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硬件工程師的主戰(zhàn)場(chǎng)就是實(shí)驗(yàn)臺(tái)（有個(gè)牛哄哄的名詞叫Lab），任務(wù)就是要調(diào)試（Debug）電路，除了烙鐵、剝線鉗、焊錫、松香、鑷子等等必要的工具之外，占桌面大片面積的，需要多個(gè)電源插座的，就是這看起來很高、大、上的用于常規(guī)測(cè)試測(cè)量的4大件工具。如下圖：

其實(shí)左下角的萬用表也有臺(tái)式的，只是這種手持的（還有更小的）用起來比較方便因此比較常用。

當(dāng)然，除了這常規(guī)的4大件之外，頻譜儀、邏輯分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等等會(huì)根據(jù)被測(cè)對(duì)象的需要配置，以后專門撰文以及做視頻教程進(jìn)行介紹。

1. 萬用表

最常用的萬用表，它的主要作用就是測(cè)量阻抗、電壓、電流等“歐姆定律”中的參數(shù)。在實(shí)際的調(diào)試工作中，能“bi”一聲響的功能 - 測(cè)量電路的通斷是最常用的，其次就是測(cè)量每個(gè)點(diǎn)上的電壓（直流電壓、交流電壓）。

圖中的右上角是古老的模擬萬用表，用指針指示信息，雖然現(xiàn)在已經(jīng)被數(shù)字萬用表代替了，但問當(dāng)年修收音機(jī)的老師傅，他們還是喜歡用模擬的萬用表，因?yàn)閺闹羔樀臄[動(dòng)能夠看到數(shù)字萬用表看不到的信息。

右下角的萬用表就是個(gè)頭比較大、功能比較強(qiáng)的臺(tái)式萬用表。講真，我從來沒有用過這個(gè)，因?yàn)樽髠?cè)的手持式萬用表在我十幾年的工程師生涯中已經(jīng)滿足我所有的需要了。

2. 供電電源

左側(cè)這個(gè)大塊頭的可跟蹤電源（負(fù)電壓和正電壓可以跟蹤調(diào)節(jié)）能夠給待測(cè)電路提供所需要的電壓/電流，電壓的調(diào)節(jié)可以從0v到比較高，比如25V，調(diào)節(jié)精度也比較高，這樣可以精確控制給電路板的供電。這么大的體積內(nèi)自然具有過流保護(hù)（通過設(shè)定限定的電流）等功能。還有就是這種電源的紋波會(huì)非常非常的低。

右側(cè)的USB適配器（輸出5V直流，能夠提供的電流取決于具體的產(chǎn)品），由于其便攜、簡(jiǎn)單、越來越多的電路板都是設(shè)計(jì)成5V供電而被廣泛用于實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)品和調(diào)試中。有的示波器上也有了5V USB接口的供電端口，方便調(diào)試，在有的場(chǎng)合可以節(jié)省掉單獨(dú)的供電電源。

用USB適配器供電需要注意的3個(gè)地方：

1. 確保適配器輸出的功率能夠滿足待調(diào)試的板子的供電功率要求，并有一定的余量，否則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定

2. 在適配器和電路板之間的USB線會(huì)有阻抗，在供電電流比較大的情況下會(huì)在導(dǎo)線上產(chǎn)生比較大的壓降（歐姆定律V = I * R），因此一定要確保經(jīng)過了USB線的壓降到達(dá)電路板的電壓滿足你板子上對(duì)輸入供電電壓的要求。如果輸入電壓要求必須在4.5V，乃至4.8V以上，就一定要使用比較粗的USB線，且線的長(zhǎng)度盡可能短。

3. 由于USB適配器是從220V的交流電上通過AC-DC開關(guān)變換的方式得到穩(wěn)壓的5V DC，在輸出的5V直流電壓上一定有較大的開關(guān)噪聲，因此在具體的應(yīng)用中要確保你選用的適配器上的噪聲不會(huì)對(duì)板子的性能有影響。

3. 信號(hào)源

信號(hào)源是用來對(duì)待測(cè)的電路（DUT）提供輸入激勵(lì)信號(hào)，如下面的系統(tǒng)框圖所示。為了測(cè)試電路的性能，需要對(duì)被測(cè)的電路輸入一定幅度范圍、一定頻率范圍的信號(hào)，有時(shí)還要在輸入的信號(hào)中添加各種特性的噪聲。

我們先回顧一下電信號(hào)的基礎(chǔ)知識(shí)，基于這些基礎(chǔ)知識(shí)才能理解信號(hào)源的各個(gè)功能和指標(biāo)的來源。

我們知道，表征一個(gè)電信號(hào)的主要的兩個(gè)參數(shù)就是信號(hào)的幅度（A），以及信號(hào)的頻率（f），模擬電路（也稱為模擬鏈路、模擬調(diào)理電路等）的主要功能就是對(duì)信號(hào)的幅度和頻率進(jìn)行調(diào)整：

• 幅度 - 放大、衰減

• 頻率 - 低通濾波、高通濾波、帶通濾波等等

左側(cè)的是模擬信號(hào)，我們關(guān)注的是其幅度和頻率范圍；右側(cè)的是數(shù)字信號(hào)（脈沖信號(hào)），我們關(guān)注的是其周期（頻率、脈沖寬度等相關(guān)）和上升沿、下降沿的時(shí)間。

表征信號(hào)的強(qiáng)度（電壓、功率），為對(duì)電路進(jìn)行定量的測(cè)量，需要對(duì)信號(hào)源的幅度進(jìn)行比較精確的控制，也就是要求其準(zhǔn)確度、調(diào)節(jié)精度都要比較高；動(dòng)態(tài)范圍是衡量一個(gè)電路對(duì)外面輸入信號(hào)的響應(yīng)所承受的功率（或電壓、幅度）范圍，從最小到最大，一般用dB來表示；直流偏移是疊加在變化的信號(hào)上的直流分量。

信號(hào)的頻率表征的是信號(hào)幅度變化的快慢，頻率越高（周期越短）表示信號(hào)變化越劇烈。給待測(cè)電路輸入不同頻率的信號(hào)能夠測(cè)量出待測(cè)信號(hào)對(duì)不同頻率信號(hào)的反應(yīng)，也就是常說的頻率響應(yīng)，因此信號(hào)源需要能夠在一定的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行精準(zhǔn)的頻率調(diào)節(jié)，并且有較高的穩(wěn)定度，不隨著時(shí)間、溫度產(chǎn)生頻率的變化。有的應(yīng)用中需要對(duì)某個(gè)精確的頻率點(diǎn)進(jìn)行性能的測(cè)量，因此對(duì)可調(diào)頻率的精度也要求較高。

信號(hào)源常產(chǎn)生的波形有上面圖中的幾種，尤其是正弦波、方波和三角波最為常用。

可調(diào)占空比的脈沖信號(hào)也是比較常用的波形，我們常說的PWM（脈沖寬度調(diào)制）就是這種波形。在實(shí)際的電路上PWM的產(chǎn)生可以通過軟件控制GPIO的電平變化得到不同占空比的輸出信號(hào)，也可以通過可編程邏輯器件（比如PLD/FPGA）通過計(jì)數(shù)器等產(chǎn)生不同占空比的脈沖信號(hào)，前者的頻率受限于MCU的時(shí)鐘/指令的執(zhí)行，一般用于比較低頻率的脈沖；后者通過高速數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)，可以達(dá)到較高的頻率。

在通信系統(tǒng)中常用到的信號(hào)就是調(diào)制波形，比如模擬調(diào)制的AM、FM，數(shù)字調(diào)制的PSK、QAM等。

上圖是一個(gè)典型的任意信號(hào)發(fā)生器的系統(tǒng)構(gòu)成框圖，DAC是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它的性能也決定了這個(gè)信號(hào)源的性能。當(dāng)然前面用于控制輸出頻率的數(shù)字邏輯部分、存儲(chǔ)器的深度等都會(huì)影響到信號(hào)源的一些指標(biāo)，但數(shù)字域的資源耗費(fèi)相差不大。DAC的分辨率以及線性性能決定了輸出信號(hào)的SFDR、DAC的轉(zhuǎn)換率決定了輸出信號(hào)的最高頻率。DAC后面的濾波器部分主要用于濾除信號(hào)之外的諧波和雜散噪聲。

由于我們可以將任意形狀的波形存在波形表里面，從而通過DAC生成模擬信號(hào)，所以這種信號(hào)源一般稱之為任意波形發(fā)生器（AWG） - 能夠生成任意形狀的波形，一般系統(tǒng)預(yù)設(shè)好幾十種常用的波形；能夠高精度調(diào)節(jié)信號(hào)的輸出頻率；能夠調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的幅度。

相對(duì)于之前的模擬信號(hào)發(fā)生器，AWG的優(yōu)點(diǎn)有如下幾點(diǎn)：

• 可生成的波形種類多，理論上是任意能夠想象到的、在紙上能畫出來的波形都可以產(chǎn)生出來；

• 可以精確調(diào)整輸出信號(hào)的頻率，可以精確到Hz，甚至更低，取決于系統(tǒng)的相位累加器的位數(shù)；

• 頻率一旦設(shè)定好，基本上不會(huì)發(fā)生偏移，穩(wěn)定度跟系統(tǒng)的石英時(shí)鐘一樣；

• 頻率可以做的很高

正因此，AWG徹底取代了模擬的信號(hào)發(fā)生器，成為信號(hào)源的首選。當(dāng)然針對(duì)不同的具體應(yīng)用，還有其它特定的信號(hào)源，在此不深入討論。

4. 示波器

示波器可以堪稱我們工程師的眼睛，板子上幾乎所有的測(cè)量基本都是測(cè)量信號(hào)的電壓隨時(shí)間發(fā)生的變化。

很多人不是太清楚模擬示波器和數(shù)字示波器的主要區(qū)別，在這里我簡(jiǎn)單列出3點(diǎn)：

1. 模擬示波器是通過被測(cè)量的信號(hào)控制電子束的偏轉(zhuǎn)在顯示屏上得到一條隨時(shí)間變化的電壓信號(hào)的曲線，顯示在屏幕上的信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)沒有中斷的，只是重復(fù)出現(xiàn)的頻繁的波形會(huì)比較亮，而稍縱即逝的信號(hào)則在屏幕上一閃而過，亮度低或者根本看不到。數(shù)字示波器是基于ADC采樣的，顯示的信號(hào)在時(shí)間上是間斷的，因此會(huì)有一些信息沒有捕捉、存儲(chǔ)下來，當(dāng)然我們可以設(shè)定一定的觸發(fā)條件，來捕捉滿足觸發(fā)條件前后波形的變化。在屏幕上的顯示則一直是恒定的亮度。

2. 模擬示波器對(duì)輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的要求是為了達(dá)到模擬電路在線性工作狀態(tài)下能夠調(diào)整的范圍；數(shù)字示波器的模擬信號(hào)調(diào)理電路對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行放大或衰減，以滿足ADC的輸入電壓要求（1Vpp或2Vpp，取決于具體使用的ADC器件），不要超過其峰峰值，也不要太低，導(dǎo)致實(shí)際的測(cè)量精度降低。

3. 數(shù)字示波器是通過ADC對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣得到數(shù)字波形，采樣的過程會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)多個(gè)采樣頻率和被測(cè)信號(hào)頻率的n倍的和頻和差頻信號(hào)，在調(diào)節(jié)示波器的時(shí)間軸量程的時(shí)候會(huì)看到這些和頻、差頻的波形，尤其是在非常低頻率的時(shí)候，會(huì)讓工程師懷疑是不是被測(cè)的電路上有低頻的噪聲，其實(shí)這個(gè)低頻的信號(hào)來自于采樣，而不是電路本身的信號(hào)。

在示波器上看到的方波信號(hào)，會(huì)出現(xiàn)右側(cè)圖中的各種可能性，如果被測(cè)電路的輸入端的信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)的方波，而輸出端是右側(cè)的某種波形，則可以根據(jù)這些波形的形狀，判斷被測(cè)的電路的頻響特性。

上圖是數(shù)字示波器的典型結(jié)構(gòu)框圖，從這個(gè)圖就可以理解示波器的一些重要指標(biāo)的來歷，尤其是被測(cè)信號(hào)的模擬帶寬（用MHz為單位表示）以及采樣率（用Sa/S為單位表示）之間的關(guān)系，以及觸發(fā)的機(jī)制。在此不做多講。

由于電路板無法跟示波器直接連接，中間要通過示波器探頭（一般是隨示波器標(biāo)配）進(jìn)行連接，因此探頭的正確使用就非常關(guān)鍵，使用不當(dāng)會(huì)對(duì)被測(cè)的電路產(chǎn)生影響，同時(shí)也會(huì)給測(cè)量帶來錯(cuò)誤。探頭的正確使用已經(jīng)在昨天的文章中做了詳細(xì)的介紹。

5. 虛擬儀器

很多工程師說我的Lab沒有那么好的條件，買不起4大件，有的是使用的時(shí)候空間有限，有沒有體積小巧、價(jià)格便宜、性能不需要那么沒必要的好的儀器呢？

有的，有一種儀器叫虛擬儀器，也就是將顯示部分用電腦屏幕代替，只需要將數(shù)據(jù)通過USB（現(xiàn)在有人用以太網(wǎng)、WiFi）傳遞給電腦，用電腦做所有的分析、處理、顯示。

還有一種自帶處理、顯示，但非常便攜的儀器 - 口袋儀器，例如由Seeed提供的像手機(jī)大小的示波器，我曾購(gòu)買過一個(gè)，拆開發(fā)現(xiàn)使用STM32配雙通道80MHz的ADC做的，雖然性能不高，但價(jià)格低廉，已經(jīng)能夠滿足日常的調(diào)試應(yīng)用。

既口袋、又虛擬的，比如左上角的AD2，由Digilent制作的，現(xiàn)在被收購(gòu)成了NI公司的產(chǎn)品，小小的機(jī)身具有四大件所有的功能 - 電源供電、萬用表、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集，通過USB接口將采集的數(shù)據(jù)送到PC，并由PC控制所有的參數(shù)。

6.總結(jié)

儀器領(lǐng)域也在不斷的演進(jìn)，為了給我們工程師配備更輕便、更清晰、處理能力更強(qiáng)的“眼睛”。當(dāng)然要用好這些儀器，需要我們對(duì)其原理進(jìn)行深刻的理解，并結(jié)合日常的測(cè)試體驗(yàn)，不斷提升自己觀察問題、分析問題的能力，迅速升級(jí)為一個(gè)優(yōu)秀的硬件工程師。

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