電子工程師在平時(shí)進(jìn)行電子設(shè)計(jì)中離不開(kāi)測(cè)試測(cè)量所用的儀器儀表，而如何準(zhǔn)確用好這些測(cè)試儀表，使電子工程師提高設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，則成為合格電子工程師必備的硬功夫。為給工程師朋友提供較為全面的測(cè)量?jī)x表相關(guān)應(yīng)用知識(shí)，或?qū)W習(xí)，或參考，或溫故而知新，電子發(fā)燒友會(huì)陸續(xù)整合推出《測(cè)試儀器基礎(chǔ)應(yīng)用知識(shí)總結(jié)》系列章節(jié)，敬請(qǐng)留意。

　　一、怎樣去調(diào)試一個(gè)新設(shè)計(jì)的電路板

　　對(duì)于一個(gè)新設(shè)計(jì)的電路板，調(diào)試起來(lái)往往會(huì)遇到一些困難，特別是當(dāng)板比較大、元件比較多時(shí)，往往無(wú)從下手。但如果掌握好一套合理的調(diào)試方法，調(diào)試起來(lái)將會(huì)事半功倍。對(duì)于剛拿回來(lái)的新PCB板，我們首先要大概觀察一下，板上是否存在問(wèn)題，例如是否有明顯的裂痕，有無(wú)短路、開(kāi)路等現(xiàn)象。如果有必要的話(huà)，可以檢查一下電源跟地線(xiàn)之間的電阻是否足夠大。

　　然后就是安裝元件了。相互獨(dú)立的模塊，如果您沒(méi)有把握保證它們工作正常時(shí)，最好不要全部都裝上，而是一部分一部分的裝上（對(duì)于比較小的電路，可以一次全部裝上），這樣容易確定故障范圍，免得到時(shí)遇到問(wèn)題時(shí)，無(wú)從下手。一般來(lái)說(shuō)，可以把電源部分先裝好，然后就上電檢測(cè)電源輸出電壓是否正常。如果在上電時(shí)您沒(méi)有太大的把握（即使有很大的把握，也建議您加上一個(gè)保險(xiǎn)絲，以防萬(wàn)一），可考慮使用帶限流功能的可調(diào)穩(wěn)壓電源。先預(yù)設(shè)好過(guò)流保護(hù)電流，然后將穩(wěn)壓電電源的電壓值慢慢往上調(diào)，并監(jiān)測(cè)輸入電流、輸入電壓以及輸出電壓。如果往上調(diào)的過(guò)程中，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)流保護(hù)等問(wèn)題，且輸出電壓也達(dá)到了正常，則說(shuō)明電源部分OK。反之，則要斷開(kāi)電源，尋找故障點(diǎn)，并重復(fù)上述步驟，直到電源正常為止。

　　接下來(lái)逐漸安裝其它模塊，每安裝好一個(gè)模塊，就上電測(cè)試一下，上電時(shí)也是按照上面的步驟，以避免因?yàn)樵O(shè)計(jì)錯(cuò)誤或/和安裝錯(cuò)誤而導(dǎo)致過(guò)流而燒壞元件。

　　尋找故障的辦法一般有下面幾種：

　　①測(cè)量電壓法。首先要確認(rèn)的是各芯片電源引腳的電壓是否正常，其次檢查各種參考電壓是否正常，另外還有各點(diǎn)的工作電壓是否正常等。例如，一般的硅三極管導(dǎo)通時(shí)，BE結(jié)電壓在0.7V左右，而CE結(jié)電壓則在0.3V左右或者更小。如果一個(gè)三極管的BE結(jié)電壓大于0.7V（特殊三極管除外，例如達(dá)林頓管等），可能就是BE結(jié)就開(kāi)路。

　　②信號(hào)注入法。將信號(hào)源加至輸入端，然后依次往后測(cè)量各點(diǎn)的波形，看是否正常，以找到故障點(diǎn)。有時(shí)我們也會(huì)用更簡(jiǎn)單的辦法，例如用手握一個(gè)鑷子，去碰觸各級(jí)的輸入端，看輸出端是否有反應(yīng)，這在音頻、視頻等放大電路中常使用（但要注意，熱底板的電路或者電壓高的電路，不能使用此法，否則可能會(huì)導(dǎo)致觸電）。如果碰前一級(jí)沒(méi)有反應(yīng)，而碰后一級(jí)有反應(yīng)，則說(shuō)明問(wèn)題出在前一級(jí)，應(yīng)重點(diǎn)檢查。

　?、郛?dāng)然，還有很多其它的尋找故障點(diǎn)的方法，例如看、聽(tīng)、聞、摸等。“看”就是看元件有無(wú)明顯的機(jī)械損壞，例如破裂、燒黑、變形等;“聽(tīng)”就是聽(tīng)工作聲音是否正常，例如一些不該響的東西在響，該響的地方不響或者聲音不正常等;“聞”就是檢查是否有異味，例如燒焦的味道、電容電解液的味道等，對(duì)于一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的電子維修人員來(lái)說(shuō)，對(duì)這些氣味是很敏感的;“摸”就是用手去試探器件的溫度是否正常，例如太熱，或者太涼。一些功率器件，工作起來(lái)時(shí)會(huì)發(fā)熱，如果摸上去是涼的，則基本上可以判斷它沒(méi)有工作起來(lái)。但如果不該熱的地方熱了或者該熱的地方太熱了，那也是不行的。一般的功率三極管、穩(wěn)壓芯片等，工作在70度以下是完全沒(méi)問(wèn)題的。70度大概是怎樣的一個(gè)概念呢？如果你將手壓上去，可以堅(jiān)持三秒鐘以上，就說(shuō)明溫度大概在70度以下（注意要先試探性的去摸，千萬(wàn)別把手燙傷了）。

　　二、選選擇電子測(cè)試儀器的幾個(gè)重要指標(biāo)

　　以數(shù)字示波器為例，很多用戶(hù)可能都知道示波器的一些傳統(tǒng)的指標(biāo)，比如帶寬，采樣率，存儲(chǔ)深度等等，甚至出現(xiàn)在選型的時(shí)候根據(jù)指標(biāo)”比數(shù)大小”，以為數(shù)大的就比數(shù)小的好 ---其實(shí)不然！要想真正了解數(shù)字示波器，就必須深入洞察隱藏在標(biāo)稱(chēng)的指標(biāo)背后的產(chǎn)品的真正性能和質(zhì)量，就像有不少消費(fèi)者在選購(gòu)數(shù)碼相機(jī)的時(shí)候往往很在意像素?cái)?shù)，其實(shí)除了這個(gè)”數(shù)”之外，還有很多（更）重要的指標(biāo)甚至材質(zhì)需要考慮的。

　　在可擴(kuò)展性、支持的通信標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量、測(cè)試精度、動(dòng)態(tài)范圍和解調(diào)帶寬等方面，這些參數(shù)都很重要。未來(lái)的基站可能向雙模和多模演進(jìn)，很多手機(jī)都已經(jīng)具備多模功能，如GSM和WCDMA雙模手機(jī)，如果儀器支持的通信標(biāo)準(zhǔn)多，那么需采購(gòu)儀器的品種和數(shù)量就大大減少。另外，隨著3G、LTE等技術(shù)的出現(xiàn)，對(duì)儀表提出了更高的要求，高測(cè)試精度、大動(dòng)態(tài)范圍和大解調(diào)帶寬的儀器非常受歡迎。移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展很快，目前中國(guó)還沒(méi)有大量商用3G，而LTE，作為WCDMA和TD-SCDMA的后續(xù)技術(shù)，已經(jīng)快推出原型機(jī)了。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商可能會(huì)加快新的技術(shù)的引入，這對(duì)基站和終端生產(chǎn)廠(chǎng)商確實(shí)是挑戰(zhàn)：他們現(xiàn)在購(gòu)買(mǎi)的測(cè)試儀器必須具備很好的擴(kuò)展性，能方便地升級(jí)到未來(lái)技術(shù)，這樣才能更大限度保護(hù)廠(chǎng)商的投資。

　　另外，示波器的帶寬、采樣率等都是示波器的常見(jiàn)參數(shù)。示波器帶寬由于制造與研發(fā)技術(shù)的發(fā)展，使示波器帶寬能夠得到修正和補(bǔ)償。但這些修正和補(bǔ)償未嘗都是好事一樁，有些客戶(hù)并不希望這些技術(shù)帶入到測(cè)試中去，他們更需要原始的測(cè)試數(shù)據(jù)，比如雷達(dá)實(shí)驗(yàn)。目前泰克在1G～2G全系列示波器家族中，提供純硬件的示波器，示波器帶寬是最真實(shí)的。泰克的前端技術(shù)可以保證將示波器的硬件前置放大器做的足夠好。采樣率是ADC的指標(biāo)。捕獲率參數(shù)反映的是一個(gè)內(nèi)存管理的（是否能夠在保存的信號(hào)中找到所需的信號(hào)）的概念。泰克采用的是分段式管理，在信號(hào)跳變時(shí)保存信息。包括Inspector等方法。

　　三、電池電量的兩種測(cè)試方法

　　檢測(cè)普通鋅錳干電池的電量是否充足，通常有兩種方法。第一種方法是通過(guò)測(cè)量電池瞬時(shí)短路電流來(lái)估算電池的內(nèi)阻，進(jìn)而判斷電池電量是否充足；第二種方法是用電流表串聯(lián)一只阻值適當(dāng)?shù)碾娮?，通過(guò)測(cè)量電池的放電電流計(jì)算出電池內(nèi)阻，從而判斷電池電量是否充足。

　　第一種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便，用萬(wàn)用表的大電流檔就可直接判斷出干電池的電量，缺點(diǎn)是測(cè)試電流很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)干電池允許放電電流的極限值，在一定程度上影響干電池使用壽命。第二種方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試電流小，安全性好，一般不會(huì)對(duì)干電池的使用壽命產(chǎn)生不良影響，缺點(diǎn)是較為麻煩。

　　筆者用MF47型萬(wàn)用表對(duì)一節(jié)新2號(hào)干電池和一節(jié)舊2號(hào)干電池分別用上述兩種方法進(jìn)行測(cè)試對(duì)比。假設(shè)ro是干電池內(nèi)阻，RO是電流表內(nèi)阻，用第二種測(cè)試方法時(shí)，RF是附加的串聯(lián)電阻，阻值3Ω，功率2W。

　　實(shí)測(cè)結(jié)果如下。新2號(hào)電池E=1.58V（用2.5V直流電壓檔測(cè)量），電壓表內(nèi)阻為50kΩ，遠(yuǎn)大于ro，故可近似認(rèn)為1.58V是電池的電動(dòng)勢(shì)，或稱(chēng)開(kāi)路電壓。用第一種方法時(shí)，萬(wàn)用表置5A直流電流檔，電表內(nèi)阻RO=0.06Ω，測(cè)得電流為3.3A。所以ro+RO=1.58V÷3.3A≈0.48Ω，ro=0.48-0.06=0.42Ω。用第二種方法時(shí)，測(cè)得電流為0.395A，RF+ro+RO=1.58V÷0.395A=4Ω，電流500mA檔內(nèi)阻為0.6Ω，所以ro=4-3-0.6=0.4Ω。

　　舊2號(hào)電池用第一種方法測(cè)量時(shí)，先測(cè)得開(kāi)路電壓E=1.2V，電表內(nèi)阻RO=6Ω，讀數(shù)為6.5mA，萬(wàn)用表置50mA直流電流檔，ro+RO=1.2V÷0.0065A≈184.6Ω，ro=184.6-6=178.6Ω。用第二種方法，測(cè)得電流為6.3mA，ro+RO+RF=1.2V÷0.0063A=190.5Ω，ro=190.5-6-3=181.5Ω。

　　顯然兩種測(cè)試方法的結(jié)果基本一致。最終計(jì)算結(jié)果的微小差別是由于讀數(shù)誤差、電阻RF的誤差以及接觸電阻等多方面因素造成的，這種微小誤差不致影響對(duì)電池電量的判斷。 如果被測(cè)電池的容量小、電壓高（例如15V、9V疊層電池），則應(yīng)將RF的阻值適應(yīng)增大。

　　四、測(cè)試儀器選擇：如何選擇合適的示波器帶寬

　　帶寬是大多數(shù)工程師在選擇一款示波器時(shí)首先考慮的參數(shù)。本文將為您提供一些有用的竅門(mén)，教您如何為您的數(shù)字和模擬應(yīng)用選擇合適的示波器帶寬。但首先，我們先看看示波器帶寬的定義。

　　示波器帶寬的定義

　　所有示波器都表現(xiàn)出如圖1所示的在較高頻率處滾降的低通頻率響應(yīng)。大多數(shù)帶寬參數(shù)在1 GHz及以下的示波器通常表現(xiàn)為高斯響應(yīng)，即具備約從-3 dB頻率的三分之一處開(kāi)始緩慢滾降的特性。而那些帶寬規(guī)格超過(guò)1 GHz的示波器通常則具備最大平坦頻率響應(yīng)，如圖2所示。這種頻響通常表現(xiàn)為帶內(nèi)響應(yīng)較平緩，而在約-3 dB頻率處滾降較陡。

　　

　　圖1：低通頻率響應(yīng)

　　

　　圖2：最大平坦頻率響應(yīng)

　　示波器的這兩種頻率響應(yīng)各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。具備最大平坦頻響的示波器比具備高斯頻響的示波器對(duì)帶內(nèi)信號(hào)的衰減較小，也就是說(shuō)前者對(duì)帶內(nèi)信號(hào)的測(cè)量更精確。但具備高斯頻響的示波器比具備最大平坦頻響的示波器對(duì)代外信號(hào)的衰減小，也就是說(shuō)在同樣的帶寬規(guī)格下，具備高斯頻響的示波器通常具備更快的上升時(shí)間。然而，有時(shí)對(duì)帶外信號(hào)的衰減大有助于消除那些根據(jù)奈奎斯特標(biāo)準(zhǔn)（fMAX 《 fS）可能造成混迭的高頻成分。關(guān)于奈奎斯特采樣理論更深入的探討，請(qǐng)參看安捷倫應(yīng)用筆記1587（Agilent Application Note 1587） 。

　　不論您手頭的示波器具備高斯頻響、最大平坦頻響還是介于二者之間，我們都將輸入信號(hào)通過(guò)示波器后衰減3 dB時(shí)的最低頻率視為該示波器的帶寬。示波器的帶寬和頻響可以利用正弦波信號(hào)發(fā)生器掃頻測(cè)量得到。信號(hào)在示波器-3dB頻率處的衰減轉(zhuǎn)換后可表示為約-30%的幅度誤差。因此，我們不能奢望對(duì)那些主要的頻率成分接近示波器帶寬的信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量。

　　與示波器帶寬規(guī)格緊密相關(guān)的是其上升時(shí)間參數(shù)。具備高斯頻響的示波器，按照10%到90%的標(biāo)準(zhǔn)衡量，上升時(shí)間約為0.35/fBW。具備最大平坦頻響的示波器上升時(shí)間規(guī)格一般在0.4/fBW范圍上，隨示波器頻率滾降特性的陡度不同而有所差異。但我們必須記住的是，示波器的上升時(shí)間并非示波器能精確測(cè)量的最快的邊緣速度，而是當(dāng)輸入信號(hào)具備理論上無(wú)限快的上升時(shí)間（0 ps）時(shí)，示波器能夠得到的最快邊沿速度。盡管實(shí)際上這種理論參數(shù)不可能測(cè)得到，因?yàn)槊}沖發(fā)生器不可能輸出邊沿?zé)o限快的脈沖，但我們可以通過(guò)輸入一個(gè)邊沿速度為示波器上升時(shí)間規(guī)格的3到5倍的脈沖來(lái)測(cè)量示波器的上升時(shí)間。

　　數(shù)字應(yīng)用需要的示波器帶寬

　　經(jīng)驗(yàn)告訴我們，示波器的帶寬至少應(yīng)比被測(cè)系統(tǒng)最快的數(shù)字時(shí)鐘速率高5倍。如果我們選擇的示波器滿(mǎn)足這一標(biāo)準(zhǔn)，那么該示波器就能以最小的信號(hào)衰減捕捉到被測(cè)信號(hào)的5次諧波。信號(hào)的5次諧波在確定數(shù)字信號(hào)的整體形狀方面非常重要。但如果需要對(duì)高速邊沿進(jìn)行精確測(cè)量，那么這個(gè)簡(jiǎn)單的公式并未考慮到快速上升和下降沿中包含的實(shí)際高頻成分。

　　公式：fBW ≥ 5 x fclk

　　確定示波器帶寬的一個(gè)更準(zhǔn)確的方法是根據(jù)數(shù)字信號(hào)中存在的最高頻率，而不是最大時(shí)鐘速率。數(shù)字信號(hào)的最高頻率要看設(shè)計(jì)中最快的邊沿速度是多少。因此，我們首先要確定設(shè)計(jì)中最快的信號(hào)的上升和下降時(shí)間。這一信息通?？蓮脑O(shè)計(jì)中所用器件的公開(kāi)說(shuō)明書(shū)中獲取。

　　第一步：確定最快的邊沿速度

　　然后就可以利用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式計(jì)算信號(hào)的最大“實(shí)際”頻率成分。Howard W. Johnson博士就此題目寫(xiě)過(guò)一本書(shū)《高速數(shù)字設(shè)計(jì)》。在書(shū)中，他將這一頻率成分稱(chēng)為“拐點(diǎn) ”頻率（fknee）。所有快速邊沿的頻譜中都包含無(wú)限多的頻率成分，但其中有一個(gè)拐點(diǎn)（或稱(chēng)“knee”），高于該頻率的頻率成分對(duì)于確定信號(hào)的形狀就無(wú)關(guān)緊要了。

　　第二步：計(jì)算fknee

　　fknee = 0.5/RT （10% - 90%）

　　fknee = 0.4/RT （20% - 80%）

　　對(duì)于上升時(shí)間特性按照10% 到90%閥值定義的信號(hào)而言，拐點(diǎn)頻率fknee等于0.5除以信號(hào)的上升時(shí)間。對(duì)上升時(shí)間特性按照20% 到80%閥值定義的信號(hào)而言（如今的器件規(guī)范中通常采用這種定義方式），fknee等于0.4除以信號(hào)的上升時(shí)間。但注意不要把此處的信號(hào)上升時(shí)間與示波器的上升時(shí)間規(guī)格混淆了，我們這里所說(shuō)的是實(shí)際的信號(hào)邊沿速度。

　　第三步就是根據(jù)測(cè)量上升時(shí)間和下降時(shí)間所需的精確程度來(lái)確定測(cè)量該信號(hào)所需的示波器帶寬。表1給出了對(duì)于具備高斯頻響或最大平坦頻響的示波器而言，在各種精度要求下需要的示波器帶寬與fknee的關(guān)系。但要記住的是，大多數(shù)帶寬規(guī)格在1 GHz及以下的示波器通常都是高斯頻響型的，而帶寬超過(guò)1 GHz的通常則為最大平坦頻響型的。

　　表1：根據(jù)需要的精度和示波器頻率響應(yīng)的類(lèi)型計(jì)算示波器所需帶寬的系數(shù)

　　

　　第三步：計(jì)算示波器帶寬

　　下面我們通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子進(jìn)行講解：

　　對(duì)于在測(cè)量500ps上升時(shí)間（10-90%）時(shí)具有正確的高斯頻率響應(yīng)的示波器，確定其所需的最小帶寬

　　如果信號(hào)的上升/下降時(shí)間約為500ps（按10%到90%的標(biāo)準(zhǔn)定義），那么該信號(hào)的最大實(shí)際頻率成分（（fknee）就約為1 GHz。

　　fknee = （0.5/500ps） = 1 GHz

　　如果在進(jìn)行上升時(shí)間和下降時(shí)間參數(shù)測(cè)量時(shí)允許20%的定時(shí)誤差，那么帶寬為1 GHz的示波器就能滿(mǎn)足該數(shù)字測(cè)量應(yīng)用的要求。但如果要求定時(shí)精度在3%范圍內(nèi)，那么采用帶寬為2GHz的示波器更好。

　　20%定時(shí)精度：

　　示波器帶寬＝1.0x1GHz＝1.0GHz

　　3%定時(shí)精度：

　　示波器帶寬＝1.9x1GHz＝1.9GHz

　　下面我們將用幾個(gè)帶寬不同的示波器對(duì)與該例中的信號(hào)具備類(lèi)似特性的一個(gè)數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。

　　不同帶寬示波器對(duì)同一數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)的測(cè)量比較

　　圖3給出了利用Agilent 公司帶寬為100MHz的示波器 MSO6014A測(cè)量一個(gè)邊沿速度為500ps（從10%到90%）的100MHz數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)得到的波形結(jié)果。

　　

　　圖3

　　從圖中可以看出，該示波器主要只通過(guò)了該時(shí)鐘信號(hào)的100MHz基本頻率成分，因此，時(shí)鐘信號(hào)顯示出來(lái)大約是正弦波的形狀。帶寬為100MHz的示波器對(duì)許多時(shí)鐘速率在10MHz 到 20MHz 范圍的基于MCU的8bit設(shè)計(jì)而言可能非常合適，但對(duì)于這里測(cè)量的100MHz的時(shí)鐘信號(hào)就明顯不夠了。 圖4給出了利用Agilent公司500MHz帶寬的示波器MSO6054A測(cè)量同一信號(hào)的結(jié)果。

　　

　　圖4

　　從圖中可以看出，該示波器最高能捕捉到信號(hào)的5次諧波，這恰好滿(mǎn)足了我們?cè)谇懊娼o出的第一個(gè)經(jīng)驗(yàn)建議。但在我們測(cè)量上升時(shí)間時(shí)發(fā)現(xiàn)，用這臺(tái)示波器測(cè)量得到的上升時(shí)間約為750ps。在這種情況下，示波器對(duì)信號(hào)上升時(shí)間的測(cè)量就不是非常準(zhǔn)確，它得到的測(cè)量結(jié)果實(shí)際上很接近它自己的上升時(shí)間（700ps），而不是輸入信號(hào)的上升時(shí)間（接近500ps）。這說(shuō)明，如果時(shí)序測(cè)量比較重要，那么我們就需要用更高帶寬的示波器才能滿(mǎn)足這一數(shù)字測(cè)量應(yīng)用的要求。

　　換用Agilent1-GHz帶寬的示波器MSO6104A之后，我們得到的信號(hào)圖像（見(jiàn)圖5）就更準(zhǔn)確了。

　　

　　圖5

　　在示波器中選擇上升時(shí)間測(cè)量后，我們得到的測(cè)量結(jié)果約為550ps。這一測(cè)量結(jié)果的精度約為10%，已經(jīng)非常讓人滿(mǎn)意，尤其在需要考慮示波器資金投入的情況下。但有時(shí)，即便是1GHz帶寬示波器得到的這種測(cè)量結(jié)果也可能被認(rèn)為精度不夠。如果我們要求對(duì)這個(gè)邊沿速度在500ps的信號(hào)達(dá)到3%的邊沿速度測(cè)量精度，那么我們就需要2 GHz或更高帶寬的示波器，這一點(diǎn)我們?cè)谇懊娴睦又幸呀?jīng)提到。

　　換用2GHz帶寬的示波器之后，我們現(xiàn)在看到的（見(jiàn)圖6）就是比較精確的時(shí)鐘信號(hào)，上升時(shí)間測(cè)量結(jié)果約為495ps。

　　

　　圖6

　　安捷倫Infiniium系列高帶寬示波器有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是帶寬可以升級(jí)。如果2 GHz帶寬對(duì)今天的應(yīng)用已經(jīng)足夠，那么您開(kāi)始可以只購(gòu)買(mǎi)入門(mén)級(jí)的2-GHz示波器，以后當(dāng)您需要更高的帶寬時(shí)，再將其逐步升級(jí)到13 GHz。