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[原创] Analog Discovery 2 测评(4) 时域测试也可玩花样

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五彩晶圆(初级)

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发表于 2019-11-24 18:16 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 cruelfox 于 2019-11-24 18:15 编辑

  在上一个帖子 Analog Discovery 2 测评(3) 频率响应测试利器 我给大家分享了用这个小工具测了几种元件或电路的频率特性。它的功能不仅于此,其实联合波形发生器和采集系统可以做很多测试,扫频只是其中之一了。

 

  例如,将波形发生器信号通过一个电阻注入二极管,通过测量二极管两端电压和电阻两端电压(换算电流),可以测量二极管的电压-电流关系:

1N4148.png   上图是测量普通的 1N4148 管子时的显示。波形发生器产生的是三角波,输出串1k电阻接到1N4148的阳极。模拟输入通道C1测量二极管的压降,通道C2测量电阻的压降。适当调整波形发生器的参数,决定测量范围。利用软件的"Math"功能,将C2通道电压换算成电流,再开一个XY视图,即显示出这个二极管的 I-V 曲线。

  再测几个二极管,将图片叠起来对比:

diode_iv.png   也可以测量LED的,下面是几只老式的LED I-V 特性(图线颜色表示LED光色类型)

led_iv.PNG

 

  测测三极管的电流放大系数也该不是问题,电路如下:

hfetest.PNG   就用面包板搭个,测试频率低的话连线的寄生参数影响也不大。R1 100k, R2 1k.

bread1.jpg   电源VCC用Analog Discovery 2提供,3V到5V都是合适的。试着调整波形发生器的输出(100Hz正弦信号叠加在直流上),从波形测量窗口观察工作电流,直到调整到合适的范围。

C1815_unfiltered.png   使用运算功能,将C1 C2两个通道的数据都换算成电流,并且可以分别设置名称标签为IB, IC。上图,在X-Y视图中观察IB IC的关系,发现并不是呈一条线状。这是数据的噪声引起的,因为X-Y视图是用时域信号描点点出来的,并不是X输入Y输出的扫描,只有X,Y数据呈函数关系时才能呈现一条曲线形状。从左边波形图上也可以看到噪声——这是面包板加飞线实验的代价:容易受干扰。

  不过,WaveForms软件的数学功能中提供了滤波器,那么就用低通滤波器把高频干扰滤除看看啦。

C1815_lowpass.png   如上图,我新建了两个数据,分别将 C1, C2 经过4阶IIR低通滤波处理,然后IB, IC的计算也根据滤波后的数据进行。这样噪点就一下子都没有了。但是,X-Y 图的形状还不够好。一个原因是IIR滤波器在数据开始时的阶跃响应并非测试信号中的,这可以调整数据窗口的位置排除。但后面的若干个周期也没有完全重合,就还有别的问题。

fft.png   我怀疑还有工频干扰影响(低通滤波只是把开关电源这类高频干扰排除了),于是把信号输出关掉,开一个FFT分析窗口,果然就发现是这个原因。

  那么解决办法可以是使用带通滤波器——但是这样就不能看到直流了;要不然就把信号发生器的频率弄得更低,比如10Hz,然后用20Hz的低通滤波,如下图这样:

C1815_10Hz.png   目测所见 hFE 的线形度很好。但是低通滤波器把信号自身的谐波也去掉了,也就是把本来存在的非线性也改变了,测量的准确度就可以被怀疑。至少应当先在不加低通滤波器的时候已经确认过线性才可以。

  再生成一个直流放大系数 hFE 的图,用IC/IB简单一除得到。注意,这虽然是用交流信号测试的,但不是交流放大系数

C1815_hfe.PNG   手持万用表上的hFE挡测量的就是直流放大系数,而且它只是某个电流下的值(可能是固定IB)。用我上面的方法测出来的是一段电流范围内的值。在计算三极管直流偏置的时候hFE在不同集电极电流下的值都要考虑进来(不过因为hFE受温度影响大,也不能太依赖它进行设计)。

 

  网上还有用Analog Discovery实现简单的三极管图示仪的例子,比如下面这个电路(来自 ADI 网站):

515x315.png   图示仪需要显示一簇曲线,而我上面的方法只能显示一条。为此需要使用第二个波形发生器,相当于多阶段扫描。我按照这个思路进行了一番尝试,波形发生器用一个通道产生三角波作为VCE激励,用一个通道产生阶梯电压控制IB (近似于恒流,因为VBE实际上会有小幅度变动):设置如下:

trace_wavegen.png   波形图工具用来采集VCE和IC(用电阻压降换算),然后X-Y图观察。细致调节(包括波形发生器)以后可以得到一个还像是图示仪出来的结果:

trace_scope.png   因为Analog Discovery 2波形发生器输出电压和电流的限制,这么实现的三极管测量工具只能测量小电压小电流下管子的特性,一般不能覆盖实际电路的工作范围。

  这里我补充说一点:并不是低电压下小信号放大用途的管子选择面宽(耐压, hFE, Ic都不成问题)就随便可以换。比如我下图所测的这个管子(测试范围和上面的一样)特性就“不一般”:

2SD756.png

 

  测场效应管就简单一些,因为栅极电流为零,只要把信号发生器输出直接作为VGS就可以了。下图方法类似,是测一只JFET (2SK30-Y) 的VDS-ID特性曲线。

K30.png

 

  以上这几个例子只是借助了WaveForms软件波形图的X-Y视图功能,就可以发掘很多用法。其实,Analog Discovery 2采集的数据是可以从WaveForms另存成文本文件,再用其它软件处理、计算的。在WaveForms中还可以编写Script进行数据处理和硬件设置(我还没有研究这些)。通过SDK还可以用C语言等进行软件开发,直接通过函数调用获得采集数据。

 

     NEXT>>> Analog Discovery 2 测评(5) 采集系统硬件分析

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测评达人

发表于 2019-11-24 19:59 | 显示全部楼层

功能太多也是一个问题啊,学习曲线比较长



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发表于 2019-11-24 21:19 | 显示全部楼层

还真是有才,以前我看示波器,总是看不懂,觉得上面的波形和书上资料里完全的不一致,懊恼啊



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一粒金砂(初级)

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发表于 2019-11-27 10:07 | 显示全部楼层



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