模拟电路测试技术

1模拟小信号测试技术基本概念噪声和浮地电路的测试如何减小噪声对测试的影响2基本概念模拟测试项目模拟信号测量模拟系统响应测试精度分辨率与精度精度的计算分贝（dB）分贝的定义特殊分贝符号转换3模拟测试项目模拟信号测量标量组量模拟系统响应测试时域频域非线性域4模拟信号测量标量电压：DC平均值，AC有效值，AC平均值，标准差，最大电压，最小电压，峰峰值电压，高电平电压，低电平电压，过冲等。时间：上升/下降时间，摆率，正电平宽度，负电平宽度，占空比等。其他：频率，相位等。5模拟信号测量组量测量时域：波形，包络，柱状图等频域：瞬时频谱，功率频谱等功率谱密度（PSD）-93dBat100HZ=-113dBat1HZ6模拟系统响应测试时域：阶跃响应，脉冲响应频域：频率响应，S参数，组延时非线性域：谐波失真（THD,THD+N,SINAD,互调失真等）SINAD=-(THD+NoiseindB)=-20log10(THD+Noise).7精度精度与分辨率的关系电压表的精度表示：Accuracy=error(in%ofreading)+offset例如：某51/2位数字电压表在2.5V档精度为0.0125%+25uV,则测量1V电压会有150uV的误差，而其分辨率为2.5/199999=12.5uV8精度误差的相加应该是RMS值相加：例如：传感器误差：2%.仪器本身误差：1%噪声引起的误差：3%.总误差＝Root((0.02)2+(0.01)2+(0.03)2)=0.037=3.7%9精度导出值精度问题例如：用电压法测功率（P=V2/R）电压测量误差：5％则计算出功率的误差至少为：1.052=1.1025（10%）10分贝dB=20LOG(VO/VIN),dB=20LOG(IO/IIN),dB=10LOG(PO/PIN)，Vo=Vin10dB/20分贝的表示方法使得乘/除法变成了加减法，增益和损耗表征为＋/-符号，使分析直观，计算简单。11分贝·Ratio(out/in)VoltageGain(dB)PowerGain(dB)1/1000-60-301/100-40-201/10-20-101/2-6.02-3.011002+6.02+3.015+14+710+20+10100+40+201,000+60+3010,000+80+40100,000+100+501,000,000+120+6012特殊分贝符号dBm：0dBm定义为50欧姆电阻上消耗的1mW功率，通常用于RF测量。例如:9mW（50欧）=9.54dBm，0.02mW（50欧）＝-17dBmVolumeUnits(VU)：0VU定义为频率为1KHZ的信号在600欧的电阻上消耗的1mW功率。应用于音频系统。dBmv：0dBmV定义为75欧电阻上的1mV电压，用于75欧射频系统，13dBm与电压之间的转换mV-dBm:P=V2/50dBm=10LOG(P/1mW)dBm-mV:P=(1mW)(10dBm/10)V=(7.07)(P1/2)14噪声和浮地电路的测试噪声测试基本概念用示波器或电压表测量噪声用软件法测量噪声音频电路噪声测试浮地电路测试接地与浮地系统用ADA400A差分前置放大器测量浮地电路用隔离放大器测量浮地电路15基本概念随机噪声与周期噪声功率谱密度（V2/HZ）白噪声、1/F噪声噪声的相加为平方和相加波峰因子：用电压有效值衡量噪声大小更科学。16波峰因子超出所占时间百分比波峰因数（PEAK/RMS）12.60.13.30.013.90.001（10ppm）4.40.0001（1ppm）4.917用示波器测量低频噪声0.1HZ~10HZ噪声通常以最大峰峰值方式表示。对于呼吸电路，温度测量电路，压力测量电路，低频噪声非常重要。18测试要点将示波器设置为慢扫描或滚动扫描工作方式（如1S/DIV），测量时间为10S。最好使用1:1探头，可以提高小信号测试能力；为了使波形清晰，可以使用“平均”、“HI-RES”等采样技术；注意设置为直流耦合（AC耦合截至频率为2HZ）。必要时使用前置放大器（ADA400A）。测量最大峰峰值。使用低噪声前置放大、滤波等技术来测试微弱噪声信号。19用示波器测量噪声有效值适合10HZ以上的噪声电压的测试。注意指定测量带宽，因电压值与带宽的平方根成正比。AC耦合，消除直流OFFSET的影响。注意示波器时基（水平分辨率）的设置应该保证一次触发记录的时长（计算的样本长度）至少大于5倍噪声带宽的下限频率对应的周期，这样才能保证RMS值计算的准确性。如测量100HZ～1KHZ带宽的噪声幅度，水平分辨率应该设置为5ms/div.注意示波器本底噪声和开关电源的干扰的影响。根据测得的RMS值，选择合适的波峰系数，即可表示为峰峰值。20软件法测噪声采用板上的ADC和CPU平台，对噪声进行采集和计算，是一种既直接又准确的测量方法。基准源的噪声贡献与ADC和调理部分的接法有关。采样噪声不可忽略。失码混淆（采样定律）增益误差、OFFSET误差、DNL、INL。21软件编制要点ADC的采样部分：采样频率要合适，必须大于通道的反混淆滤波截至频率2倍以上。噪声有效值计算：确定样本点数，平均所有点，计算DC值，去直流计算RMS值：ROOT((S12+S22+…Sn2)/n)22软件编制要点噪声峰峰值计算采样一定数量的样本寻找最大值寻找最小值计算峰峰值23软件实例0.1HZ~10HZ低频噪声峰峰值测量采样长度：10S加截至频率为20HZ的数字低通滤波计算峰峰值24软件实例10HZ噪声有效值测试样本长度：1S加5HZ数字高通滤波计算平均值（基线）去直流（基线）计算有效值25音频噪声测试根据人耳特性采用的计权测量方法。测试类型：A计权宽带（20KHZ低通滤波）C计权低频信号分析仪或者毫伏表通常具有计权滤波器选择。26计权网络AweightingperIECRec179CweightingperIECRec17927浮地电路测试双重绝缘的要求导致医疗仪器广泛的浮地应用，如ECG/IBP/RESP/TEMP等。从安全和精度考虑，示波器通常接地。接地测试装备破坏浮地系统隔离特性，导入额外的地电流会使浮地系统噪声增加。浮地通常具有很高的共模电压通常的做法：示波器两芯线供电，影响安全，同时测量精度较差(底板电容连接到电路中)。28浮地系统测量方法差分探头隔离输入示波器隔离变压器隔离放大器对于接地信号测量，差分测量可以消除地环路噪声和地反弹影响。29差分前置放大器10µV/divSensitivityLowPassFiltersfor100Hz,3kHz,100kHz,andFull(1MHz)CMRR:100dBDCto10kHzSelectableGain:100,10,1,or0.1输入阻抗：1M//50PF或跳线选择无穷大输入阻抗30差分前置放大器应用实例提高CMRR（共模抑制比）措施：1.保证两只探头的匹配，2.使用无穷大输入阻抗配置（考虑共模电压输入范围）。31差分前置放大器应用实例•无穷大输入阻抗配置下，必须提供偏置电流到仪器地的回流路径。•对于监护的隔离参数板，100M的放电电阻实际上提供回流路径。•典型的偏置电流为25PA。32隔离放大器AD210ANHighCMVIsolation:2500VrmsContinuous3500VPeakContinuousThree-PortIsolation:Input,Output,andPowerLowNonlinearity:60.012%maxWideBandwidth:20kHzFull-Power(–3dB)LowGainDrift:625ppm/8CmaxHighCMR:120dB(G=100V/V)33AD210典型应用34隔离放大器VS.差分前置放大器隔离放大器对被测电路的隔离（浮地）特性影响很小，（10PF）。对浮地的高共模电压抑制能力好。带宽较窄（20KHZ/G=1）输出端有高频开关电源噪声，需要加滤波。35隔离放大器VS.差分前置放大器差分前置放大器1M//50PF的输入阻抗对浮地电路影响较大，无穷大输入阻抗时共模电压通常很高，可能超过其最大共模输入电压（－10V~+10V），造成测试失败。优点是使用灵活，带宽大（1MHZ/×1）36隔离放大器VS.差分前置放大器对隔离非常敏感，信号频率低（10KHZ内），浮地共模电压高（10V）的系统进行测试，应该采用隔离放大器方案。对隔离敏感，信号频率高，浮地共模电压低的系统进行测试，应用差分前置放大器更灵活方便。37其他隔离电路测量方法板载AD法隔离变压器线性光耦隔离输入示波器或隔离输入信号分析仪38如何减小噪声对测试的影响测试环境地电位差，接地环测量输入信号电缆滤波差分测量平均技术如何减小开关电源的影响39噪声引入的途径传导耦合（共阻抗耦合）电场耦合（分布电容）磁场耦合（感应）电磁场（RF辐射）40共阻抗耦合41电场耦合42磁场耦合43选择合适的测试环境远离大功率设备，移走不相关设备。使用同一个插座为测试相关设备供电。（减小地电位差）在屏蔽室内进行测试。大功率设备开关引起噪声。针对工频的陷波，针对高频干扰的滤波。44地电位差，地环消除地电位差的一个办法是使用同一个AC插座为测量装备、计算机及被测系统供电。即便如此，仍然存在地环，可以尽量减小互联地线阻抗或使用电气隔离技术。在信号很微弱同时测量引线很长的情况下，应用差分测量方式。45地电位差AGroundedSignalSourceMeasuredwithaGround-ReferencedSystemIntroducesGroundLoop46地电位差ADifferentialMeasurementSystemUsedtoMeasureaGroundedSignalSource47测量输入电缆松散、非屏蔽电缆导致噪声干扰－RF干扰和磁场感应干扰。使用双绞线或屏蔽线。屏蔽层在信号源一端接地。48屏蔽线的连接49滤波50HZ、100HZ、150HZ干扰不可避免。高通或低通，一阶或多阶注意滤波对测量精度的影响陷波技术。50差分测量注意提供偏置电流回路CMRR51平均对于稳定的周期信号，平均能有效提高测量信噪比。针对DC上叠加的工频干扰，平均时间最好是工频周期的整数倍，时间越长越好。平均只对随机噪声有效，对周期性的系统噪声无效。积分型AD转换有“平均作用”，逐次逼近型相对较差。52如何减小开关电源噪声影响干扰的确认：将示波器探头短接后接被测板地，如果出现重复频率为开关电源频率的振铃干扰，则说明存在开关电源干扰，此干扰会叠加在被测信号上。53成因与对策开关电源的干扰主要通过探头引入。由于探头芯线和屏蔽层细长，等效电感大，或串有电阻，开关电源的高频共模电流流过芯线产生电压降，从而造成干扰。要减轻这种干扰，可主要从减小探头芯线阻抗和切断共模电流路径两方面入手，具体可视情况采取如下措施：使用隔离测量技术，切换开关电源共模发射电流的回路。使用特制的探头线，制作要点如下：使用屏蔽线，要求多股芯线，线长不超过0.5M，探头部分裸露的芯线越短越好，同时，将屏蔽线在铁氧体上绕2～3圈。示波器输入端加RC滤波。将被测板的信号地通过扁平铜网接地线以最短的路径接大地（专门的接地点）。示波器脱离市电电网，使用电池供电。54谢谢请大家一起讨论