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(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(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(shù)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(shù)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(shù)值,，并在以后的每個測量結果中減去該讀數(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(shù)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(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(shù)據(jù)繪圖功能重新測試該電源電壓得到的電源波形,，圖形左側是歷史數(shù)據(jù)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(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(xiàn)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(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
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(shù)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?lián)跷挥写笥?0GΩ的輸入阻抗,，并且輸入偏流小于100pA,，結合其數(shù)據(jù)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(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(shù)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(xiàn)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,?？梢韵葦嚅_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(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(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(jù)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(shù)據(jù)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,。