本文說明了使用示波器和波形發(fā)生器對(duì)元器件進(jìn)行測試的方法。將展示電容、電感、二極管、雙極晶體管及電纜的測試過程。這些測試方法可用于確定故障部件或識(shí)別無標(biāo)注元器件的作用。
測試配置
本測試案例的基本理念是通過波形發(fā)生器在該元器件上施加一個(gè)激勵(lì)，并通過示波器測量它的響應(yīng)。安捷倫InfiniiVision X系列示波器采用內(nèi)置波形發(fā)生器，可為元器件測試提供便利的“一體化”解決方案。應(yīng)當(dāng)注意的是，示波器不能完全替代專用的元器件測試儀，后者能提供更高的精度和更全面的測試。然而在實(shí)際測試中，一般沒有現(xiàn)成的專用測試儀。在這種情況下可以選擇使用較為常見的設(shè)備來測試元器件，以作權(quán)宜之計(jì)。本例涉及到了示波器和波形發(fā)生器。
圖1顯示了測量配置。波形發(fā)生器連接到示波器輸入端，另一支路連接至被測件(DUT)。對(duì)于表貼元器件的測試，推薦使用安捷倫11060A(或相近產(chǎn)品)進(jìn)行測試。通過波形發(fā)生器的50Ω內(nèi)阻，對(duì)被測件施加電壓。通過示波器輸入通道測量被測件上的電壓。該示波器受到波形發(fā)生器的觸發(fā)。安捷倫X系列示波器內(nèi)置了觸發(fā)連接，無需使用額外的電纜連接和觸發(fā)配置設(shè)置。用戶只需選擇波形發(fā)生器作為觸發(fā)源即可完成觸發(fā)。
電容和電感測試
圖2顯示了示波器在沒有連接被測件時(shí)的配置和測量。取平均法可以降低噪聲進(jìn)而提高精度。打開Min、Rise和Fall(10-90%)自動(dòng)測量，觸發(fā)點(diǎn)的位置設(shè)在左側(cè)。
圖2：電容和電感的測試與測量(未連接被測件時(shí))。
使用一個(gè)10Hz、100mVpp的方波作為激勵(lì)。針對(duì)被測件進(jìn)行低電壓在線測試，無需再連接偏置半導(dǎo)體器件。這種低電壓測試還可以最大程度減少極化電容中可能會(huì)降低測量精度的反向泄漏電流.
電容測試
電容作為被測件時(shí)，電路配置為典型的電阻－電容(R-C)結(jié)構(gòu)，其中R是函數(shù)發(fā)生器的50Ω內(nèi)阻。示波器的輸入阻抗為1MΩ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過波形發(fā)生器的50Ω內(nèi)阻(可以忽略后者)。在測量上升時(shí)間(10-90%)時(shí)，根據(jù)下面公式可以算出被測件的電容值：
公式1
為了獲得最精確的測量結(jié)果，必須對(duì)測試系統(tǒng)的電容進(jìn)行測量，并考慮它對(duì)測試的影響。在確定值時(shí)，我們建議首先測量一個(gè)已知的、精確的1nF電容，隨后在測量結(jié)果中減去1nF即為值。圖3顯示了1nF電容測量。通過上升時(shí)間測量(圖3)可計(jì)算出電容值是1.24nF，因此值約為0.24nF。
圖3：1nF電容的測試與測量。
必須認(rèn)真調(diào)整示波器的s/div設(shè)置以便顯示完整的跳變；但不能將顯示速度調(diào)得過慢，否則會(huì)導(dǎo)致分辨率不足、無法精確地測量跳變。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，最好將s/div設(shè)置在已測上升時(shí)間(或下降時(shí)間)的1/2~2倍之間。假設(shè)已測上升時(shí)間是175ns，則s/div應(yīng)當(dāng)設(shè)為100ns/div或200ns/div。
求出值后，可進(jìn)一步對(duì)大于1nF的電容進(jìn)行測試。因受到波形發(fā)生器的頻率限制，可測得的電容數(shù)值上限為100uF。降低波形發(fā)生器的頻率即可測試較大的電容數(shù)值。圖4顯示了47nF電容測量。在本例中，推算出的電容值是45.9nF。
圖4：47nF電容的測試與測量。
請(qǐng)注意，邊沿跳變開始時(shí)會(huì)出現(xiàn)“尖峰”。在激勵(lì)邊沿通過測試系統(tǒng)電纜到達(dá)被測件并返回的過程中會(huì)出現(xiàn)這個(gè)尖峰。它是導(dǎo)致無法精確測得低于1nF的電容值的主要原因。通過對(duì)被測件進(jìn)行較短的連接(<6英寸)可以降低尖峰的干擾，從而能夠測試低至250pF的電容值
電感測試
電感作為被測件時(shí)，電路配置為電阻－電感(R-L)結(jié)構(gòu)。本例將會(huì)測量下降時(shí)間。通過測量可得到電感的直流電阻(DCR)。將DCR添加到波形發(fā)生器的50Ω輸出電阻中，可確定R的總值。電感與下降時(shí)間的關(guān)系可由下面公式得出:
公式2
波形發(fā)生器的上升時(shí)間把可測得的最小電感值限定為10uH，其上限取決于電感的DCR。DCR過高時(shí)，示波器無法自動(dòng)測量下降時(shí)間。在這種情況下需要手動(dòng)測量下降時(shí)間。
圖5顯示了1200uH電感測量。需注意的是，因?yàn)槭艿诫姼械腄CR影響，直流電壓明顯下降。電感值約為1208uH。故障電感或電容會(huì)得出錯(cuò)誤的數(shù)值，或是顯示為開路或短路。開路被測件的圖像如圖2所示，而短路被測件則像是一條水平線。
圖5：1200uF電感的測試與測量。
二極管和雙極晶體管測試
圖6顯示了示波器在未連接被測件時(shí)的配置和測量。對(duì)于二極管測試，波形發(fā)生器可配置為一個(gè)+/-2.5V的斜波信號(hào)(100Hz時(shí))。這種低頻測試需采用高分辨率模式來降低噪聲。同時(shí)還要打開Max和Min自動(dòng)測量，觸發(fā)點(diǎn)的位置設(shè)在中間。
圖6：二極管測試與測量(未連接被測件時(shí))。
這種測試方法與傳統(tǒng)的曲線追蹤儀不同。曲線追蹤儀可以繪制被測件的電流與電壓。采用這個(gè)測試方法時(shí)，示波器的水平軸表示波形發(fā)生器的電壓，垂直軸表示被測件上的電壓。與曲線追蹤儀不同的是，波形發(fā)生器的幅度較低，不適合測試反向擊穿電壓。
該測試方法可對(duì)被測件施加大量的電流。假設(shè)二極管兩極的電壓下降0.7V，那么波形發(fā)生器的50Ω輸出電阻上會(huì)存在最大1.8V的電壓。這意味著流經(jīng)二極管的電流最大為36mA。如果被測件無法容忍這個(gè)電流電平，那么就必須降低波形發(fā)生器的幅度
二極管測試
現(xiàn)在我們介紹幾種不同的二極管測量。圖7顯示了通用硅二極管測量。不出所料，該二極管在大約0.5V的正向偏壓時(shí)導(dǎo)通，最高需0.7V。
圖7：通用硅二極管測試與測量。
以圖8中的小信號(hào)二極管為比照，小信號(hào)二極管的正向偏壓斜率較大，因而具有較高的導(dǎo)通電阻特性。圖9顯示的是一個(gè)肖特基二極管，這類二極管需要較低的導(dǎo)通電壓值(0.26V)。
圖8：小信號(hào)硅二極管測試與測量。
圖9：肖特基二極管的測試與測量。
故障二極管顯示為開路或短路。開路二極管的圖像如圖6所示，而短路二極管則像是一條水平線。LED也可通過這種方法進(jìn)行測試。如果需要，通過提高波形發(fā)生器的偏置，可為LED提供更多的電壓。
雙極晶體管測試
雙極晶體管測試可采用與二極管測量相同的方法。首先要確定發(fā)射極-基極和集電極-基極的連接能夠像二級(jí)管一樣運(yùn)行。隨后要確認(rèn)集電極-發(fā)射極不會(huì)短路，也就是說要像開路電路一樣運(yùn)行。
電纜測試
對(duì)于電纜測試，波形發(fā)生器可配置為輸出一個(gè)100Hz、0V～1V的方波，如圖10所示。取平均法可以降低噪聲；觸發(fā)點(diǎn)的位置設(shè)在左側(cè)。使用光標(biāo)對(duì)波形參數(shù)進(jìn)行手動(dòng)測量。這種測試方法等效于一個(gè)低速時(shí)域反射計(jì)(TDR)。
圖10：電纜測試與測量(未連接被測件時(shí))。
圖11顯示了對(duì)長度未知的雙絞線進(jìn)行測量。雙絞線的阻抗可通過下面公式計(jì)算：
圖11：雙絞線的測試與測量。
公式3
為第一個(gè)步進(jìn)的電壓(在觸發(fā)點(diǎn)的步進(jìn))，使用示波器光標(biāo)進(jìn)行手動(dòng)測量而得。在本例中，是660mV，因此可算出約為97Ω(這類電纜的典型值)。雙絞線的遠(yuǎn)端是開路電路，顯示為突然增加的電平，即最右側(cè)X光標(biāo)所在的位置。
圖12顯示了對(duì)長度未知的RG-58電纜進(jìn)行測試。根據(jù)測量，可得出阻抗值為51Ω。這個(gè)值是RG-58的預(yù)期值。測量結(jié)果還顯示電纜的終端是短路的，此時(shí)電壓回零。如果已知電纜的傳播時(shí)延，可通過下面公式計(jì)算出它與短路的距離：
圖12：RG-58電纜(含短路)測試與測量。
公式4
RG-58的傳播時(shí)延是1.54ns/ft。通過光標(biāo)可測得的值為191ns。由此得知，電纜與短路的距離是62英尺