Analog Discovery 2 测评(3) 频率响应测试利器

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本帖最后由 cruelfox 于 2019-11-22 08:27 编辑

我再来一些扫频功能的测试例子，向大家介绍这个小工具的用途。

上个帖子用的 "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 “电阻+DUT法” 测试一个耳塞发声单元的阻抗特性，可以看到 200Hz 附近有一个谐振峰。在这里耳塞单元(就是一个微型的电动扬声器)阻抗会变大，并呈现少量的电抗特性——表现不是纯电阻。不过在整个音频范围内，它还是基本上算阻性的，音圈(线圈)的电感性质要到了很高的频率才开始体现。

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2019-11-18 23:33 上传

下面这个也是 “电阻+DUT法” 测试的结果，猜猜这是一个什么元件呢？很奇怪的响应吧。

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2019-11-18 23:42 上传

4kHz 到 10kHz 这段细扫一下。

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2019-11-18 23:42 上传

如此奇怪的阻抗特性，到底是什么元件呢？我测试它之前也没预计到是什么结果。卖个关子，答案在本主题２楼揭晓。

“电阻+DUT法” 测试只是简单接法分析阻抗用的，使用 Analog Discovery 2 还有很多接法，原则就是将波形发生器电压输出转化为待测电路的激励——可以是直接电压加上去，也可以不是。两路模拟输入用来采两个不同地方的信号，因为都是差分输入，可以不必是对地的信号。不过如果被测点阻抗高的话要考虑到模拟输入电路的阻抗，还有就是信号幅度要适中。

下面是测试了一个音频用的铁芯小变压器，1:1用于信号耦合隔离的。

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2019-11-18 23:53 上传

因为变压器不能传递直流信号，扫频重点观察低频的响应，从1Hz开始。测试频率响应是次级电压对比初级电压。下图显示了两个扫频结果，一个是次级空载的(绿线)，一个是次级接了1k负载电阻后的(青线)。

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2019-11-18 23:53 上传

从低频响应看作为音频用够了(当然高保真要求不考虑这种廉价货)。接负载以后响应会有所下降，是因为变压器的损耗造成的。硅钢片铁芯变压器在高频损耗会加剧，于是输出阻抗增加，导致带负载情况下几十kHz以后输出幅度随频率升高下降。

下面测试的是两个晶振，第一个32.768k的RTC常用晶振，第二个是4.000MHz常见HC49U封装的普通晶振。接法采取直接跨接在波形发生器输出和模拟输入之间：因为寄生电容和模拟放大器输入电容存在，再加小电容必要性看不出来。

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2019-11-19 00:06 上传

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2019-11-19 00:08 上传

因为晶振的Q值高，在谐振点处是不容易测试的。借助 Analog Discovery 2 找出了两个谐振峰——串联谐振和并联谐振的频率。

下面这个是对我 DIY 的微小信号放大器进行的增益特性测试。

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2019-11-19 00:13 上传

顺便把电源也由Analog Discovery 2供给了

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2019-11-19 00:15 上传

由于这个放大器增益很大，Analog Discovery 2 的波形发生器输出信号对它来说太高了不能直接用(哪怕用最小挡10mV幅度也大)，所以我在输入焊了两个电阻来衰减。测试是输出对比输入，因此模拟输入通道1的信号幅度也很小，信噪比不好，导致计算出来的增益和相位曲线有明显抖动。

不过这样也足够分析我制作的放大器的频率响应了，对调试电路很有帮助。

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2019-11-19 00:15 上传

来测一个AM收音机用的内置谐振电容的中频变压器(IFT)的频率特性。这里我用电流激励变压器中一个线圈，测另一个线圈两端的电压。从Analog Discovery 2的波形发生器输出串一个不小的电阻再接到线圈一端，线圈另一端接地；这样测量电阻上的压降可换算线圈中的电流。

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2019-11-19 23:49 上传

另一线圈是空载，直接测电压。这类变压器是给高频信号用的，低频信号难耦合过去。粗扫一次，宽范围的特性就清楚了。谐振点处交流阻抗升得很高，因为是电流激励，所以能看到线圈两端电压显著升高。

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2019-11-19 23:49 上传

在这个变压器应用的频率附近仔细扫一次，然后用软件的标尺工具找谐振频率和两边-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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