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测试专家用实例告诉你如何用好示波器

2019-07-15 06:15:26 廖均 阅读:
在电源设计中稳定性是一项非常重要的指标,根据反馈理论,一个反馈系统的稳定性可以通过其系统传递函数得出。工程实践中通常会使用环路增益的波特图来判断系统的稳定性。

7月11日,由全球最大电子科技媒体集团ASPENCORE旗下《电子工程专辑》、《电子技术设计》和《国际电子商情》主办的2019“智”动化和工业4.0论坛在深圳科技园举行,来自美国、香港、台湾和大陆的八家领先企业的技术专家与来自智能制造和工业自动化领域的专业人士进行了面对面的互动交流。Dtiednc

深圳市鼎阳科技有限公司(SIGLENT)的邓立彬先生在大会上为我们做了主题演讲“国产基础测试测量仪器在工业4.0时代的应用与挑战”。Dtiednc

演讲前,邓立彬先生就下面的问题进行了市场调研:Dtiednc

如何看待工业4.0?Dtiednc

工程师们是这样回答的:Dtiednc

① 我认为这是一个从上而下的事情,于我们基础研发测试端来说,目前改变不大,基本没感觉到什么影响;Dtiednc
② 工业4.0自提出以来,自动化、智能化进程确实明显加快,尤其对于生产线来说,不少工厂都进行了改革,还是提升了不少效率的;Dtiednc
③ 其他不知道,云计算、大数据这几年确实很火;Dtiednc
④ 工业4.0不就是自动化、智能化嘛,智慧城市、智慧交通、智慧生活,对我们生活的方方面面都有影响啊,工作上反而好像没什么改变的样子;Dtiednc
⑤ 工业4.0这个概念很久了,影响肯定是有的,我们目前社会进程都是在大的指导方向上做出的,我们在各行各业所享受到的便利,肯定都和这有关。。。Dtiednc

鼎阳示波器如何搭上工业4.0的快车?Dtiednc

工程师的答案是这样的:Dtiednc

① 示波器什么时候都要用啊,不管什么时代、什么主题,你们的仪器都是不可少的,但非得说要和这个时代搭边,这个我也想不出来什么方案;Dtiednc
② 我觉得这个时代对你们最好的消息就是国家开始关注制造业了,只要制造业起来,基础设备需求就大,你们的春天也就来了;Dtiednc
③ 从大方向来说,工业4.0和你们没什么关系,智能化、自动化、物联网、5G,这些速率都很高,你们的产品在高频高速方面还有很大发展空间;Dtiednc
④ 我认为你们的产品定位就是基础市场,所有涉及电子电路测试的公司都能用得上,没必要非得和这种工业趋势挂钩,当然如果能通过这个趋势找到行业客户去推广,那一定事半功倍,这个倒是可以好好思考思考。。。Dtiednc

鼎阳示波器主要测哪些信号、关心哪些参数?Dtiednc

工程师们的回答如下:Dtiednc

① 主要测日常电压电流波形,再测测纹波噪声这些,也就是峰值、频率,有时也看一下抖动情况;Dtiednc
② 就是简单地测波形,产线上使用,集成到软件里面读取数据,数据就是4个通道峰值和1&2通道相位差、3&4通道相位差;Dtiednc
③ 测晶振、频率抖动和纹波噪声,偶尔做个IIC和SPI解码;Dtiednc
④ 频谱仪就用于测干扰啊,做定点辐射干扰分析,很实用;Dtiednc
⑤ 测电源、时序、时钟和串行协议,还查看一些异常波形,基本上日常看板子都用。Dtiednc

如何选择示波器的核心指标?

邓立彬先生指出,在使用示波器时,需要配置的核心参数有带宽、采样率、存储深度和探头。Dtiednc

示波器带宽通常是指模拟带宽,即示波器前端放大器的幅频特性曲线的截止频率点,也就是正弦波输入信号被衰减到信号真实幅度 70.7% 时的频率,也称为3dB截止频率点。示波器带宽是由垂直系统的放大器和低通滤波器(或Anti Liaising LPF) 决定的,它与测量精度息息相关。Dtiednc

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带宽取决于测试的准确度以及上升沿的速度(带宽与上升时间的关系决定带宽的选择)。Dtiednc

待测信号的类型和上升时间也决定了示波器带宽的选择。方波中的谐波分量越多,上升沿越陡峭,上升时间越短,信号的带宽越宽。Dtiednc

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当实际信号的上升时间大于示波器上升时间的3倍时,测量的精确度可达到5%,该精度是大多数研发人员折中的最佳选择。Dtiednc

对开关电源而言,普通的开关管一般是kHz级别的开关频率,上升时间一般都在100ns左右。即使开关管在30ns,1/3的上升时间是10ns,100MHz的示波器也能满足要求,但新的一代 Cool Mos的上升时间是11ns ,下降时间是3ns ,这时至少需要350MHz带宽的示波器。Dtiednc

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采样率保证高的采样,可以准确捕获一些尖峰。必须注意,超过带宽5 倍以上的采样率可保证具有良好测量精度的采样,并且测试脉冲波需在上升沿采样3~5个点。高采样率减少了测试波形的失真。Dtiednc

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长存储深度可以保证在长时基下信号的保真度。在存储深度一定的情况下,存储速度越快,存储时间就越短。提高示波器的存储深度可以间接提高示波器的采样率:测量较长时间的波形时,由于存储深度是固定的,所以只能通过降低采样率来达到,但这样势必造成波形质量的下降。如果增大存储深度,则可以以更高的采样率来测量,以获取不失真的波形。Dtiednc

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示波器第一关系式如下:Dtiednc

存储深度 = 采样率 × 采样时间Dtiednc

探头的选择取决于测试的类型以及相应的范围。探头对测试系统会带来下面一些影响:Dtiednc

  • 探头的带宽对测量系统带宽的影响:滤波效应
  • 探头自身的电路对被测电路特性的影响:负载效应/谐振效应
  • 探头高、低频电容的补偿效应
  • 探头地线的长短,地线的位置、形状,探头摆放位置等引起的辐射耦合:天线效应
  • 有源探头本身的噪声影响:信噪比问题
  • 探头的衰减比引起的噪声同步放大:量化误差问题
  • 探头的衰减比随工作年限而变化:电阻值的漂移问题
  • 探头的接地环境引起的传导耦合:接地是一个永恒的话题
  • 浮地测量的是与非:接地是一个永恒的话题
  • 探头和探头之间地环路的干扰问题:接地是一个永恒的话题

波特图实测案例

在电源设计中稳定性是一项非常重要的指标,稳压电源本质上是一个能输出非常大电流的反馈放大器,所以适用于反馈放大器的理论同样适用于稳压电源(以下简称电源)。根据反馈理论,一个反馈系统的稳定性可以通过其系统传递函数得出。工程实践中通常会使用环路增益的波特图来判断系统的稳定性。Dtiednc

邓立彬先生以鼎阳示波器和信号源免费的Bode Plot软件为例,解释了如何测量波特图。Dtiednc

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这是一个典型的反馈系统,系统的闭环传递函数A是输入x和输出y的数学关系表达式,环路增益T则是信号经过环路一周所得到的增益。Dtiednc

我们可以画出系统环路增益的波特图来评估系统的稳定性,表达系统稳定性常用的增益裕度和相位裕度指标一般就是从这里得出的。相位裕度指的是在增益降为1(或者0dB)的时候,相位距离-180°还有多少;增益裕度则是相位到达-180°的时候,增益比1(或者0dB)少了多少。Dtiednc

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在测量增益的时候断开环路行不行呢?现实中反馈环路往往起到了稳定电路静态工作点的作用,所以我们不能简单地把环路断开去测环路增益。反馈环断开后,电路因为输入失调等原因,输出会直接饱和,这种情况下无法进行任何有意义的测量。Dtiednc

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为了维持闭环,我们在注入点的位置插入一个很小的电阻而不是将环路在注入点断开,注入信号通过该注入电阻注入到环路中去。这个注入电阻的取值要足够小,通常远远小于反馈网络的等效阻抗,才能保证注入电阻对反馈环路的影响忽略不计。Dtiednc

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原则上信号的注入不能影响环路的静态工作点,为了解决现实电路中信号源和被测件共地的问题,往往需要使用注入变压器。注入信号从注入电阻的一端注入到环路中,经过反馈网络、误差放大器和功率晶体管到达输出,也就是注入电阻的另一端。这样输出信号y和注入信号i的数学关系就是我们要求的环路增益。Dtiednc

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这是一款稳压电源测试板,上面的电路是用TL431和分立晶体管所搭建的线性电源,有一个开关可以切换输出电容来获得不同的环路响应。Dtiednc

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低频下DUT输入和DUT输出通道的幅度差别很大,我们又使用了很小的激励信号,这导致DUT输入通道上的信号太小了,根本无法被常见的商用示波器精确测量出来。Dtiednc

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但我们不能简单地通过增大激励幅度来改善测量效果,因为反馈环路在穿越频率附近非常敏感,激励信号过大会导致环路严重失真而无法得到有用的结果。Dtiednc

在实际测量中,测试人员往往需要不断尝试这些参数以找到适合当前电路的最佳设置。一种可行的办法是先在时域下观察波形,降低激励幅度至看不到明显失真,把这个幅度再降低6dB,记录下这个幅度和当前频率,跳到下一个频率再重复这个操作。如果你有一个已知的差不多的设置,还有一个更好的办法来获得最准确的结果:将这个初始配置整体降低6dB,扫描一遍看结果是否发生变化,如果有变化,则需要继续降低激励幅度,如果结果不变了,上一个设置就是比较理想的情况。这两种手段都非常繁琐且耗时,不过为了获得理想的测量结果也很值得。Dtiednc

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廖均
电子技术设计(EDN China)产业分析师
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