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測試專家用實(shí)例告訴你如何用好示波器

7月11日,由全球最大電子科技媒體集團(tuán)ASPENCORE旗下《電子工程專輯》、《電子技術(shù)設(shè)計》和《國際電子商情》主辦的2019“智”動化和工業(yè)4.0論壇在深圳科技園舉行,來自美國、香港、臺灣和大陸的八家領(lǐng)先企業(yè)的技術(shù)專家與來自智能制造和工業(yè)自動化領(lǐng)域的專業(yè)人士進(jìn)行了面對面的互動交流。

深圳市鼎陽科技有限公司(SIGLENT)的鄧立彬先生在大會上為我們做了主題演講“國產(chǎn)基礎(chǔ)測試測量儀器在工業(yè)4.0時代的應(yīng)用與挑戰(zhàn)”。

演講前,鄧立彬先生就下面的問題進(jìn)行了市場調(diào)研:

如何看待工業(yè)4.0?

工程師們是這樣回答的:

① 我認(rèn)為這是一個從上而下的事情,于我們基礎(chǔ)研發(fā)測試端來說,目前改變不大,基本沒感覺到什么影響;
② 工業(yè)4.0自提出以來,自動化、智能化進(jìn)程確實(shí)明顯加快,尤其對于生產(chǎn)線來說,不少工廠都進(jìn)行了改革,還是提升了不少效率的;
③ 其他不知道,云計算、大數(shù)據(jù)這幾年確實(shí)很火;
④ 工業(yè)4.0不就是自動化、智能化嘛,智慧城市、智慧交通、智慧生活,對我們生活的方方面面都有影響啊,工作上反而好像沒什么改變的樣子;
⑤ 工業(yè)4.0這個概念很久了,影響肯定是有的,我們目前社會進(jìn)程都是在大的指導(dǎo)方向上做出的,我們在各行各業(yè)所享受到的便利,肯定都和這有關(guān)。。。

鼎陽示波器如何搭上工業(yè)4.0的快車?

工程師的答案是這樣的:

① 你們公司這些產(chǎn)品都是基礎(chǔ)儀器,和這個不搭邊吧?
② 示波器什么時候都要用啊,不管什么時代、什么主題,你們的儀器都是不可少的,但非得說要和這個時代搭邊,這個我也想不出來什么方案;
③ 我覺得這個時代對你們最好的消息就是國家開始關(guān)注制造業(yè)了,只要制造業(yè)起來,基礎(chǔ)設(shè)備需求就大,你們的春天也就來了;
④ 從大方向來說,工業(yè)4.0和你們沒什么關(guān)系,智能化、自動化、物聯(lián)網(wǎng)、5G,這些速率都很高,你們的產(chǎn)品適合基礎(chǔ)研發(fā),這些高速的你們也搞不定??;
⑤ 我認(rèn)為你們的產(chǎn)品定位就是基礎(chǔ)市場,所有涉及電子電路測試的公司都能用得上,沒必要非得和這種工業(yè)趨勢掛鉤,當(dāng)然如果能通過這個趨勢找到行業(yè)客戶去推廣,那一定事半功倍,這個到時可以好好思考思考。。。

鼎陽示波器主要測哪些信號、關(guān)心哪些參數(shù)?

工程師們的回答如下:

① 主要測日常電壓電流波形,再測測紋波噪聲這些,也就是峰值、頻率,有時也看一下抖動情況;
② 就是簡單地測波形,產(chǎn)線上使用,集成到軟件里面讀取數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)就是4個通道峰值和1&2通道相位差、3&4通道相位差;
③ 測晶振、頻率抖動和紋波噪聲,偶爾做個IIC和SPI解碼;
④ 頻譜儀就用于測干擾啊,做定點(diǎn)輻射干擾分析,很實(shí)用;
⑤ 測電源、時序、時鐘和串行協(xié)議,還查看一些異常波形,基本上日??窗遄佣加?。

如何選擇示波器的核心指標(biāo)?

鄧立彬先生指出,在使用示波器時,需要配置的核心參數(shù)有帶寬、采樣率、存儲深度和探頭。

示波器帶寬通常是指模擬帶寬,即示波器前端放大器的幅頻特性曲線的截止頻率點(diǎn),也就是正弦波輸入信號被衰減到信號真實(shí)幅度 70.7% 時的頻率,也稱為3dB截止頻率點(diǎn)。示波器帶寬是由垂直系統(tǒng)的放大器和低通濾波器(或Anti Liaising LPF) 決定的,它與測量精度息息相關(guān)。

帶寬取決于測試的準(zhǔn)確度以及上升沿的速度(帶寬與上升時間的關(guān)系決定帶寬的選擇)。

待測信號的類型和上升時間也決定了示波器帶寬的選擇。方波中的諧波分量越多,上升沿越陡峭,上升時間越短,信號的帶寬越寬。

當(dāng)實(shí)際信號的上升時間大于示波器上升時間的3倍時,測量的精確度可達(dá)到5%,該精度是大多數(shù)研發(fā)人員折中的最佳選擇。

對開關(guān)電源而言,普通的開關(guān)管一般是kHz級別的開關(guān)頻率,上升時間一般都在100ns左右。即使開關(guān)管在30ns,1/3的上升時間是10ns,100MHz的示波器也能滿足要求,但新的一代 Cool Mos的上升時間是11ns ,下降時間是3ns ,這時至少需要350MHz帶寬的示波器。

采樣率保證高的采樣,可以準(zhǔn)確捕獲一些尖峰。必須注意,超過帶寬5 倍以上的采樣率可保證具有良好測量精度的采樣,并且測試脈沖波需在上升沿采樣3~5個點(diǎn)。高采樣率減少了測試波形的失真。

長存儲深度可以保證在長時基下信號的保真度。在存儲深度一定的情況下,存儲速度越快,存儲時間就越短。提高示波器的存儲深度可以間接提高示波器的采樣率:測量較長時間的波形時,由于存儲深度是固定的,所以只能通過降低采樣率來達(dá)到,但這樣勢必造成波形質(zhì)量的下降。如果增大存儲深度,則可以以更高的采樣率來測量,以獲取不失真的波形。

示波器第一關(guān)系式如下:

存儲深度 = 采樣率 × 采樣時間

探頭的選擇取決于測試的類型以及相應(yīng)的范圍。探頭對測試系統(tǒng)會帶來下面一些影響:

  • 探頭的帶寬對測量系統(tǒng)帶寬的影響:濾波效應(yīng)
  • 探頭自身的電路對被測電路特性的影響:負(fù)載效應(yīng)/諧振效應(yīng)
  • 探頭高、低頻電容的補(bǔ)償效應(yīng)
  • 探頭地線的長短,地線的位置、形狀,探頭擺放位置等引起的輻射耦合:天線效應(yīng)
  • 有源探頭本身的噪聲影響:信噪比問題
  • 探頭的衰減比引起的噪聲同步放大:量化誤差問題
  • 探頭的衰減比隨工作年限而變化:電阻值的漂移問題
  • 探頭的接地環(huán)境引起的傳導(dǎo)耦合:接地是一個永恒的話題
  • 浮地測量的是與非:接地是一個永恒的話題
  • 探頭和探頭之間地環(huán)路的干擾問題:接地是一個永恒的話題

波特圖實(shí)測案例

在電源設(shè)計中穩(wěn)定性是一項(xiàng)非常重要的指標(biāo),穩(wěn)壓電源本質(zhì)上是一個能輸出非常大電流的反饋放大器,所以適用于反饋放大器的理論同樣適用于穩(wěn)壓電源(以下簡稱電源)。根據(jù)反饋理論,一個反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以通過其系統(tǒng)傳遞函數(shù)得出。工程實(shí)踐中通常會使用環(huán)路增益的波特圖來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

鄧立彬先生以鼎陽示波器和信號源免費(fèi)的Bode Plot軟件為例,解釋了如何測量波特圖。

這是一個典型的反饋系統(tǒng),系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)A是輸入x和輸出y的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式,環(huán)路增益T則是信號經(jīng)過環(huán)路一周所得到的增益。

我們可以畫出系統(tǒng)環(huán)路增益的波特圖來評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性,表達(dá)系統(tǒng)穩(wěn)定性常用的增益裕度和相位裕度指標(biāo)一般就是從這里得出的。相位裕度指的是在增益降為1(或者0dB)的時候,相位距離-180°還有多少;增益裕度則是相位到達(dá)-180°的時候,增益比1(或者0dB)少了多少。

在測量增益的時候斷開環(huán)路行不行呢?現(xiàn)實(shí)中反饋環(huán)路往往起到了穩(wěn)定電路靜態(tài)工作點(diǎn)的作用,所以我們不能簡單的把環(huán)路斷開去測環(huán)路增益。反饋環(huán)斷開后,電路因?yàn)檩斎胧д{(diào)等原因,輸出會直接飽和,這種情況下無法進(jìn)行任何有意義的測量。

為了維持閉環(huán),我們在注入點(diǎn)的位置插入一個很小的電阻而不是將環(huán)路在注入點(diǎn)斷開,注入信號通過該注入電阻注入到環(huán)路中去。這個注入電阻的取值要足夠小,通常遠(yuǎn)
遠(yuǎn)小于反饋網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗,才能保證注入電阻對反饋環(huán)路的影響忽略不計。

原則上信號的注入不能影響環(huán)路的靜態(tài)工作點(diǎn),為了解決現(xiàn)實(shí)電路中信號源和被測件共地的問題,往往需要使用注入變壓器。注入信號從注入電阻的一端注入到環(huán)路中,經(jīng)過反饋網(wǎng)絡(luò)、誤差放大器和功率晶體管到達(dá)輸出,也就是注入電阻的另一端。這樣輸出信號y和注入信號i的數(shù)學(xué)關(guān)系就是我們要求的環(huán)路增益。

這是一款穩(wěn)壓電源測試板,上面的電路是用TL431和分立晶體管所搭建的線性電源,有一個開關(guān)可以切換輸出電容來獲得不同的環(huán)路響應(yīng)。

低頻下DUT輸入和DUT輸出通道的幅度差別很大,我們又使用了很小的激勵信號,這導(dǎo)致DUT輸入通道上的信號太小了,根本無法被常見的商用示波器精確測量出來。

但我們不能簡單地通過增大激勵幅度來改善測量效果,因?yàn)榉答伃h(huán)路在穿越頻率附近非常敏感,激勵信號過大會導(dǎo)致環(huán)路嚴(yán)重失真而無法得到有用的結(jié)果。

在實(shí)際測量中,測試人員往往需要不斷嘗試這些參數(shù)以找到一個適合當(dāng)前電路的最佳設(shè)置。一種可行的辦法是先在時域下觀察波形,降低激勵幅度至看不到明顯失真,把這個幅度再降低6dB,記錄下這個幅度和當(dāng)前頻率,跳到下一個頻率再重復(fù)這個操作。如果你有一個已知的差不多的設(shè)置,還有一個更好的辦法來獲得最準(zhǔn)確的結(jié)果:將這個初始配置整體降低6dB,掃描一遍看結(jié)果是否發(fā)生變化,如果有變化,則需要繼續(xù)降低激勵幅度,如果結(jié)果不變了,上一個設(shè)置就是比較理想的情況。這兩種手段都非常繁瑣且耗時,不過為了獲得理想的測量結(jié)果也很值得。

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