Analog Discovery 2 测评(3) 利器的频率响应测试
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本帖最后由 cruelfox 于 2019-11-22 08:27 编辑
我会给大家介绍一些扫频功能的测试例子。
上一个帖子用的 "电阻 DUT法" 可以推算DUT元件的阻抗特性，这是最容易的电路接法。
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2019-11-19 23:39 上传
下面这个是用的 “电阻 DUT法” 测试耳塞声单元的阻抗特性，可以看到 200Hz 附近有一个谐振峰。在这里，耳塞单元（即微型电动扬声器）的阻抗会变大，并呈现少量的电抗特性——性能不是纯电阻。然而，在整个音频范围内，它基本上是电阻，音圈（线圈）的电感性能开始反映在高频率。
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2019-11-18 23:33 上传
下面这个也是 “电阻 DUT法” 测试结果，猜猜这是什么组件？奇怪的反应。
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2019-11-18 23:42 上传
4kHz 到 10kHz 这细扫描这段。
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2019-11-18 23:42 上传
这么奇怪的阻抗特性是什么元素？我以前没想过会有什么结果。卖个关子，答案在主题二楼公布。
“电阻 DUT法” 测试仅用于简单接法分析阻抗 Analog Discovery 2 还有很多连接方法，原则是将波形发生器的电压输出转化为待测电路的激励——可以直接加电压，也可以不加。两个模拟输入用于采集两个不同地方的信号，因为它们都是差异输入，所以不需要是地面信号。但是，如果测点阻抗高，应考虑模拟输入电路的阻抗，信号范围应适中。
以下是用于信号耦合隔离的铁芯小变压器的测试。
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2019-11-18 23:53 上传
由于变压器无法传输直流信号，扫频关注低频响应，从1Hz开始。测试频率响应为二次电压对比初级电压。下图显示了两个扫频结果，一个是二次空载(绿线)，另一个是次级连接1k负载电阻后的(青线)。
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2019-11-18 23:53 上传
从低频响应来看，它足以作为音频使用（当然，高保真要求不考虑这种廉价商品）。由于变压器的损失，响应在连接负载后会下降。硅钢芯变压器的高频损耗会增加，因此输出阻抗会增加，导致几十个负载kHz随着频率的上升和下降，未来的输出范围将会下降。
以下是两个晶振，第一个32.768k的RTC常用晶振，二是4.000MHz常见HC49U包装中的普通晶体振动。连接方法直接跨接在波形发生器输出和模拟输入之间：由于存在寄生电容器和模拟放大器输入电容器，无法看到添加小电容器的必要性。
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2019-11-19 00:06 上传
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2019-11-19 00:08 上传
由于晶振Q值高，在谐振点不易测试。Analog Discovery 2 找出两个谐振峰-串联谐振和并联谐振的频率。
这是对我的 DIY 测试微信号放大器的增益特性。
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2019-11-19 00:13 上传
顺便说一句，电源也是由Analog Discovery 2供给了
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2019-11-19 00:15 上传
因为这个放大器增加了很多，Analog Discovery 2 波形发生器的输出信号对它来说太高了，不能直接使用(即使是最小档10mV范围也很大)，所以我焊接了两个输入电阻来衰减。测试是输出比较输入，因此模拟输入通道1的信号范围也很小，信噪比不好，导致计算的增益和相位曲线明显抖动。
然而，这足以分析我制作的放大器的频率响应，这对调试电路非常有帮助。
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2019-11-19 00:15 上传
来测一个AM内置谐振电容的中频变压器(IFT)频率特性。在这里，我用电流激励变压器中的一个线圈来测量另一个线圈两端的电压。Analog Discovery 2波形发生器输出串一个小电阻，然后连接到线圈的一端，线圈的另一端接地；测量电阻上的压降可以转换为线圈中的电流。
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2019-11-19 23:49 上传
另一个线圈是空载的，直接测量电压。这种变压器用于高频信号，低频信号很难耦合过去。扫描一次，宽范围的特性就很清楚了。谐振点的交流阻抗非常高，因为它是电流激励，所以你可以看到线圈两端的电压显著增加。
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2019-11-19 23:49 上传
仔细扫描变压器应用频率附近的一次，然后用软件尺工具找到振频率和两边-3dB的频率。计算一下空载的Q值大概是130, 高得出乎意料。等以后DIY收音机再重新测中放级整个的频响。
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2019-11-19 23:49 上传
如此的测法，C2通道的dB值已经没有绝对意义了，因为不是测的电压增益。如果要给一个正确的标尺，此处应该用阻抗——因为参考输入是电流，被测输出是电压。WaveForms软件界面上的Custom选项可以开启额外的曲线图，用数学式子定义输出量，我暂时还没玩熟。
下面是测常见光耦 PC817 的电流传输频率特性。测量的输入和输出都是电流，因此分别串接1k电阻，测压降就可以了。顺便用电压源给电路一个5V电源，而光耦LED需要的直流偏置就直接由波形发生器给一个直流解决。
偶尔使用一下面包板(低频该没问题)
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2019-11-20 00:10 上传
先检查一下电路工作是否正常，设置信号发生器输出1.2V直流叠加100mV 1kHz. 看到了输入和输出电流含有1kHz交流成分。此时输入LED的电流直流大约是0.2mA. 通过改变信号发生器的 "Offset" 可以调LED的静态电流，对电流传输系数(CTR)将有影响。
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2019-11-20 00:10 上传
然后就扫频吧。这里显示了两个不同LED静态电流值下的 CTR, 有可观的差异。频率特性上则是一致的趋势，10kHz以后就下降了。PC817并不是高速光耦，这个结果在意料之中。
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2019-11-20 00:10 上传
测运放电路的增益相位特性用这个工具就容易了。先搭一个10倍同相放大的测试电路板：(反馈电阻10k和1.1k)
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2019-11-21 22:24 上传
上一只最廉价的LM358, 扫频发现了奇怪的现象，换到时域观察一下：在输出 -0.5V 附近，有严重的非线性发生。波形正方向削顶是离电源轨近了的原因，电压提高到正负5V就解决了。但是-0.5V附近的波形扭曲没有随电源电压提高改善。换了一只还是这个现象，这批运放十好几年以前买的了……
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2019-11-21 22:31 上传
于是为了回避这个问题，我把输入信号的DC成分调高，这样才顺利扫频测试了。
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2019-11-21 22:33 上传
LM358在10倍增益电路下，-3dB截止频率在33kHz. LM358的增益带宽是一个低速运放，最多只能用到音频范围。按我这测试数据，330.55kHz处增益 -2.7745dB, GBW只有240kHz，数据表标的是典型值0.7MHz, 为什么显著偏低了？
另外测了几只运放，放在一个图里对比下：
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2019-11-21 22:42 上传
把运放测试电路改一下：运放接成缓冲器形式，波形发生器输出串一个电阻接到运放输出，就可以测试运放缓冲器的闭环输出阻抗了。因为受Analog Discovery 2模拟输入分辨率(噪声本底)的限制，没有外加放大器，阻抗若很小是测不准的。重点是观察阻抗随频率变化的特性(参看[讨论] 周末小题目 )
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2019-11-22 08:02 上传
此处 C1 通道测量的是470欧电阻(从波形发生器输出串一耦合电容，经此电阻接到运放输出)上的电压，C2通道测量运放输出对地的电压，故“增益”乘上470欧就是运放闭环输出阻抗。利用软件的 Custom 绘图，可以生成阻抗－频率图，就是上面截图窗口的下半部分。
把玩几天之后，我对Analog Discovery 2的网络分析仪功能颇为满意。尽管它电路的性能对测试能力有所制约，但软件的易用和便利程度超过我想象。
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