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作者：北京普源精電科技有限公司 程建川 概述 隨著(zhù)電子產(chǎn)品向精密、微型化、低功耗方向持續發(fā)展，對電路系統中的模擬電路的調試和驗證提出了前所未有的挑戰。這部分電路在系統中的分量一般不到20%，卻常常是限制項目開(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，但是運用合適的方法和測試工具可以提高調試效率。本文將通過(guò)超低功耗電路測試、微弱電源紋波測試、在線(xiàn)測量電流、短路定位、噪聲分析等幾個(gè)實(shí)例，并結合RIGOL推出的新一代61/2位數字萬(wàn)用表 DM3068在弱信號測量方面的優(yōu)點(diǎn)介紹一些常見(jiàn)的故障診斷方法。 檢測地回路 現代的電子產(chǎn)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(mǎn)足電路性能要求，還受結構設計的約束，同時(shí)要符合EMC規范，這些都給地回路的布置帶來(lái)了很大的挑戰。在多重約束的限制下，設計階段PCB地回路布線(xiàn)會(huì )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(xiàn)受到約束，Ui的“-”輸入端子跟電阻R2的C端之間有一段導線(xiàn)Rpcb。而PCB上可能存在“電路X”引入地回流Ix流過(guò)導線(xiàn)電阻 Rpcb。受“電路X”地回流Ix的影響，導線(xiàn)Rpcb兩端會(huì )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(huì )對電路產(chǎn)生巨大的影響。DM3068數字萬(wàn)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(huì )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(huì )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(wàn)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(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)用表的讀數是由熱電勢、共模干擾、電磁感應的誤差源引起的，觀(guān)察其變化情況。如果讀數在一個(gè)小范圍內波動(dòng)，則認為是固定誤差。按下萬(wàn)用表“相對”菜單鍵，萬(wàn)用表會(huì )記錄當前讀數值，并在以后的每個(gè)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(shí)Ue的大小。 監測電源波動(dòng) 如果將一個(gè)電路模塊當成黑盒，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”。 假定黑盒內部的電路和信號輸入均正常，如果黑盒的輸出仍然有問(wèn)題，這時(shí)就應該重點(diǎn)排查電源輸入。常用的電源檢測儀器有示波器、頻譜儀和數字萬(wàn)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(lái)全面觀(guān)察電源信號，避免測試盲區。
圖2 不同儀器的典型測試范圍 一般認為萬(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)域測量功能，下面以RIGOL DM3068數字萬(wàn)用表的數據繪圖功能來(lái)介紹萬(wàn)用表如何覆蓋示波器和頻譜儀的電源測試盲區。 圖3是用示波器測得的某個(gè)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(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”，因而就認為電源沒(méi)有問(wèn)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(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。能量如此強的50Hz信號會(huì )給精密電路帶來(lái)很大的干擾。
圖4 萬(wàn)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(gè)50Hz電源干擾。DM3068在低頻時(shí)域測量中的高速、高精度、低噪聲和高頻抑制力強等特點(diǎn)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(méi)在電路自身的噪聲中時(shí)，借助直方圖統計分析方法可以將其暴露出來(lái)。 DM3068具備實(shí)時(shí)直方圖統計功能，結合低噪聲和大動(dòng)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(guān)測被本底噪聲淹沒(méi)的信號的實(shí)例。圖左側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，認為是白噪聲。圖右側是電路加入一個(gè)3μVpp左右的脈沖方波后的測試結果。對比時(shí)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(guān)地判定兩種波形的區別。但是對比兩者的直方圖可以明顯發(fā)現兩種信號的區別，而且通過(guò)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(méi)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(shí)電壓測量的輸入阻抗趨于無(wú)窮大。一般的手持式萬(wàn)用表無(wú)法測量nA級電流，電壓測量的輸入阻抗固定為10MΩ，不能滿(mǎn)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(kāi)關(guān)S1用于入侵檢測，設備外殼被破壞時(shí)開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)。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(kāi)，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。這個(gè)電路的主要測試項目有二極管反向漏電流Is，開(kāi)關(guān)S1閉合時(shí)的DET電平，開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)時(shí)的DET電平，開(kāi)關(guān)S1閉合到斷開(kāi)過(guò)程中DET管腳的電壓上升沿波形。
圖6 入侵檢測電路 常規儀表無(wú)法有效完成以上測試，DM3068數字萬(wàn)用表直流電流最小分辨率高達100pA, 可以滿(mǎn)足Is的測試需求；直流電壓20V（范圍比競爭產(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，結合其數據繪圖、電平觸發(fā)和預觸發(fā)功能，能夠實(shí)時(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試。 查找電路板中的短路 手工焊接過(guò)的電路板常常會(huì )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(gè)排查可以解決問(wèn)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(diǎn)的位置由于串聯(lián)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(xiàn)的PCB電阻，阻值均為1mΩ；Rn1～Rn(m)是GND地線(xiàn)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(wàn)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(xiàn)銅，可以分辨到1mm），使得上述短路定位的方法實(shí)用化。 在線(xiàn)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(xiàn)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(wú)法容忍插入測試電纜。這時(shí)，如果電路板上留有一些突破口，則可以利用DM3068低電阻測量和弱電壓測量功能來(lái)實(shí)現非侵入的在線(xiàn)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(diǎn)到B點(diǎn)�？梢韵葦嚅_(kāi)電路的電源，然后使用DM3068的電阻測量功能測量AB兩點(diǎn)間的PCB導線(xiàn)電阻，接著(zhù)接通電源并測量AB兩點(diǎn)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(xiàn)電阻為 4.8mΩ(1oz厚，20mm長(cháng)，2mm寬的導線(xiàn))，測得電壓為48μV，則電流大小為10mA。
圖8 在線(xiàn)測量電流示意圖 在線(xiàn)測量電阻 嚴格地說(shuō)，在線(xiàn)測量電阻是不被推薦的，但是電路板調試時(shí)頻繁地拆裝電阻確實(shí)是一件很繁瑣的事情。電路調試時(shí)通過(guò)分析電路，可以找到能夠在線(xiàn)測量電阻的條件。在線(xiàn)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(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，現懷疑R阻值異常，需要對其進(jìn)行測試。觀(guān)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(guò)鉗位二極管將電阻R連接到電源線(xiàn)上。也就是說(shuō)，只要電阻R兩端的電壓不超過(guò) IC2內部的鉗位二極管的正向導通電壓(一般為0.5V)，流過(guò)IC2的輸入管腳的電流就可以忽略，也就不會(huì )對電阻R的測量產(chǎn)生影響。
圖9 在線(xiàn)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(wàn)用表的手冊可以知道各個(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鉗位二極管導通，因此能夠正確地在線(xiàn)測量。 大部分半導體器件都存在類(lèi)似的二極管隔離結構，因此可以根據實(shí)際電路的情況擴展該方法的使用范圍。 簡(jiǎn)單而言，應該選擇比被測電阻阻值大5倍以上的量程來(lái)在線(xiàn)測量電阻，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。 結語(yǔ) 雖然模擬電路的調試和驗證的挑戰不斷增長(cháng)，但是新一代的測試測量工具在性能和功能方面也有了長(cháng)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量方面性能有獨特優(yōu)勢，并提供實(shí)時(shí)數據繪圖、實(shí)時(shí)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。 |
