)，因此可以根據(jù)實(shí)際電路的情況擴(kuò)展該方法的使用范圍。

　　簡單而言，應(yīng)該選擇比被測(cè)電阻阻值大5倍以上的量程來在線測(cè)量電阻，電路中有反向擊穿電壓小于5V的器件時(shí)不能使用該方法。

　　結(jié)語

　　雖然模擬電路的調(diào)試和驗(yàn)證的挑戰(zhàn)不斷增長，但是新一代的測(cè)試測(cè)量工具在性能和功能方面也有了長足的進(jìn)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(cè)量方面性能有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)繪圖、實(shí)時(shí)直方圖、內(nèi)部觸發(fā)等高級(jí)分析功能，能夠幫助超低功耗和精密模擬電路驗(yàn)證和故障診斷。