电路的稳定性是电子工程中一个至关重要的课题。使用适当的测量工具和技术，可以有效地评估和提升电路的稳定性。本文将详细介绍如何利用示波器等测量仪器进行电路稳定性分析。
一、准备工作
- 了解电路设计： 首先需要对要测试的电路有一定的了解，特别是关键节点、频率响应和预期的信号特征。这可以帮助选择合适的测量点和测量方法。
- 选择合适的示波器： 示波器是最常用的测量仪器之一。选择示波器时，需要考虑带宽、采样率和通道数等参数，以确保其能捕捉到电路中的所有关键信号。此外，还需配备相应的探头，如电压探头、电流探头等。
- 其他测量设备： 除了示波器，频谱分析仪、信号发生器和网络分析仪也是很好的辅助工具。频谱分析仪可以分析信号的频域特性，信号发生器可以提供稳定的激励信号，而网络分析仪则可用于测量网络（如放大器）的增益和相位特性。
二、初步测量
- 波形观察： 连接示波器探头到电路的关键节点，通过观察波形，可以初步了解电路的运行情况。注意查看波形的幅度、频率以及是否存在噪声或失真。
上图所示为RIGOL DHO4804测量两个正弦波相位差
- 直流偏置和纹波测量： 使用示波器的直流耦合模式，测量电路各个关键节点的直流偏置电压。同时，可以切换到交流耦合模式，观察电源纹波和其他低频噪声。
上图为RIGOL DHO4804在交流耦合下测量的2Vpp，1V偏置正弦波，由于滤除了直流成分，因此最大值为1V
- 交流响应测量： 利用信号发生器，输入不同频率的正弦波到电路中，逐步提高频率，同时在示波器上观察输出信号的变化。记录下每个频率点的增益和相位特性。
三、深度分析
- 频谱分析： 通过频谱分析仪，可以进一步了解电路中的谐波、噪声和干扰。将探头连接到电路，观察频谱图，重点关注基波、谐波以及任何不希望出现的频率分量。
- 环路增益和稳定性： 对于反馈系统，环路增益和相位裕度是衡量稳定性的重要指标。使用网络分析仪，连接在反馈回路中，测量环路增益和相位。根据奈奎斯特稳定性判据，如果在增益为1处，相位没有超过-180度，则系统稳定。
上图为普源精电MSO5000的环路分析功能
- 瞬态响应测试： 瞬态响应是指电路对突变输入信号的反应，可以揭示出电路的稳定性。通过示波器，记录电路对阶跃信号或脉冲信号的响应，观察过冲、振荡和稳定时间。
- 热稳定性测试： 电路在不同温度下的表现也会影响其稳定性。可以使用热风枪或热台，对电路加热或冷却，同时观察示波器上的波形变化，记录电路在不同温度下的特性。
四、问题排查与优化
- 识别问题： 通过上述测量步骤，如果发现电路存在不稳定现象，需要深入分析原因。可能的原因包括元件参数漂移、布局不合理、电磁干扰等。
- 优化设计： 根据测量结果，调整元件参数或重新设计电路。例如，增加滤波电容以减少纹波，调整反馈网络以提高相位裕度，或者优化PCB布局以减小寄生电感和电容。
- 重复验证： 在完成优化后，再次进行全面测量，确保问题得到解决。特别是对于关键节点和高频信号部分，需要仔细检查，确认稳定性得到提升。
五、总结
使用示波器等测量仪器进行电路稳定性分析，是一个系统化的过程。从初步的波形观察，到深度的频谱和环路增益分析，再到问题的排查与优化，每一步都需要细致入微。在实际操作中，灵活运用多种测量设备和技术手段，可以有效地评估和提升电路的稳定性，为电路设计的成功打下坚实的基础。通过不断积累经验和改进方法，将能够更好地应对复杂的电路稳定性挑战。