《你好，放大器》----学习记录(六)

川长思鸟来 2023-09-24 13:22 50阅读 0赞

## 6 仪器使用、焊接、调试和撰写报告 ##

### 6.1 仪器使用基础 ###

#### 6.1.1 正确连接仪器和电路板 ####

直流稳压电源、信号源、示波器以及实验用电路板的一种参考接线方式，如图所示：

![在这里插入图片描述][6b41f009e5a74c59a2cc6b63624a18a5.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

**构建正负电源输出**

多数双路直流稳压电源在面板上都有 5 个输出头，分别为`左路正、左路负、大地(机壳)、右路正、右路负`。两路输出电压都是浮空的，即它们之间只有电位差，不存在绝对电位

**连接信号源和示波器**

信号源的输出头一般为 BNC 输出，示波器的输入一般为 BNC 输入。两边均为 BNC头的电缆线，可以直接将信号源的输出引入示波器的输入

*  信号源输出头中包含两根线，`信号线(中心) 、地线(边缘)`，它属于单端输出。注意，多数信号源的输出地线，在内部被强制接到了机壳(大地)上
 *  示波器输入头也包含两根线，`信号线(中心)、地线(边缘)`，属于单端输入。注意，多数示波器的输入地线，在内部被强制接到了机壳(大地)上

**大地和信号地**

在电学系统中，所谓的**大地**，是指`建筑物附近深埋地下的铜线`，通过交流电供电系统，提供到房间内的，三线电源插座上的上孔。在电学上，它代表`地球电位`

所谓的**信号地**，完全是一个`规定概念`，并不代表确定性的电位。在一般电学系统中，为了描述各点电位高低，都将各点与定义的信号地之间的电压差，作为该点电位高低的表述

#### 6.1.2 电源基础 ####

**直流稳压电源，是理想电压源吗？**

`理想电压源`有三条重要特征：

*  输出阻抗为 0，或者非常小
 *  可提供流出电流 source，也可接受流入电流 sink
 *  可提供的流入、流出电流较大

**基准电压源**

`线性稳压电源`的特点：

*  可提供很大的输出电流，从百毫安到安培数量级
 *  只能提供正输出电流，即能够驱动低电位负载，不能驱动高电位负载
 *  稳定性只有 1%~0.1%数量级

`电压基准源`的特点：

*  只能提供很小的输出电流，一般在 10mA 数量级
 *  一般都能提供双向电流输出，对很轻的负载无论低电位还是高电位，都可驱动
 *  稳定性一般按 ppm 标示，几十 ppm 到几个 ppm 都有

**`要电压精准、稳定的，选择基准源；要实现大的流出电流的，特别是给需要电流比较大的器件供电的，选择稳压电源`**

#### 6.1.3 信号源设置与示波器观察为什么不一致？ ####

给一个信号源设定输出大小，通常可以用峰峰值，即 VPP表示。当你给一个数字信号源设定一个 1VPP的正弦波输出时，通常在示波器上看到 2VPP的波形。`为什么出现不一致？`

常见信号源都具备 50Ω 输出阻抗。在`高频情况`下，信号源和电路板的连接一般采用图6-5a 的形式：后级电路板具有 50Ω 输入阻抗(50Ω 输出阻抗、50Ω 电缆特征阻抗、50Ω 电路输入阻抗实现标准的阻抗匹配)，在电路板的输入端实际只能得到信号源内部源的 1/2 电压。因此，当用户在信号源按键上输入 1VPP时，信号源知道用户希望在电路板输入端得到1VPP的输入电压，那么信号源只好把内部源做成 2VPP，用户恰好能得到 1VPP

![在这里插入图片描述][1060c9c42ef64c15827f3343e6470117.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

但是，如果用示波器直接探测信号源输出的话，如图 6-5b，示波器的输入阻抗一般都是 1MΩ(高级示波器可以改变输入阻抗)，就导致示波器实际得到的输入电压为 2VPP，输出阻抗上的分压可以忽略不计

### 6.2 学会使用示波器 ###

#### 6.2.1 示波器的重要性 ####

尽量不要使用万用表的直流电压档测量电源电压，而要`使用示波器`。示波器在测量直流电压时，显然没用万用表准确，但是它可以看到全貌，比如`纹波大小`。而万用表测量的是平均值，显示不出纹波。只有在要求直流电压精度时，才先用示波器观察大致电压，后用万用表精准测量

`常用万用表的地方是，测量工频交流电，测量精准直流电压，测量电阻包括是否短路`

#### 6.2.2 示波器能干的，以及不能干的 ####

*  示波器具有几 mV 到几十 mV 的本底噪声，以及量级近似的直流偏移量。因此它`不能用于观察和测量很小的信号`
 *  在纵轴上，示波器使用的是可变增益放大器，其增益准确性并不高；数字示波器只使用 8 位的 ADC，分辨率较低。即便被测信号较大，其纵轴测量数值也无法达到一般测量学要求。因此，虽然某些数字示波器具有`自动测量峰值、峰峰值、有效值等强大的功能，也不要相信它给出的数值`
 *  对一个放大器实施增益测量，以获得放大器的幅频特性，是实验中最为常见的。如果只希望得到粗略结果，比如找到近似的截止频率点，或者看是否具有低通、高通特性，那么使用示波器读数记录，然后计算，是基本靠谱的。但是如果要`测试几个放大器的增益一致性等，使用示波器就不靠谱了`。此时需要使用精密的交流信号毫伏表
 *  示波器的带宽 fH，是指探头具有更高带宽情况下，对频率为 fH的正弦信号输入，`示波器显示幅度不小于输入实际幅度的 0.707 倍`。此时想获得幅度测量，显然不靠谱。另外，如果输入一个频率为 fH的方波，示波器显示一个缩小了的正弦波，就不足为奇了
 *  模拟示波器`只能稳定显示周期性重复的信号`，遇到周期不确定的信号，示波器上出现不稳定波形是正常的，想让它稳住，是徒劳的——虽然它也具有单次触发功能，但模拟示波器无法存储单次触发波形，只能供照相机在单次触发时完成一次照相。数字示波器具备单次触发功能，可以将单次触发显示波形保存下来，供用户反复观察

#### 6.2.3 注意数字示波器的混叠现象 ####

当输入被测信号为很高的频率 fi，而用户随机选定的一个扫速产生的采样率为 fs，两者之间不满足奈奎斯特采样定理，则一定会出现`混叠现象`：用户会看到一个很低频率的信号。如图所示，`实际波形为黑色，显示波形为低频的黄色`

![在这里插入图片描述][80847f205e3345278c1fbe5ea756620b.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

#### 6.2.4 利用示波器观察地线 ####

使用示波器观察管脚波形时，注意以下两点：

*  要尽量探测管脚根部
 *  要轻触，而不是重压测量

#### 6.2.5 关于探头 ####

**多种探头的选择使用**

探头可分为`有源探头`和`无源探头`两大类

*  无源探头就是两根导线，而一般的无源探头多数具有 1:1 和 10:1 衰减选择。也有一些无源探头被设计成固定的 10:1 衰减
 *  有源探头很复杂，它需要外部供电，内部具有放大器和滤波器，因此可以实现更为复杂的频率特性调整，通带内的平坦度也可以得到保证

探头还可以分为`单端探头`和`差分探头`。所谓的差分探头，检测差分信号，输出单端信号，或者说就是一个差分—单端转换器。这种探头一般都可承受很高的共模电压，而仅输出两个被测点之间的差分电压，因此具有极高的共模抑制比

**注意探头的频率特性**

无源探头的`频率特性是最差的`，多数无源探头在 1:1 衰减时只有6MHz~20MHz 的上限截止频率，而产品号称的上限截止频率一般是指在 10:1 衰减时测得的

10:1 衰减器可以提高频率上限，原因是探头内部做了`频率补偿`，在低频处，其衰减率可以设计成 0.1 倍，而在高频处，则可以设计成 0.1~1 倍，如果这种过渡被设计成平滑的，且与原本的高频衰减成补偿关系，那么高频信号就得到了补偿，使得带宽得以扩大

#### 6.2.6 灵活使用示波器的触发 ####

**数字示波器的触发显示原理**

假设设定的触发条件是“上沿脉冲触发，宽度大于 T” ，触发电平为图中 Level\_2

![在这里插入图片描述][405e0eea06474e2faacea1b2693d2595.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

数字示波器有一套`数据采集和缓存装置`，它可以对一段波形进行复杂的分析，这在模拟示波器中难以实现。图中待分析区域就是这段被测波形，通过运算发现第一个上升沿的宽度小于 T，则放弃，接着发现第二个上升沿满足宽度大于 T 的条件，则认为上升沿为触发起点，显示装置就将触发起点两侧等长的数据投放给显示

`数字示波器与模拟示波器最大的区别`：数字示波器可以记录一段数据进行综合判断，而模拟示波器仅能从当前状态进行判断，它没有记忆体

不同档次的数字示波器具有不同复杂程度的触发条件设置。`常见的触发条件有`：沿触发、脉宽触发(大于、小于、等于) 、斜率触发、码型触发、多通道触发等

数字示波器还有一个关键指标，叫`波形捕获率`，是指 1s 内实施触发条件判断的次数，这与数字示波器内部 CPU 主频、算法、结构均有密切关系，一般的每秒可以实现几十次到几千次的捕获判断运算，而高级的可以达到每秒 100 万次捕获。与捕获率相关的指标还有死区时间，是指示波器完成数据采集后，有一段时间只能用于数据的后期处理，不能实施新的采集。`死区时间的长短，直接决定了关键波形被漏失的可能性`

**释抑**

释抑的字面意思是`释放抑制`，所谓的释抑时间 T，是指示波器完成一次触发扫描后，在时间 T 内会抑制触发条件判断，T 时刻之后释放这种抑制，也就是重新开始触发判断，图为释抑时间的作用

![在这里插入图片描述][d6a5c207c9dd41499a2619e02b54a01c.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

**`合理的选择释抑时间，可以将不期望的触发屏蔽掉，这就是释抑的作用`**

**功能强大的数字触发**

**`边沿触发(单一电平 LEVEL )`**

*  正边沿触发：发现基于 LEVEL 的正跃变，则触发
 *  负边沿触发：发现基于 LEVEL 的负跃变，则触发

**`脉宽触发(单一电平 LEVEL)`**

有正脉宽触发和负脉宽触发两类，以正脉宽触发为例：

*  **脉宽大于触发：** 当正脉冲宽度大于设定值时触发。先探测到 LEVEL 正跃变，开始计时，探测到负跃变时，终止计时，并用计时与设定脉宽进行比较，如果大于则触发
 *  **脉宽小于触发：** 当正脉冲宽度小于设定值时触发。先探测到 LEVEL 正跃变，开始计时，探测到负跃变时，终止计时，并用计时与设定脉宽进行比较，如果小于则触发
 *  **脉宽范围内触发：** 当正脉冲宽度在规定的两个数值范围内时触发。先探测到 LEVEL 正跃变，开始计时，探测到负跃变时，终止计时，并用计时与高值、低值比较，如果计时值小于高值，且大于低值，则触发
 *  **脉宽范围外触发：** 当正脉冲宽度在规定的两个数值范围外时触发。先探测到 LEVEL 正跃变，开始计时，探测到负跃变时，终止计时，并用计时与高值、低值比较，如果计时值大于高值，或者小于低值，则触发

最常用的两种触发模式，`边沿触发和脉宽触发`如图所示：

![在这里插入图片描述][7eaa85e0e0544ab3bc85f5fa84a2f1c5.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

**`多通道状态触发(单一电平 LEVEL)`**

以单一电平 LEVEL 为分界，将各个通道当前状态分为 H 和 L。当多个通道包括外触发通道的状态在某个时刻满足某种逻辑时，触发发生。逻辑关系分为 AND、NAND、OR、NOR 等。一般每个通道都有 H、L、Don’t Care 三种选择，用于确定该通道状态是否介入逻辑判断。多通道状态触发示意图：  
![在这里插入图片描述][7d38d327dd7f4e2e802aa64bafd1e01b.png_pic_center]`图片来源于《你好，放大器》`

**`智慧触发 - - Windows (窗口触发)`**

窗口触发的含义是，设定两个不同的电平 LEVEL\_1>LEVEL\_2，组成一个窗口。任意时刻只要被测信号超出了这个窗口，即实现触发。常用于对被测信号幅度超限进行监测，窗口触发如图所示：  
![在这里插入图片描述][89998e15ddd541f0a806c3ab79cabac7.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

**`智慧触发 - - Interval (间隔触发)`**

间隔触发的含义是，以一个设定的电平 LEVEL 为幅度分界，第一个上升沿到第二个上升沿之间的时间差为 Treal，此时间差满足以下条件时，引起触发,下降沿与此相同，间隔触发如图所示：  
![在这里插入图片描述][12361d39198344bdb0c2591dea9b99ce.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

**`智慧触发 - - Drop out(漏失触发)`**

漏失触发的含义是`当期望的边沿持续一定时间没有到来`，就引起触发。以上升沿为例，分为两种，第一种是考虑下降沿的，如下左图，从第一个上升沿开始，计数器启动，在到达规定的时间 TSET前，信号一直没有变化。第二种是忽略下降沿的，如下右图，从第一个上升沿开始，计时器启动，在到达规定的时间 TSET前，没有第二个上升沿，其中出现的下降沿不被考虑

![在这里插入图片描述][ecf8f4e7a6c549a19d1ffbfbe5861fe0.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

**`智慧触发 - - Runt(矮脉冲触发)`**

以正脉冲为例，`矮脉冲触发的条件`有以下几条：

*  第一，它必须是一个脉冲，因此它必须先超过 LEVEL2，再低于LEVEL2，这需要用户设定
 *  第二，脉冲必须很矮小，因此整个脉冲期间，被测信号不得超越 LEVEL1
 *  第三，对脉宽有时间限制，小于、大于、范围内、范围外四种约束。因此，用户还得设定 TSET

它主要用于数字电路中发现电平幅度不够引起的脉冲失效

![在这里插入图片描述][834be52dc9214bd7a156896de30c095f.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

**`智慧触发 - - Slew rate(压摆率触发)`**

压摆率触发也可译为`变化速率触发`。它要求用户规定高电平 LEVEL\_1，低电平LEVEL\_2，以上升沿为例，当被测信号超越 LEVEL2，计时器从 0 开启，当被测信号超越LEVEL\_1，计时器得到实际的计时值 Treal，对此值进行 4 种时间域判断：小于、大于、范围内、范围外，满足设定条件则引起触发

![在这里插入图片描述][1d00113640c14bfab9f860d58549ff2d.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

#### 6.2.7 数字示波器的其它有用功能 ####

**中央扩展和底部扩展**

一个正负 5V 的方波，叠加了一个 100mV 左右的纹波。`用模拟示波器是难以观察到这个纹波大小的`。数字示波器具有中央扩展和底部扩展的选择。合理利用这个选择，可以观察到这个纹波的大小

**底部扩展**，就是传统的模拟示波器的扩展方式，`也称为“信号地扩展”`。它的含义是，当纵轴增益变化时，是以信号地为基准进行扩展的

**中央扩展**，是数字示波器独有的扩展方式。它的含义是，当纵轴增益变化时，是以示波器显示屏中央为基准进行扩展的

底部扩展和中央扩展示意图：

![在这里插入图片描述][b12cf4764a1a49148bfa2a500d219c90.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

### 6.3 焊接基础 ###

良好的焊接，是电路板成功的关键  
第一，一定要将焊点焊成下图所示的样子，成型的焊锡应该是下陷型弧度

![在这里插入图片描述][818fbcd1a50a49e69b5531f31f2eeb3e.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

第二，要想达到这样的目的，需要注意以下几点：

*  永远不要用手指接触电路板焊盘，一旦接触过，最好用酒精棉球擦拭。养成良好习惯，手持电路板一定要注意拿边儿
 *  焊接时注意烙铁接触焊点的时间，时间太长可能会引起器件烧毁，一般不要超过10s；时间太短，就会出现虚焊

### 6.4 故障排查的基本技巧 ###

#### 6.4.1 故障排查的基础 ####

**熟练使用常用仪器**

`示波器、万用表是排查故障的常用仪器`，彻底搞懂常用的示波器的工作原理和功能并熟练操作，是完全必要的

**熟悉目标电路**

要做到`对目标电路了如指掌`：正常情况下各点波形形态，哪里出现什么情况，会引起后续位置出现什么，在脑子中要形成结论

#### 6.4.2 排查故障中合理使用仪器 ####

*  `尽量使用模拟示波器`，以避免数字示波器采样率等因素搅乱你的思维。如果必须使用数字示波器，那么看到波形后，可以把水平扫速左右多旋转几圈，以避免被混叠信号欺骗，也可以利用数字示波器的 AUTO 键
 *  在示波器接触测量点之前，`用无名指触碰一下探头`，让示波器短瞬间出现人体干扰波形，以保证示波器探头完好、通道显示正确
 *  `总是使用示波器的 DC 档`
 *  在故障排查过程中，`不要使用数字示波器的带宽抑制功能或者其它的平均运算`
 *  如果使用数字示波器，`要充分发挥数字示波器丰富的触发捕获功能`，以最大限度地捕捉到奇异故障波形
 *  能够使用示波器的，不要使用万用表或者其它数字指示设备
 *  不要信赖信号源、电源的仪表显示，还是用示波器看看再相信它
 *  对信号源来说，`要注意它的设定输出阻抗`，它不一定是 0Ω。对示波器来说，要注意它的设定输入阻抗，它也不一定是 1MΩ。而指针式万用表的电压档，其内阻与选定的量程有关，比如 20kΩ/V

#### 6.4.3 故障出现后的关键几分钟 ####

明显的危害性故障，`立即切断电源`：

*  爆炸，烧毁，焦糊味道
 *  电源保险丝被烧毁
 *  异常的声响，明显的温度升高，明显的电源大电流指示

对无危害故障，比如`波形失真、无输出波形`等，不要急于关断电源，此时注意用手摸一摸芯片温度，如果没有问题，可以持续不关断电源，进行下一步排查，否则，也请立即关断电源

对第一次上电的电路板，要防止器件爆炸带来的危害，`前面几分钟是最关键的`。上电就爆裂的属于集成芯片，持续一段时间才爆炸的一般是电解电容。在这几分钟内，请注意：

*  最好保持身体与电路板有一定的距离
 *  能戴上眼镜最好，电解电容爆炸飞出来的一般是电解液，有腐蚀性但不会打碎眼镜
 *  在没有前述明显危害性故障现象情况下，耐心等几分钟不要断电，后面再出现爆裂的可能性就急剧下降了

#### 6.4.4 保护故障现场 ####

故障分为`一次性(芯片接反等) 、偶发性(有时正常，有时不正常)和持续性(每次都重现)`三种

保护故障现场的方法有：

*  在保证不会出现危害性故障的情况下，`不要关断电源`
 *  `不要随意触碰电路板相关的任何东西`，磕一磕电路板，拽一拽电源线，压一压芯片，都是坏习惯
 *  必须开始动作了，要保证“动作——恢复” ，`能够再现故障`
 *  对每一项排查动作，`都做详细的记录`，每个元件都要标注
 *  `每次只能做一个动作`

#### 6.4.5 故障定位 ####

故障定位，不是简单的指出故障位置，而是找到故障的原因。一个电学系统出现故障，原因很多。多数情况下，故障点只有一个，也有多个故障点同时出现的。宏观上，将故障分为如下图，有助于排查者分析  
![在这里插入图片描述][44372a8199914b359264fe69d7029007.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

#### 6.4.6 故障定位的常见方法 ####

**顺序探测法**

使用示波器探头，逐点测试，有`正序法和倒序法`

*  正序法，就是从输入信号开始，一级一级逐步后移，很快就能找到故障分界线
 *  倒序法是从不正常的输出开始一级一级前移，也能找到故障分界线

`该方法特别适合于模拟信号链故障排查`

**关键点探测法**

在`数字系统故障`排查中，首先对某些关键点实施示波器探测，有助于很快发现故障。比如单片机工作不正常，对其时钟信号、复位信号、电源管脚，或者其它必须输出波形的管脚实施探测  
在`模拟电路`中，关键点探测法也有用途。运放的电源管脚，虚短的两个输入端等，都需要及时用示波器观察

**分块定位法**

当一个系统发生整体故障，而这个故障可能由若干个子模块中的一个造成，则可以将整个系统实施分块，采取合适的条件，强迫检测某一子模块的正确性

**替换法**

`是分块法的一种变形`，使用明确可靠的某个模块替换怀疑故障的模块，以证明被怀疑模块确实出了故障。在模拟电路中，如果怀疑某个运放坏了，可以用一个崭新的运放或者正在工作的运放替换，以进一步确认故障位置

**故障注入法**

可怕的偶发性故障，可以采用故障注入法。`偶发性故障`，是指电路故障一会儿出现，一会儿又消失，让人琢磨不透它的发作规律的，恼人的故障

故障注入法，就是`人为模拟可能的多种故障源`，并将这些故障源依照你选择的次序，依次注入到系统中，观察故障发作概率是否大幅度提升。一旦注入某种故障源，引起故障概率大幅度上升，一般可以认定该故障源就是原先的故障

#### 6.4.7 故障排查次序 ####

决定排查次序的有三点：`排查难度、排查伤害、故障概率`。当出现多种可能性时，按照`“伤害最小、概率最大、难度最小”`的次序实施排查

**`致谢杨建国老师著作《你好，放大器》`**  
![在这里插入图片描述][2221cf6d0ebb49168b0f44bc77b58d52.png_pic_center]

**希望本文对大家有帮助，上文若有不妥之处，欢迎指正**

**分享决定高度，学习拉开差距**

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