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硬件電路測試中的一些陷阱
2012-02-16
硬件電路測量中的陷阱主要表現(xiàn)在平時測試硬件電路的時候，經(jīng)常會遇到一些容易忽視又不容易覺察的問題，但是我們又必須正視這些問題的存在，并想方設(shè)法減弱或者消除這些問題.
檢測儀器和儀表的濾波器效應(yīng)和負(fù)載效應(yīng)
在用萬用表測量電壓或者電流的時候，萬用表都是作為一個負(fù)載和測量對象并聯(lián)或者串聯(lián)在一起。如果測量對象的負(fù)載大小和萬用表的等效負(fù)載的大小相比，如果屬于相同數(shù)量級大小，那么萬用表負(fù)載就一定會對測量對象產(chǎn)生影響。比如測量電壓，被測負(fù)載的大小如果是10K，那么如果所采用萬用表的等效負(fù)載也是這個這個數(shù)量級的，那么測試的結(jié)果一定會有很大的誤差。根據(jù)并聯(lián)電路中的分流理論，如果要減小這種誤差，就必須選擇等效負(fù)載大的萬用表，并且是越大越好。一般而言，指針萬用表在測量電壓的時候，其等效負(fù)載根據(jù)量程的不同分布在幾十千歐到幾百千歐數(shù)量級，數(shù)字萬用表在測量電壓的時候，因其采用了有源電路做為等效負(fù)載，所以其值一般根據(jù)量程不同分布在兆歐數(shù)量級到十幾兆歐數(shù)量級，相對而言，其對被測對象的影響就小很多，測試的結(jié)果可信度也比較高。但是，如果將數(shù)字萬用表看做一個電壓傳感器的話，其高阻值的等效負(fù)載，又會容易拾取一些噪聲電壓，所以也會引進(jìn)一些測試上的誤差，如果要減小這個高阻的探頭效應(yīng)，就必須在測量的時候，表筆和表體盡可能遠(yuǎn)離一些潛在的噪聲干擾源。矛盾論的又一次體現(xiàn)在這里。
再用聯(lián)系的觀點(diǎn)來看，測量儀器作為等效負(fù)載實(shí)際上也參與了所測量的電路的工作，如果要考慮其影響的話，一旦測量儀器介入了測試電路，整個電路的工作狀態(tài)就發(fā)生了變化，如果測量儀器對電路的影響比較小，那么這個測量儀器的影響就是一個微擾，可以忽略，如果測量儀器對電路的影響比較大，那么這個測量儀器的影響就是對這個電路系統(tǒng)的一個沖擊。這就是為什么，有時候我們做測試的時候，表筆一旦放在測試對象上，卻看到了測試對象自激了，或者不工作了，或者有莫名其妙的噪聲出現(xiàn)的原因，這個時候，我們需要做的就是更換負(fù)載效應(yīng)小的儀器或者表筆探頭。
在用萬用表測量交流信號的時候，還需要注意測量對象的工作頻率，萬用表作為負(fù)載參與測量的時候，如果單純從測量表筆向萬用表看進(jìn)去，可以認(rèn)為萬用表是一個濾波器，因?yàn)槠錅y量電路無非是由一些電阻，電容，晶體管組成的測量電路，那么這個電路必然存在一個工作頻率范圍（帶寬），如果在這個頻率范圍內(nèi)測量，那么測試結(jié)果有效，如果在這個頻率范圍之外測量，測試結(jié)果就不準(zhǔn)確了。所以必須關(guān)注測試儀器的頻率范圍。這個就是萬用表的濾波器效應(yīng)。
同樣，在使用示波器，交流毫伏表，超高頻微伏表和頻譜儀時，也必須注意相應(yīng)的負(fù)載效應(yīng)和濾波器效應(yīng)，應(yīng)該根據(jù)所測試對象的負(fù)載和工作頻率去選擇相應(yīng)的儀器。在儀器的說明書上，一般都有等效負(fù)載的大小說明，以及工作頻率的說明，這個比較常見，非常容易理解。
一般而言，測量低頻交流信號時，如果單純想測量信號的大小，可以選擇數(shù)字萬用表，如果還想看到信號的時域波形，那么選擇示波器。如果信號很微弱，可以選擇毫伏表和示波器搭配使用。測量音頻信號時，根據(jù)信號的大小，可以選擇示波器或者毫伏表，mV數(shù)量級的交流信號，可以用示波器和毫伏表搭配使用。高頻信號時，可選擇超高頻毫伏表或者頻譜儀。在使用這些儀器的時候，必須注意負(fù)載效應(yīng)和濾波器效應(yīng)。尤其是在測量高頻小信號（uV數(shù)量級）電路的時候，如果高頻放大器的負(fù)載為并聯(lián)諧振電路，這個時候如果用頻譜儀（50ohm負(fù)載效應(yīng)）進(jìn)行測量，必然導(dǎo)致50ohm的頻譜儀和并聯(lián)諧振電路一起作為高頻放大器的負(fù)載，這樣必然導(dǎo)致放大器的增益降低，所測試的結(jié)果必然是不準(zhǔn)確的，這個時候可以采用差分高阻探頭配合頻譜儀進(jìn)行測量，可以很大程度上減小負(fù)載效應(yīng)的影響。
另外，在測試晶體的時候，一般常見的是用示波器進(jìn)行時序的測量，還有的是測試晶體是否振蕩。這個時候，一定要注意示波器探頭的負(fù)載效應(yīng)，因?yàn)樘筋^上會存在寄生電容，比較小，一般是pF量級，但是晶體的負(fù)載電容一般也是pF量級，所以探頭的介入，會引起晶體振蕩電路的頻率的偏移，從而影響晶體振蕩電路的工作，嚴(yán)重的，會導(dǎo)致晶體電路無法起振。這個時候，就必須選擇差分高阻探頭進(jìn)行測量。
測試線材的負(fù)載效應(yīng)和濾波器效應(yīng)
一般在測量高頻電路的時候，我們通常采用RF同軸線，比如常見的RG-58C，從直覺來看，50ohm的RF同軸線不會對測量引起太大的影響，可是如果從實(shí)際來思考，傳輸線可以看做是一系列LCRG組成的網(wǎng)絡(luò)，由于CL的存在，這個網(wǎng)絡(luò)必然存在一個工作頻率范圍，由于RG的存在，這個網(wǎng)絡(luò)必然存在損耗，所以傳輸線會對測試系統(tǒng)產(chǎn)生濾波器效應(yīng)，也就是說傳輸線也有一個工作頻率范圍的問題，如果我們用網(wǎng)絡(luò)分析儀去測試一根RF同軸線比如RG-58C，在很寬的頻率范圍來掃描其S21，我們會發(fā)現(xiàn)這個同軸線是一個低通濾波器，從RF線材的非理想性來看，這個測量結(jié)果應(yīng)該是意料之中的。可以設(shè)想，如果我們單純讓這根同軸線工作在遠(yuǎn)離其低通濾波器corner-frequency很遠(yuǎn)的地方，那么從RF匹配的角度來看，這個同軸線就不是一個50ohm或者75ohm匹配的同軸線，如果使用這根線，必然引起很大的反射損耗，此時就必須重新選擇其他RF線材。下面的表格就是一個RF同軸線的參數(shù)表格，可以看到每個feet長度時，其等效的電容大約是20~30pF，對于高頻而言，這個是比較大的電容，這就是為什么我們在進(jìn)行RF測量時，必須選擇盡可能短的同軸線的原因。
相應(yīng)地，在測量高頻信號（或者高頻數(shù)字信號）的時候，示波器探頭的地線的的等效負(fù)載效應(yīng)也必須考慮，探頭地線的介入，改變了測試系統(tǒng)的特性，探頭地線作為一個感性負(fù)載元件必然引起測試對象的傳輸特性的改變，從而引起測試結(jié)果的變化，嚴(yán)重的會引起系統(tǒng)振蕩和自激。
以上就是測試線材的濾波器效應(yīng)和負(fù)載效應(yīng)。
如果從基本電路理論和信號與系統(tǒng)的角度去理解上述這些測試系統(tǒng)中的陷阱，我們會很容易理解，并在選擇儀器或者測試時，知道如何減小和消除這些問題的影響。
檢測儀器和儀表的濾波器效應(yīng)和負(fù)載效應(yīng)
在用萬用表測量電壓或者電流的時候，萬用表都是作為一個負(fù)載和測量對象并聯(lián)或者串聯(lián)在一起。如果測量對象的負(fù)載大小和萬用表的等效負(fù)載的大小相比，如果屬于相同數(shù)量級大小，那么萬用表負(fù)載就一定會對測量對象產(chǎn)生影響。比如測量電壓，被測負(fù)載的大小如果是10K，那么如果所采用萬用表的等效負(fù)載也是這個這個數(shù)量級的，那么測試的結(jié)果一定會有很大的誤差。根據(jù)并聯(lián)電路中的分流理論，如果要減小這種誤差，就必須選擇等效負(fù)載大的萬用表，并且是越大越好。一般而言，指針萬用表在測量電壓的時候，其等效負(fù)載根據(jù)量程的不同分布在幾十千歐到幾百千歐數(shù)量級，數(shù)字萬用表在測量電壓的時候，因其采用了有源電路做為等效負(fù)載，所以其值一般根據(jù)量程不同分布在兆歐數(shù)量級到十幾兆歐數(shù)量級，相對而言，其對被測對象的影響就小很多，測試的結(jié)果可信度也比較高。但是，如果將數(shù)字萬用表看做一個電壓傳感器的話，其高阻值的等效負(fù)載，又會容易拾取一些噪聲電壓，所以也會引進(jìn)一些測試上的誤差，如果要減小這個高阻的探頭效應(yīng)，就必須在測量的時候，表筆和表體盡可能遠(yuǎn)離一些潛在的噪聲干擾源。矛盾論的又一次體現(xiàn)在這里。
再用聯(lián)系的觀點(diǎn)來看，測量儀器作為等效負(fù)載實(shí)際上也參與了所測量的電路的工作，如果要考慮其影響的話，一旦測量儀器介入了測試電路，整個電路的工作狀態(tài)就發(fā)生了變化，如果測量儀器對電路的影響比較小，那么這個測量儀器的影響就是一個微擾，可以忽略，如果測量儀器對電路的影響比較大，那么這個測量儀器的影響就是對這個電路系統(tǒng)的一個沖擊。這就是為什么，有時候我們做測試的時候，表筆一旦放在測試對象上，卻看到了測試對象自激了，或者不工作了，或者有莫名其妙的噪聲出現(xiàn)的原因，這個時候，我們需要做的就是更換負(fù)載效應(yīng)小的儀器或者表筆探頭。
在用萬用表測量交流信號的時候，還需要注意測量對象的工作頻率，萬用表作為負(fù)載參與測量的時候，如果單純從測量表筆向萬用表看進(jìn)去，可以認(rèn)為萬用表是一個濾波器，因?yàn)槠錅y量電路無非是由一些電阻，電容，晶體管組成的測量電路，那么這個電路必然存在一個工作頻率范圍（帶寬），如果在這個頻率范圍內(nèi)測量，那么測試結(jié)果有效，如果在這個頻率范圍之外測量，測試結(jié)果就不準(zhǔn)確了。所以必須關(guān)注測試儀器的頻率范圍。這個就是萬用表的濾波器效應(yīng)。
同樣，在使用示波器，交流毫伏表，超高頻微伏表和頻譜儀時，也必須注意相應(yīng)的負(fù)載效應(yīng)和濾波器效應(yīng)，應(yīng)該根據(jù)所測試對象的負(fù)載和工作頻率去選擇相應(yīng)的儀器。在儀器的說明書上，一般都有等效負(fù)載的大小說明，以及工作頻率的說明，這個比較常見，非常容易理解。
一般而言，測量低頻交流信號時，如果單純想測量信號的大小，可以選擇數(shù)字萬用表，如果還想看到信號的時域波形，那么選擇示波器。如果信號很微弱，可以選擇毫伏表和示波器搭配使用。測量音頻信號時，根據(jù)信號的大小，可以選擇示波器或者毫伏表，mV數(shù)量級的交流信號，可以用示波器和毫伏表搭配使用。高頻信號時，可選擇超高頻毫伏表或者頻譜儀。在使用這些儀器的時候，必須注意負(fù)載效應(yīng)和濾波器效應(yīng)。尤其是在測量高頻小信號（uV數(shù)量級）電路的時候，如果高頻放大器的負(fù)載為并聯(lián)諧振電路，這個時候如果用頻譜儀（50ohm負(fù)載效應(yīng)）進(jìn)行測量，必然導(dǎo)致50ohm的頻譜儀和并聯(lián)諧振電路一起作為高頻放大器的負(fù)載，這樣必然導(dǎo)致放大器的增益降低，所測試的結(jié)果必然是不準(zhǔn)確的，這個時候可以采用差分高阻探頭配合頻譜儀進(jìn)行測量，可以很大程度上減小負(fù)載效應(yīng)的影響。
另外，在測試晶體的時候，一般常見的是用示波器進(jìn)行時序的測量，還有的是測試晶體是否振蕩。這個時候，一定要注意示波器探頭的負(fù)載效應(yīng)，因?yàn)樘筋^上會存在寄生電容，比較小，一般是pF量級，但是晶體的負(fù)載電容一般也是pF量級，所以探頭的介入，會引起晶體振蕩電路的頻率的偏移，從而影響晶體振蕩電路的工作，嚴(yán)重的，會導(dǎo)致晶體電路無法起振。這個時候，就必須選擇差分高阻探頭進(jìn)行測量。
測試線材的負(fù)載效應(yīng)和濾波器效應(yīng)
一般在測量高頻電路的時候，我們通常采用RF同軸線，比如常見的RG-58C，從直覺來看，50ohm的RF同軸線不會對測量引起太大的影響，可是如果從實(shí)際來思考，傳輸線可以看做是一系列LCRG組成的網(wǎng)絡(luò)，由于CL的存在，這個網(wǎng)絡(luò)必然存在一個工作頻率范圍，由于RG的存在，這個網(wǎng)絡(luò)必然存在損耗，所以傳輸線會對測試系統(tǒng)產(chǎn)生濾波器效應(yīng)，也就是說傳輸線也有一個工作頻率范圍的問題，如果我們用網(wǎng)絡(luò)分析儀去測試一根RF同軸線比如RG-58C，在很寬的頻率范圍來掃描其S21，我們會發(fā)現(xiàn)這個同軸線是一個低通濾波器，從RF線材的非理想性來看，這個測量結(jié)果應(yīng)該是意料之中的。可以設(shè)想，如果我們單純讓這根同軸線工作在遠(yuǎn)離其低通濾波器corner-frequency很遠(yuǎn)的地方，那么從RF匹配的角度來看，這個同軸線就不是一個50ohm或者75ohm匹配的同軸線，如果使用這根線，必然引起很大的反射損耗，此時就必須重新選擇其他RF線材。下面的表格就是一個RF同軸線的參數(shù)表格，可以看到每個feet長度時，其等效的電容大約是20~30pF，對于高頻而言，這個是比較大的電容，這就是為什么我們在進(jìn)行RF測量時，必須選擇盡可能短的同軸線的原因。
相應(yīng)地，在測量高頻信號（或者高頻數(shù)字信號）的時候，示波器探頭的地線的的等效負(fù)載效應(yīng)也必須考慮，探頭地線的介入，改變了測試系統(tǒng)的特性，探頭地線作為一個感性負(fù)載元件必然引起測試對象的傳輸特性的改變，從而引起測試結(jié)果的變化，嚴(yán)重的會引起系統(tǒng)振蕩和自激。
以上就是測試線材的濾波器效應(yīng)和負(fù)載效應(yīng)。
如果從基本電路理論和信號與系統(tǒng)的角度去理解上述這些測試系統(tǒng)中的陷阱，我們會很容易理解，并在選擇儀器或者測試時，知道如何減小和消除這些問題的影響。
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