??? 　電子工程師在平時進行電子設計中離不開測試測量所用的儀器儀表，而如何準確用好這些測試儀表，使電子工程師提高設計效率，縮短產品設計周期，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量儀表相關應用知識，或學習，或參考，或溫故而知新，電子發燒友會陸續整合推出《測試儀器基礎應用知識總結》系列章節，敬請留意。

　　一、怎樣去調試一個新設計的電路板

　　對于一個新設計的電路板，調試起來往往會遇到一些困難，特別是當板比較大、元件比較多時，往往無從下手。但如果掌握好一套合理的調試方法，調試起來將會事半功倍。對于剛拿回來的新PCB板，我們首先要大概觀察一下，板上是否存在問題，例如是否有明顯的裂痕，有無短路、開路等現象。如果有必要的話，可以檢查一下電源跟地線之間的電阻是否足夠大。

　　然后就是安裝元件了。相互獨立的模塊，如果您沒有把握保證它們工作正常時，最好不要全部都裝上，而是一部分一部分的裝上（對于比較小的電路，可以一次全部裝上），這樣容易確定故障范圍，免得到時遇到問題時，無從下手。一般來說，可以把電源部分先裝好，然后就上電檢測電源輸出電壓是否正常。如果在上電時您沒有太大的把握（即使有很大的把握，也建議您加上一個保險絲，以防萬一），可考慮使用帶限流功能的可調穩壓電源。先預設好過流保護電流，然后將穩壓電電源的電壓值慢慢往上調，并監測輸入電流、輸入電壓以及輸出電壓。如果往上調的過程中，沒有出現過流保護等問題，且輸出電壓也達到了正常，則說明電源部分OK。反之，則要斷開電源，尋找故障點，并重復上述步驟，直到電源正常為止。

　　接下來逐漸安裝其它模塊，每安裝好一個模塊，就上電測試一下，上電時也是按照上面的步驟，以避免因為設計錯誤或/和安裝錯誤而導致過流而燒壞元件。

　　尋找故障的辦法一般有下面幾種：

　　①測量電壓法。首先要確認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，另外還有各點的工作電壓是否正常等。例如，一般的硅三極管導通時，BE結電壓在0.7V左右，而CE結電壓則在0.3V左右或者更小。如果一個三極管的BE結電壓大于0.7V（特殊三極管除外，例如達林頓管等），可能就是BE結就開路。

　　②信號注入法。將信號源加至輸入端，然后依次往后測量各點的波形，看是否正常，以找到故障點。有時我們也會用更簡單的辦法，例如用手握一個鑷子，去碰觸各級的輸入端，看輸出端是否有反應，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，否則可能會導致觸電）。如果碰前一級沒有反應，而碰后一級有反應，則說明問題出在前一級，應重點檢查。

　　③當然，還有很多其它的尋找故障點的方法，例如看、聽、聞、摸等。“看”就是看元件有無明顯的機械損壞，例如破裂、燒黑、變形等;“聽”就是聽工作聲音是否正常，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，對于一個有經驗的電子維修人員來說，對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，工作起來時會發熱，如果摸上去是涼的，則基本上可以判斷它沒有工作起來。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、穩壓芯片等，工作在70度以下是完全沒問題的。70度大概是怎樣的一個概念呢？如果你將手壓上去，可以堅持三秒鐘以上，就說明溫度大概在70度以下（注意要先試探性的去摸，千萬別把手燙傷了）。

　　二、選選擇電子測試儀器的幾個重要指標

　　以數字示波器為例，很多用戶可能都知道示波器的一些傳統的指標，比如帶寬，采樣率，存儲深度等等，甚至出現在選型的時候根據指標”比數大小”，以為數大的就比數小的好 ---其實不然！要想真正了解數字示波器，就必須深入洞察隱藏在標稱的指標背后的產品的真正性能和質量，就像有不少消費者在選購數碼相機的時候往往很在意像素數，其實除了這個”數”之外，還有很多（更）重要的指標甚至材質需要考慮的。

　　在可擴展性、支持的通信標準數量、測試精度、動態范圍和解調帶寬等方面，這些參數都很重要。未來的基站可能向雙模和多模演進，很多手機都已經具備多模功能，如GSM和WCDMA雙模手機，如果儀器支持的通信標準多，那么需采購儀器的品種和數量就大大減少。另外，隨著3G、LTE等技術的出現，對儀表提出了更高的要求，高測試精度、大動態范圍和大解調帶寬的儀器非常受歡迎。移動通信技術發展很快，目前中國還沒有大量商用3G，而LTE，作為WCDMA和TD-SCDMA的后續技術，已經快推出原型機了。網絡運營商可能會加快新的技術的引入，這對基站和終端生產廠商確實是挑戰：他們現在購買的測試儀器必須具備很好的擴展性，能方便地升級到未來技術，這樣才能更大限度保護廠商的投資。

　　另外，示波器的帶寬、采樣率等都是示波器的常見參數。示波器帶寬由于制造與研發技術的發展，使示波器帶寬能夠得到修正和補償。但這些修正和補償未嘗都是好事一樁，有些客戶并不希望這些技術帶入到測試中去，他們更需要原始的測試數據，比如雷達實驗。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的。泰克的前端技術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。捕獲率參數反映的是一個內存管理的（是否能夠在保存的信號中找到所需的信號）的概念。泰克采用的是分段式管理，在信號跳變時保存信息。包括Inspector等方法。

　　三、電池電量的兩種測試方法

　　檢測普通鋅錳干電池的電量是否充足，通常有兩種方法。第一種方法是通過測量電池瞬時短路電流來估算電池的內阻，進而判斷電池電量是否充足；第二種方法是用電流表串聯一只阻值適當的電阻，通過測量電池的放電電流計算出電池內阻，從而判斷電池電量是否充足。

　　第一種方法的最大優點是簡便，用萬用表的大電流檔就可直接判斷出干電池的電量，缺點是測試電流很大，遠遠超過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。第二種方法的優點是測試電流小，安全性好，一般不會對干電池的使用壽命產生不良影響，缺點是較為麻煩。

　　筆者用MF47型萬用表對一節新2號干電池和一節舊2號干電池分別用上述兩種方法進行測試對比。假設ro是干電池內阻，RO是電流表內阻，用第二種測試方法時，RF是附加的串聯電阻，阻值3Ω，功率2W。

　　實測結果如下。新2號電池E=1.58V（用2.5V直流電壓檔測量），電壓表內阻為50kΩ，遠大于ro，故可近似認為1.58V是電池的電動勢，或稱開路電壓。用第一種方法時，萬用表置5A直流電流檔，電表內阻RO=0.06Ω，測得電流為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，測得電流為0.395A，RF+ro+RO=1.58V÷0.395A=4Ω，電流500mA檔內阻為0.6Ω，所以ro=4-3-0.6=0.4Ω。

　　舊2號電池用第一種方法測量時，先測得開路電壓E=1.2V，電表內阻RO=6Ω，讀數為6.5mA，萬用表置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。

　　顯然兩種測試方法的結果基本一致。最終計算結果的微小差別是由于讀數誤差、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電池電量的判斷。 如果被測電池的容量小、電壓高（例如15V、9V疊層電池），則應將RF的阻值適應增大。

　　四、測試儀器選擇：如何選擇合適的示波器帶寬

　　帶寬是大多數工程師在選擇一款示波器時首先考慮的參數。本文將為您提供一些有用的竅門，教您如何為您的數字和模擬應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

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

　　圖1：低通頻率響應

　　圖2：最大平坦頻率響應

　　示波器的這兩種頻率響應各有各的優缺點。具備最大平坦頻響的示波器比具備高斯頻響的示波器對帶內信號的衰減較小，也就是說前者對帶內信號的測量更精確。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代外信號的衰減小，也就是說在同樣的帶寬規格下，具備高斯頻響的示波器通常具備更快的上升時間。然而，有時對帶外信號的衰減大有助于消除那些根據奈奎斯特標準（fMAX 《 fS）可能造成混迭的高頻成分。關于奈奎斯特采樣理論更深入的探討，請參看安捷倫應用筆記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，我們都將輸入信號通過示波器后衰減3 dB時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發生器掃頻測量得到。信號在示波器-3dB頻率處的衰減轉換后可表示為約-30%的幅度誤差。因此，我們不能奢望對那些主要的頻率成分接近示波器帶寬的信號進行精確測量。

　　與示波器帶寬規格緊密相關的是其上升時間參數。具備高斯頻響的示波器，按照10%到90%的標準衡量，上升時間約為0.35/fBW。具備最大平坦頻響的示波器上升時間規格一般在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，示波器的上升時間并非示波器能精確測量的最快的邊緣速度，而是當輸入信號具備理論上無限快的上升時間（0 ps）時，示波器能夠得到的最快邊沿速度。盡管實際上這種理論參數不可能測得到，因為脈沖發生器不可能輸出邊沿無限快的脈沖，但我們可以通過輸入一個邊沿速度為示波器上升時間規格的3到5倍的脈沖來測量示波器的上升時間。

　　數字應用需要的示波器帶寬

　　經驗告訴我們，示波器的帶寬至少應比被測系統最快的數字時鐘速率高5倍。如果我們選擇的示波器滿足這一標準，那么該示波器就能以最小的信號衰減捕捉到被測信號的5次諧波。信號的5次諧波在確定數字信號的整體形狀方面非常重要。但如果需要對高速邊沿進行精確測量，那么這個簡單的公式并未考慮到快速上升和下降沿中包含的實際高頻成分。

　　公式：fBW ≥ 5 x fclk

　　確定示波器帶寬的一個更準確的方法是根據數字信號中存在的最高頻率，而不是最大時鐘速率。數字信號的最高頻率要看設計中最快的邊沿速度是多少。因此，我們首先要確定設計中最快的信號的上升和下降時間。這一信息通常可從設計中所用器件的公開說明書中獲取。

　　第一步：確定最快的邊沿速度

　　然后就可以利用一個簡單的公式計算信號的最大“實際”頻率成分。Howard W. Johnson博士就此題目寫過一本書《高速數字設計》。在書中，他將這一頻率成分稱為“拐點 ”頻率（fknee）。所有快速邊沿的頻譜中都包含無限多的頻率成分，但其中有一個拐點（或稱“knee”），高于該頻率的頻率成分對于確定信號的形狀就無關緊要了。

　　第二步：計算fknee

　　fknee = 0.5/RT （10% - 90%）

　　fknee = 0.4/RT （20% - 80%）

　　對于上升時間特性按照10% 到90%閥值定義的信號而言，拐點頻率fknee等于0.5除以信號的上升時間。對上升時間特性按照20% 到80%閥值定義的信號而言（如今的器件規范中通常采用這種定義方式），fknee等于0.4除以信號的上升時間。但注意不要把此處的信號上升時間與示波器的上升時間規格混淆了，我們這里所說的是實際的信號邊沿速度。

　　第三步就是根據測量上升時間和下降時間所需的精確程度來確定測量該信號所需的示波器帶寬。表1給出了對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的關系。但要記住的是，大多數帶寬規格在1 GHz及以下的示波器通常都是高斯頻響型的，而帶寬超過1 GHz的通常則為最大平坦頻響型的。

　　表1：根據需要的精度和示波器頻率響應的類型計算示波器所需帶寬的系數

　　第三步：計算示波器帶寬

　　下面我們通過一個簡單的例子進行講解：

　　對于在測量500ps上升時間（10-90%）時具有正確的高斯頻率響應的示波器，確定其所需的最小帶寬

　　如果信號的上升/下降時間約為500ps（按10%到90%的標準定義），那么該信號的最大實際頻率成分（（fknee）就約為1 GHz。

　　fknee = （0.5/500ps） = 1 GHz

　　如果在進行上升時間和下降時間參數測量時允許20%的定時誤差，那么帶寬為1 GHz的示波器就能滿足該數字測量應用的要求。但如果要求定時精度在3%范圍內，那么采用帶寬為2GHz的示波器更好。

　　20%定時精度：

　　示波器帶寬＝1.0x1GHz＝1.0GHz

　　3%定時精度：

　　示波器帶寬＝1.9x1GHz＝1.9GHz

　　下面我們將用幾個帶寬不同的示波器對與該例中的信號具備類似特性的一個數字時鐘信號進行測量。

　　不同帶寬示波器對同一數字時鐘信號的測量比較

　　圖3給出了利用Agilent 公司帶寬為100MHz的示波器 MSO6014A測量一個邊沿速度為500ps（從10%到90%）的100MHz數字時鐘信號得到的波形結果。

　　圖3

　　從圖中可以看出，該示波器主要只通過了該時鐘信號的100MHz基本頻率成分，因此，時鐘信號顯示出來大約是正弦波的形狀。帶寬為100MHz的示波器對許多時鐘速率在10MHz 到 20MHz 范圍的基于MCU的8bit設計而言可能非常合適，但對于這里測量的100MHz的時鐘信號就明顯不夠了。 圖4給出了利用Agilent公司500MHz帶寬的示波器MSO6054A測量同一信號的結果。

　　圖4

　　從圖中可以看出，該示波器最高能捕捉到信號的5次諧波，這恰好滿足了我們在前面給出的第一個經驗建議。但在我們測量上升時間時發現，用這臺示波器測量得到的上升時間約為750ps。在這種情況下，示波器對信號上升時間的測量就不是非常準確，它得到的測量結果實際上很接近它自己的上升時間（700ps），而不是輸入信號的上升時間（接近500ps）。這說明，如果時序測量比較重要，那么我們就需要用更高帶寬的示波器才能滿足這一數字測量應用的要求。

　　換用Agilent1-GHz帶寬的示波器MSO6104A之后，我們得到的信號圖像（見圖5）就更準確了。

　　圖5

　　在示波器中選擇上升時間測量后，我們得到的測量結果約為550ps。這一測量結果的精度約為10%，已經非常讓人滿意，尤其在需要考慮示波器資金投入的情況下。但有時，即便是1GHz帶寬示波器得到的這種測量結果也可能被認為精度不夠。如果我們要求對這個邊沿速度在500ps的信號達到3%的邊沿速度測量精度，那么我們就需要2 GHz或更高帶寬的示波器，這一點我們在前面的例子中已經提到。

　　換用2GHz帶寬的示波器之后，我們現在看到的（見圖6）就是比較精確的時鐘信號，上升時間測量結果約為495ps。

　　圖6

　　安捷倫Infiniium系列高帶寬示波器有一個優點，那就是帶寬可以升級。如果2 GHz帶寬對今天的應用已經足夠，那么您開始可以只購買入門級的2-GHz示波器，以后當您需要更高的帶寬時，再將其逐步升級到13 GHz。

　　模擬應用需要的示波器帶寬

　　多年之前，大多數示波器廠商就建議用戶在選擇示波器時，帶寬至少應比最大信號頻率高3倍。盡管這一“3X”準則并不適用于以時鐘速率為基礎的數字應用，但它卻仍然適用于已調RF信號測量等模擬應用。為了便于讀者理解這一三倍乘子的來歷，我們來看一個1GHz帶寬示波器的真正頻率響應。

　　圖7所示為對Agilent1-GHz帶寬示波器MSO6104A的掃頻響應測試（掃頻范圍20 MHz到 2 GHz）。

　　圖7

　　從圖中可以看出，恰好在1 GHz處，輸入信號衰減約為1.7 dB，這還遠未超出定義示波器帶寬的-3 dB限。然而，要想精確測量模擬信號，我們只能利用示波器帶寬中衰減最小的相對平坦的那部分頻帶。對該示波器而言，在其1 GHz帶寬的大約三分之一處，輸入信號基本沒有衰減（衰減為0dB）。但并非所有示波器都具備這樣的頻響。

　　圖8所示的是對另一廠商的1.5-GHz帶寬示波器進行掃頻響應測試的結果。

　　圖8

　　這正是一個遠非平坦頻響的例子。該示波器的頻響既不是高斯頻響也不是最大平坦頻響，反而更像“最大起伏”頻響，而且尖峰現象很嚴重，這會導致波形嚴重失真，不論測量的是模擬信號還是數字信號。不幸的是，示波器的帶寬規范（即輸入信號衰減為3dB的頻率）中對在其他頻率上的信號衰減或放大沒有任何規定。在這臺示波器上，即便是在示波器帶寬的五分之一處，信號也有大約1dB（10%）的衰減。因此，在這種情況下再根據3X準則選擇示波器就很不明智了。所以，在挑選示波器時，最好是選擇著名廠商的產品，而且要密切注意示波器頻響的相對平坦度。 本文小結

　　總的來說，對數字應用而言，示波器帶寬至少應比被測設計的最快時鐘速率快5倍。但在需要精確測量信號的邊沿速度時，則要根據信號的最大實際頻率成分來決定示波器帶寬。

　　對模擬應用而言，示波器帶寬至少應比被測設計中的模擬信號最高頻率高3倍，但這一經驗準則只適用于那些在低頻段上頻響相對平坦的示波器。

　　而且我們選擇示波器時也不能只顧眼前，不管將來。只要預算允許，在今天購買稍優于應用最低要求的示波器可能會在將來為您節約不少投資。