硬件電路測量中的陷阱分析

在平時測試硬件電路的時候，經(jīng)常會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量中的陷阱。

　　測試儀器和儀表的負載效應(yīng)和濾波器效應(yīng)

　　在用萬用表測量電壓或者電流的時候，萬用表都是作為一個負載和測量對象并聯(lián)或者串聯(lián)在一起。如果測量對象的負載大小和萬用表的等效負載的大小相比，如果屬于相同數(shù)量級大小，那么萬用表負載就一定會對測量對象產(chǎn)生影響。比如測量電壓，被測負載的大小如果是10K，那么如果所采用萬用表的等效負載也是這個這個數(shù)量級的，那么測試的結(jié)果一定會有很大的誤差。根據(jù)并聯(lián)電路中的分流理論，如果要減小這種誤差，就必須選擇等效負載大的萬用表，并且是越大越好。一般而言，指針萬用表在測量電壓的時候，其等效負載根據(jù)量程的不同分布在幾十千歐到幾百千歐數(shù)量級，數(shù)字萬用表在測量電壓的時候，因其采用了有源電路做為等效負載，所以其值一般根據(jù)量程不同分布在兆歐數(shù)量級到十幾兆歐數(shù)量級，相對而言，其對被測對象的影響就小很多，測試的結(jié)果可信度也比較高。但是，如果將數(shù)字萬用表看做一個電壓傳感器的話，其高阻值的等效負載，又會容易拾取一些噪聲電壓，所以也會引進一些測試上的誤差，如果要減小這個高阻的探頭效應(yīng)，就必須在測量的時候，表筆和表體盡可能遠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)系的觀點來看，測量儀器作為等效負載實際上也參與了所測量的電路的工作，如果要考慮其影響的話，一旦測量儀器介入了測試電路，整個電路的工作狀態(tài)就發(fā)生了變化，如果測量儀器對電路的影響比較小，那么這個測量儀器的影響就是一個微擾，可以忽略，如果測量儀器對電路的影響比較大，那么這個測量儀器的影響就是對這個電路系統(tǒng)的一個沖擊。這就是為什么，有時候我們做測試的時候，表筆一旦放在測試對象上，卻看到了測試對象自激了，或者不工作了，或者有莫名其妙的噪聲出現(xiàn)的原因，這個時候，我們需要做的就是更換負載效應(yīng)小的儀器或者表筆探頭。

　　在用萬用表測量交流信號的時候，還需要注意測量對象的工作頻率，萬用表作為負載參與測量的時候，如果單純從測量表筆向萬用表看進去，可以認為萬用表是一個濾波器，因為其測量電路無非是由一些電阻，電容，晶體管組成的測量電路，那么這個電路必然存在一個工作頻率范圍（帶寬），如果在這個頻率范圍內(nèi)測量，那么測試結(jié)果有效，如果在這個頻率范圍之外測量，測試結(jié)果就不準確了。所以必須關(guān)注測試儀器的頻率范圍。這個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，也必須注意相應(yīng)的負載效應(yīng)和濾波器效應(yīng)，應(yīng)該根據(jù)所測試對象的負載和工作頻率去選擇相應(yīng)的儀器。在儀器的說明書上，一般都有等效負載的大小說明，以及工作頻率的說明，這個比較常見，非常容易理解。

　　一般而言，測量低頻交流信號時，如果單純想測量信號的大小，可以選擇數(shù)字萬用表，如果還想看到信號的時域波形，那么選擇示波器。如果信號很微弱，可以選擇毫伏表和示波器搭配使用。測量音頻信號時，根據(jù)信號的大小，可以選擇示波器或者毫伏表，mV數(shù)量級的交流信號，可以用示波器和毫伏表搭配使用。高頻信號時，可選擇超高頻毫伏表或者頻譜儀。在使用這些儀器的時候，必須注意負載效應(yīng)和濾波器效應(yīng)。尤其是在測量高頻小信號（uV數(shù)量級）電路的時候，如果高頻放大器的負載為并聯(lián)諧振電路，這個時候如果用頻譜儀（50ohm負載效應(yīng)）進行測量，必然導致50ohm的頻譜儀和并聯(lián)諧振電路一起作為高頻放大器的負載，這樣必然導致放大器的增益降低，所測試的結(jié)果必然是不準確的，這個時候可以采用差分高阻探頭配合頻譜儀進行測量，可以很大程度上減小負載效應(yīng)的影響。

　　另外，在測試晶體的時候，一般常見的是用示波器進行時序的測量，還有的是測試晶體是否振蕩。這個時候，一定要注意示波器探頭的負載效應(yīng)，因為探頭上會存在寄生電容，比較小，一般是pF量級，但是晶體的負載電容一般也是pF量級，所以探頭的介入，會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，嚴重的，會導致晶體電路無法起振。這個時候，就必須選擇差分高阻探頭進行測量。

　　測試線材的濾波器效應(yīng)和負載效應(yīng)

　　一般在測量高頻電路的時候，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同軸線不會對測量引起太大的影響，可是如果從實際來思考，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，這個網(wǎng)絡(luò)必然存在一個工作頻率范圍，由于RG的存在，這個網(wǎng)絡(luò)必然存在損耗，所以傳輸線會對測試系統(tǒng)產(chǎn)生濾波器效應(yīng)，也就是說傳輸線也有一個工作頻率范圍的問題，如果我們用網(wǎng)絡(luò)分析儀去測試一根RF同軸線比如RG-58C，在很寬的頻率范圍來掃描其S21，我們會發(fā)現(xiàn)這個同軸線是一個低通濾波器，從RF線材的非理想性來看，這個測量結(jié)果應(yīng)該是意料之中的。可以設(shè)想，如果我們單純讓這根同軸線工作在遠離其低通濾波器corner-frequency很遠的地方，那么從RF匹配的角度來看，這個同軸線就不是一個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，此時就必須重新選擇其他RF線材。下面的表格就是一個RF同軸線的參數(shù)表格，可以看到每個feet長度時，其等效的電容大約是20~30pF，對于高頻而言，這個是比較大的電容，這就是為什么我們在進行RF測量時，必須選擇盡可能短的同軸線的原因。

　　相應(yīng)地，在測量高頻信號（或者高頻數(shù)字信號）的時候，示波器探頭的地線的的等效負載效應(yīng)也必須考慮，探頭地線的介入，改變了測試系統(tǒng)的特性，探頭地線作為一個感性負載元件必然引起測試對象的傳輸特性的改變，從而引起測試結(jié)果的變化，嚴重的會引起系統(tǒng)振蕩和自激。

　　以上就是測試線材的濾波器效應(yīng)和負載效應(yīng)。

　　如果從基本電路理論和信號與系統(tǒng)的角度去理解上述這些測試系統(tǒng)中的陷阱，我們會很容易理解，并在選擇儀器或者測試時，知道如何減小和消除這些問題的影響。