硬件工程师如何玩好“常规测量4大件”

硬件工程师的主战场就是实验台（有个牛哄哄的名词叫Lab），任务就是要调试（Debug）电路，除了烙铁、剥线钳、焊锡、松香、镊子等等必要的工具之外，占桌面大片面积的，需要多个电源插座的，就是这看起来很高、大、上的用于常规测试测量的4大件工具。如下图：

其实左下角的万用表也有台式的，只是这种手持的（还有更小的）用起来比较方便因此比较常用。

当然，除了这常规的4大件之外，频谱仪、逻辑分析仪、矢量网络分析仪等等会根据被测对象的需要配置，以后专门撰文以及做视频教程进行介绍。

1. 万用表

最常用的万用表，它的主要作用就是测量阻抗、电压、电流等“欧姆定律”中的参数。在实际的调试工作中，能“bi”一声响的功能 - 测量电路的通断是最常用的，其次就是测量每个点上的电压（直流电压、交流电压）。

图中的右上角是古老的模拟万用表，用指针指示信息，虽然现在已经被数字万用表代替了，但问当年修收音机的老师傅，他们还是喜欢用模拟的万用表，因为从指针的摆动能够看到数字万用表看不到的信息。

右下角的万用表就是个头比较大、功能比较强的台式万用表。讲真，我从来没有用过这个，因为左侧的手持式万用表在我十几年的工程师生涯中已经满足我所有的需要了。

2. 供电电源

左侧这个大块头的可跟踪电源（负电压和正电压可以跟踪调节）能够给待测电路提供所需要的电压/电流，电压的调节可以从0v到比较高，比如25V，调节精度也比较高，这样可以精确控制给电路板的供电。这么大的体积内自然具有过流保护（通过设定限定的电流）等功能。还有就是这种电源的纹波会非常非常的低。

右侧的USB适配器（输出5V直流，能够提供的电流取决于具体的产品），由于其便携、简单、越来越多的电路板都是设计成5V供电而被广泛用于实验室的产品和调试中。有的示波器上也有了5V USB接口的供电端口，方便调试，在有的场合可以节省掉单独的供电电源。

用USB适配器供电需要注意的3个地方：

1. 确保适配器输出的功率能够满足待调试的板子的供电功率要求，并有一定的余量，否则会导致系统工作不稳定

2. 在适配器和电路板之间的USB线会有阻抗，在供电电流比较大的情况下会在导线上产生比较大的压降（欧姆定律V = I * R），因此一定要确保经过了USB线的压降到达电路板的电压满足你板子上对输入供电电压的要求。如果输入电压要求必须在4.5V，乃至4.8V以上，就一定要使用比较粗的USB线，且线的长度尽可能短。

3. 由于USB适配器是从220V的交流电上通过AC-DC开关变换的方式得到稳压的5V DC，在输出的5V直流电压上一定有较大的开关噪声，因此在具体的应用中要确保你选用的适配器上的噪声不会对板子的性能有影响。

3. 信号源

信号源是用来对待测的电路（DUT）提供输入激励信号，如下面的系统框图所示。为了测试电路的性能，需要对被测的电路输入一定幅度范围、一定频率范围的信号，有时还要在输入的信号中添加各种特性的噪声。

我们先回顾一下电信号的基础知识，基于这些基础知识才能理解信号源的各个功能和指标的来源。

我们知道，表征一个电信号的主要的两个参数就是信号的幅度（A），以及信号的频率（f），模拟电路（也称为模拟链路、模拟调理电路等）的主要功能就是对信号的幅度和频率进行调整：

• 幅度 - 放大、衰减

• 频率 - 低通滤波、高通滤波、带通滤波等等

左侧的是模拟信号，我们关注的是其幅度和频率范围；右侧的是数字信号（脉冲信号），我们关注的是其周期（频率、脉冲宽度等相关）和上升沿、下降沿的时间。

表征信号的强度（电压、功率），为对电路进行定量的测量，需要对信号源的幅度进行比较精确的控制，也就是要求其准确度、调节精度都要比较高；动态范围是衡量一个电路对外面输入信号的响应所承受的功率（或电压、幅度）范围，从最小到最大，一般用dB来表示；直流偏移是叠加在变化的信号上的直流分量。

信号的频率表征的是信号幅度变化的快慢，频率越高（周期越短）表示信号变化越剧烈。给待测电路输入不同频率的信号能够测量出待测信号对不同频率信号的反应，也就是常说的频率响应，因此信号源需要能够在一定的频率范围内进行精准的频率调节，并且有较高的稳定度，不随着时间、温度产生频率的变化。有的应用中需要对某个精确的频率点进行性能的测量，因此对可调频率的精度也要求较高。

信号源常产生的波形有上面图中的几种，尤其是正弦波、方波和三角波最为常用。

可调占空比的脉冲信号也是比较常用的波形，我们常说的PWM（脉冲宽度调制）就是这种波形。在实际的电路上PWM的产生可以通过软件控制GPIO的电平变化得到不同占空比的输出信号，也可以通过可编程逻辑器件（比如PLD/FPGA）通过计数器等产生不同占空比的脉冲信号，前者的频率受限于MCU的时钟/指令的执行，一般用于比较低频率的脉冲；后者通过高速数字逻辑实现，可以达到较高的频率。

在通信系统中常用到的信号就是调制波形，比如模拟调制的AM、FM，数字调制的PSK、QAM等。

上图是一个典型的任意信号发生器的系统构成框图，DAC是整个系统的核心，它的性能也决定了这个信号源的性能。当然前面用于控制输出频率的数字逻辑部分、存储器的深度等都会影响到信号源的一些指标，但数字域的资源耗费相差不大。DAC的分辨率以及线性性能决定了输出信号的SFDR、DAC的转换率决定了输出信号的最高频率。DAC后面的滤波器部分主要用于滤除信号之外的谐波和杂散噪声。

由于我们可以将任意形状的波形存在波形表里面，从而通过DAC生成模拟信号，所以这种信号源一般称之为任意波形发生器（AWG） - 能够生成任意形状的波形，一般系统预设好几十种常用的波形；能够高精度调节信号的输出频率；能够调节输出信号的幅度。

相对于之前的模拟信号发生器，AWG的优点有如下几点：

• 可生成的波形种类多，理论上是任意能够想象到的、在纸上能画出来的波形都可以产生出来；

• 可以精确调整输出信号的频率，可以精确到Hz，甚至更低，取决于系统的相位累加器的位数；

• 频率一旦设定好，基本上不会发生偏移，稳定度跟系统的石英时钟一样；

• 频率可以做的很高

正因此，AWG彻底取代了模拟的信号发生器，成为信号源的首选。当然针对不同的具体应用，还有其它特定的信号源，在此不深入讨论。

4. 示波器

示波器可以堪称我们工程师的眼睛，板子上几乎所有的测量基本都是测量信号的电压随时间发生的变化。

很多人不是太清楚模拟示波器和数字示波器的主要区别，在这里我简单列出3点：

1. 模拟示波器是通过被测量的信号控制电子束的偏转在显示屏上得到一条随时间变化的电压信号的曲线，显示在屏幕上的信号在时间上是连续没有中断的，只是重复出现的频繁的波形会比较亮，而稍纵即逝的信号则在屏幕上一闪而过，亮度低或者根本看不到。数字示波器是基于ADC采样的，显示的信号在时间上是间断的，因此会有一些信息没有捕捉、存储下来，当然我们可以设定一定的触发条件，来捕捉满足触发条件前后波形的变化。在屏幕上的显示则一直是恒定的亮度。

2. 模拟示波器对输入信号动态范围的要求是为了达到模拟电路在线性工作状态下能够调整的范围；数字示波器的模拟信号调理电路对输入的信号进行放大或衰减，以满足ADC的输入电压要求（1Vpp或2Vpp，取决于具体使用的ADC器件），不要超过其峰峰值，也不要太低，导致实际的测量精度降低。

3. 数字示波器是通过ADC对模拟信号进行采样得到数字波形，采样的过程会导致出现多个采样频率和被测信号频率的n倍的和频和差频信号，在调节示波器的时间轴量程的时候会看到这些和频、差频的波形，尤其是在非常低频率的时候，会让工程师怀疑是不是被测的电路上有低频的噪声，其实这个低频的信号来自于采样，而不是电路本身的信号。

在示波器上看到的方波信号，会出现右侧图中的各种可能性，如果被测电路的输入端的信号是标准的方波，而输出端是右侧的某种波形，则可以根据这些波形的形状，判断被测的电路的频响特性。

上图是数字示波器的典型结构框图，从这个图就可以理解示波器的一些重要指标的来历，尤其是被测信号的模拟带宽（用MHz为单位表示）以及采样率（用Sa/S为单位表示）之间的关系，以及触发的机制。在此不做多讲。

由于电路板无法跟示波器直接连接，中间要通过示波器探头（一般是随示波器标配）进行连接，因此探头的正确使用就非常关键，使用不当会对被测的电路产生影响，同时也会给测量带来错误。探头的正确使用已经在昨天的文章中做了详细的介绍。

5. 穷人有穷人的玩法

很多工程师说我的Lab没有那么好的条件，买不起4大件，有的是使用的时候空间有限，有没有体积小巧、价格便宜、性能不需要那么没必要的好的仪器呢？

有的，有一种仪器叫虚拟仪器，也就是将显示部分用电脑屏幕代替，只需要将数据通过USB（现在有人用以太网、WiFi）传递给电脑，用电脑做所有的分析、处理、显示。

还有一种自带处理、显示，但非常便携的仪器 - 口袋仪器，例如由Seeed提供的像手机大小的示波器，我曾购买过一个，拆开发现使用STM32配双通道80MHz的ADC做的，虽然性能不高，但价格低廉，已经能够满足日常的调试应用。

既口袋、又虚拟的，比如左上角的AD2，由Digilent制作的，现在被收购成了NI公司的产品，小小的机身具有四大件所有的功能 - 电源供电、万用表、信号发生器、数据采集，通过USB接口将采集的数据送到PC，并由PC控制所有的参数。

仪器领域也在不断的演进，为了给我们工程师配备更轻便、更清晰、处理能力更强的“眼睛”。当然要用好这些仪器，需要我们对其原理进行深刻的理解，并结合日常的测试体验，不断提升自己观察问题、分析问题的能力，迅速升级为一个优秀的硬件工程师。】

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