硬件電路測(cè)量中的陷阱分析 - 全文

　　在平時(shí)測(cè)試硬件電路的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)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，這里稱之為硬件電路測(cè)量中的陷阱。

　　測(cè)試儀器和儀表的負(fù)載效應(yīng)和濾波器效應(yīng)

　　在用萬用表測(cè)量電壓或者電流的時(shí)候，萬用表都是作為一個(gè)負(fù)載和測(cè)量對(duì)象并聯(lián)或者串聯(lián)在一起。如果測(cè)量對(duì)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(jí)大小，那么萬用表負(fù)載就一定會(huì)對(duì)測(cè)量對(duì)象產(chǎn)生影響。比如測(cè)量電壓，被測(cè)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(gè)這個(gè)數(shù)量級(jí)的，那么測(cè)試的結(jié)果一定會(huì)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(cè)量電壓的時(shí)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(jí)，數(shù)字萬用表在測(cè)量電壓的時(shí)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(jí)到十幾兆歐數(shù)量級(jí)，相對(duì)而言，其對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響就小很多，測(cè)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(gè)電壓傳感器的話，其高阻值的等效負(fù)載，又會(huì)容易拾取一些噪聲電壓，所以也會(huì)引進(jìn)一些測(cè)試上的誤差，如果要減小這個(gè)高阻的探頭效應(yīng)，就必須在測(cè)量的時(shí)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(cè)量?jī)x器作為等效負(fù)載實(shí)際上也參與了所測(cè)量的電路的工作，如果要考慮其影響的話，一旦測(cè)量?jī)x器介入了測(cè)試電路，整個(gè)電路的工作狀態(tài)就發(fā)生了變化，如果測(cè)量?jī)x器對(duì)電路的影響比較小，那么這個(gè)測(cè)量?jī)x器的影響就是一個(gè)微擾，可以忽略，如果測(cè)量?jī)x器對(duì)電路的影響比較大，那么這個(gè)測(cè)量?jī)x器的影響就是對(duì)這個(gè)電路系統(tǒng)的一個(gè)沖擊。這就是為什么，有時(shí)候我們做測(cè)試的時(shí)候，表筆一旦放在測(cè)試對(duì)象上，卻看到了測(cè)試對(duì)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(gè)時(shí)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(cè)量交流信號(hào)的時(shí)候，還需要注意測(cè)量對(duì)象的工作頻率，萬用表作為負(fù)載參與測(cè)量的時(shí)候，如果單純從測(cè)量表筆向萬用表看進(jìn)去，可以認(rèn)為萬用表是一個(gè)濾波器，因?yàn)槠錅y(cè)量電路無非是由一些電阻，電容，晶體管組成的測(cè)量電路，那么這個(gè)電路必然存在一個(gè)工作頻率范圍（帶寬），如果在這個(gè)頻率范圍內(nèi)測(cè)量，那么測(cè)試結(jié)果有效，如果在這個(gè)頻率范圍之外測(cè)量，測(cè)試結(jié)果就不準(zhǔn)確了。所以必須關(guān)注測(cè)試儀器的頻率范圍。這個(gè)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(shí)，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(cè)試對(duì)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(gè)比較常見，非常容易理解。

　　一般而言，測(cè)量低頻交流信號(hào)時(shí)，如果單純想測(cè)量信號(hào)的大小，可以選擇數(shù)字萬用表，如果還想看到信號(hào)的時(shí)域波形，那么選擇示波器。如果信號(hào)很微弱，可以選擇毫伏表和示波器搭配使用。測(cè)量音頻信號(hào)時(shí)，根據(jù)信號(hào)的大小，可以選擇示波器或者毫伏表，mV數(shù)量級(jí)的交流信號(hào)，可以用示波器和毫伏表搭配使用。高頻信號(hào)時(shí)，可選擇超高頻毫伏表或者頻譜儀。在使用這些儀器的時(shí)候，必須注意負(fù)載效應(yīng)和濾波器效應(yīng)。尤其是在測(cè)量高頻小信號(hào)（uV數(shù)量級(jí)）電路的時(shí)候，如果高頻放大器的負(fù)載為并聯(lián)諧振電路，這個(gè)時(shí)候如果用頻譜儀（50ohm負(fù)載效應(yīng)）進(jìn)行測(cè)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(cè)試的結(jié)果必然是不準(zhǔn)確的，這個(gè)時(shí)候可以采用差分高阻探頭配合頻譜儀進(jìn)行測(cè)量，可以很大程度上減小負(fù)載效應(yīng)的影響。

　　另外，在測(cè)試晶體的時(shí)候，一般常見的是用示波器進(jìn)行時(shí)序的測(cè)量，還有的是測(cè)試晶體是否振蕩。這個(gè)時(shí)候，一定要注意示波器探頭的負(fù)載效應(yīng)，因?yàn)樘筋^上會(huì)存在寄生電容，比較小，一般是pF量級(jí)，但是晶體的負(fù)載電容一般也是pF量級(jí)，所以探頭的介入，會(huì)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(huì)導(dǎo)致晶體電路無法起振。這個(gè)時(shí)候，就必須選擇差分高阻探頭進(jìn)行測(cè)量。

　　測(cè)試線材的濾波器效應(yīng)和負(fù)載效應(yīng)

　　一般在測(cè)量高頻電路的時(shí)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(huì)對(duì)測(cè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)必然存在一個(gè)工作頻率范圍，由于RG的存在，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)必然存在損耗，所以傳輸線會(huì)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生濾波器效應(yīng)，也就是說傳輸線也有一個(gè)工作頻率范圍的問題，如果我們用網(wǎng)絡(luò)分析儀去測(cè)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(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)同軸線是一個(gè)低通濾波器，從RF線材的非理想性來看，這個(gè)測(cè)量結(jié)果應(yīng)該是意料之中的?？梢栽O(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(gè)同軸線就不是一個(gè)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(shí)就必須重新選擇其他RF線材。下面的表格就是一個(gè)RF同軸線的參數(shù)表格，可以看到每個(gè)feet長(zhǎng)度時(shí)，其等效的電容大約是20~30pF，對(duì)于高頻而言，這個(gè)是比較大的電容，這就是為什么我們?cè)谶M(jìn)行RF測(cè)量時(shí)，必須選擇盡可能短的同軸線的原因。

　　相應(yīng)地，在測(cè)量高頻信號(hào)（或者高頻數(shù)字信號(hào)）的時(shí)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(cè)試系統(tǒng)的特性，探頭地線作為一個(gè)感性負(fù)載元件必然引起測(cè)試對(duì)象的傳輸特性的改變，從而引起測(cè)試結(jié)果的變化，嚴(yán)重的會(huì)引起系統(tǒng)振蕩和自激。

　　以上就是測(cè)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(hào)與系統(tǒng)的角度去理解上述這些測(cè)試系統(tǒng)中的陷阱，我們會(huì)很容易理解，并在選擇儀器或者測(cè)試時(shí)，知道如何減小和消除這些問題的影響。