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数字万用表助力模拟电路新一代排故障方法
接线图
2023年10月21日 07:50 118
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现代的电子产品往往将小信号模拟电路、数字电路和功率电路紧密地整合在一块PCB上，电路布局不仅要满足电路性能要求，还受结构设计的约束，同时要符合EMC规范，这些都给地回路的布置带来了很大的挑战。在多重约束的限制下，设计阶段PCB地回路布线会存在不确定的因素，需要在测试阶段检验。
以上图所示电路为例，U1、R3、R2组成同相放大器，设计期望该放大器能够将输入信号Ui放大10倍，Uo是放大器的输出电压。由于PCB布局布线受到约束，Ui的"-"输入端子跟电阻R2的C端之间有一段导线RPCB.而PCB上可能存在"电路X"引入地回流Ix流过导线电阻Rpcb.受"电路X"地回流Ix的影响，导线Rpcb两端会有电压差Ue,为了确定Ue对被测信号的影响，需要测量Ue的大小。
如果将一个电路模块当成黑盒，那么它至少会有一个输入端口--电源。在电路故障诊断中，电源端口经常被遗忘或者被低估，以至于有些问题被定性为"灵异事件"。
假定黑盒内部的电路和信号输入均正常，如果黑盒的输出仍然有问题，这时就应该重点排查电源输入。常用的电源检测仪器有示波器、频谱仪和数字万用表，它们能够覆盖的测量范围不同（如上图所示），应该综合运用这些仪器来全面观察电源信号，避免测试盲区。
超低功耗电路测试通常要求仪器能够测试nA级弱电流，同时电压测量的输入阻抗趋于无穷大。一般的手持式万用表无法测量nA级电流，电压测量的输入阻抗固定为10MΩ，不能满足超低功耗电路的测试需求。
上图是一种超低功耗设备的入侵检测电路。常闭开关S1用于入侵检测，设备外壳被破坏时开关S1断开。该电路中二极管D1用作超低电流的上拉元件，其反向漏电流Is约为10nA.一旦外壳被破坏，S1断开，D1将控制器MCU的管脚DET拉高，产生上升沿作为入侵触发信号。这个电路的主要测试项目有二极管反向漏电流Is,开关S1闭合时的DET电平，开关S1断开时的DET电平，开关S1闭合到断开过程中DET管脚的电压上升沿波形。
手工焊接过的电路板常常会有焊屑导致的短路，而且焊屑一般藏在元件底部，不易查找。一旦电路板上的电源跟地短路，接在该电源和地之间的所有元件都成了可疑对象。逐个排查可以解决问题，但是非常费劲。
如果被短路的电源上只有一处短路，那么远离短路点的位置由于串联了PCB电阻因而对地电阻较大，因此只要找到对地电阻最小的位置就能定位短路。
如上图所示，Rp1~Rp（n）是+5V电源线的PCB电阻，阻值均为1mΩ；Rn1~Rn（m）是GND地线的PCB电阻，阻值均为1mΩ；C1~C5是+5V电源的退耦电容。假设在电容C2下方隐藏有短路，那么在C2处测得的电阻为0mΩ；在C1处测得的电阻C2处测得电阻加上Rp1和Rn1,共为2mΩ；同样的道理，C3~C5处测得的电阻依次是2mΩ、4mΩ和6mΩ。C2处测得的电阻最小，因而可以断定C2下方有短路。
严格地说，在线测量电阻是不被推荐的，但是电路板调试时频繁地拆装电阻确实是一件很繁琐的事情。电路调试时通过分析电路，可以找到能够在线测量电阻的条件。在线测量电阻只是证明电阻阻值跟预期值相同，因此也就不必为测不准而担心了。
以上图所示电路为例，电阻R串联在逻辑IC1的输出和逻辑IC2的输入之间。电阻R的正确值是33Ω，现怀疑R阻值异常，需要对其进行测试。观察逻辑IC1和逻辑IC2的内部等效电路可以发现，逻辑IC2只通过钳位二极管将电阻R连接到电源线上。也就是说，只要电阻R两端的电压不超过IC2内部的钳位二极管的正向导通电压（一般为0.5V），流过IC2的输入管脚的电流就可以忽略，也就不会对电阻R的测量产生影响。
来源:阴雨
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