电路在线维修测试仪上的ASA（VI曲线）测试
发布时间：2010-9-1 09:03
发布者：techshare
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ASA(VI曲线)测试是最重要、最常用的电路在线维修测试技术之一。目前市场上的各种电路在线维修测试仪产品上都具有基于该技术的测试功能。由于各家对此项技术在应用中的问题了解的程度不同，或受技术水平高低所限，导致不同产品上此项测试功能差异颇大，最终是使用效果明显不同。 本文从实际应用角度，讨论了影响ASA（VI曲线）测试的故障检出率、测试可靠性、使用效率等方面的问题，并且以汇能测试仪为例，介绍了一些如何解决的办法。本文不仅对电路在线维修测试仪设计，而且对更具体地评价、更好地使用此项测试功能有较大参考价值。 一、 ASA测试应用特点 Analog Signature Analysis(模拟特征分析)是一种广泛应用于电子电路板的故障检测技术。具有以下特点： 1．不涉及电路原理，无需电路处于工作状态，所以可用于没有图纸资料，脱离设备（无需联机检测）的电路板的故障检测； 2． 测试时不需给电路板加电，相对更安全； 3． 不涉及电路板上器件的功能，所以无论电路由什么类型的器件组成，包括数字的、模拟的、数模混合的、功能已知的、未知的（如专用、可编程）等等，均可测试； 4． 它是逐电路结点（器件管脚）进行测试的，基本上不受电路板上元器件封装的限制。 由于单个器件可以看成最简单的电路板电路，所以ASA技术也能够用于检测电子元器件的好坏。尤其是它不涉及器件功能，不受器件封装限制，成为许多用户检测大规模、复杂或功能未知集成器件好坏的唯一手段。 ASA用于检测分立元件功能好坏时，还有方便、直观等特点。 二、 ASA基本原理 就基本检测原理而言，ASA测试可以看成万用表检测法的自然延伸。 对于无电路原理图纸、脱离了设备的电路板，最常用的万用表故障检测法是这样的：先测出好板上器件管脚（实际是电路结点）的对地电阻；然后与故障板上相应器件管脚的对地电阻进行比较，根据差异大小来判断该结点上有无故障。由结点到具体元器件需要人工确定。许多人都用这种办法修好过复杂、昂贵的电路板。 这种办法除了对使用者要求较高，效率低之外，影响其故障检出率的主要原因是,万用表只能检测在1.5V（万用表电池电压）下的阻抗值，而半导体器件引脚的阻抗是随测试电压的变化而变化的——不同测试电压下的阻抗未必相同。比如，某TTL器件管脚在2.5V有软击穿,产生较大漏流。这样的故障就检测不出来。 ASA测试是在一个电压区间内、而不只是一个电压点下进行测试比较。可以这样理解ASA测试——设想你有几十、或上百块万用表，每块表的电池电压都不一样——电压范围包括了被测器件的工作电压。对每一个管脚，都用这些表全部测试、对照一遍，上面所说的故障就会被检测出来了。 除了故障检出率相当高之外，ASA测试在维修检测中广受欢迎的另两个原因是： 1．测试效率很高。以汇能测试仪为例。对一个40脚器件，在每个引脚上测128个电压点，测试时间不到1秒； 2．从好板上提取的测试数据可存入计算机中（即建立板库），作为以后进行检测的参照标准，反复使用。 三、 基本ASA测试的实现方法 用测试仪产生一个变化的电压信号加在被测试对象上，同时记录不同电压下的电流。把随电压变化的电流在电压-电流座标系上表示出来，得到一条（阻抗）曲线。使用者通过比较好、坏电路板相应结点的曲线的形状差异，进行故障判断。 理论和实践都表明，使用以正弦规律变化的电压信号（正弦波）的测试效果最好。所以无论进口的、还是国产的此类测试仪，都用正弦波作为主要测试信号。 鉴于微机的普及，为了降低开发难度和产品成本，目前的此类测试仪产品多数都和微机配合使用。测试仪产生正弦波测试信号；微机在专用测试软件控制下，接受用户指令、实现测试算法、按用户的要求控制测试仪施加测试信号、显示测试结果、存储测试数据。 下面从实际使用要求出发，对如何得到高效、实用的ASA测试功能，进行一些讨论。 四、 关于配接微机 从当前微机技术以及发展来看，测试仪的软硬件应该： 1． 测试软件应支持主流操作系统版本 自Win98后，Windows操作系统对外部设备的管理机制作了很大改动。 在Win98上运行的测试程序，不能自动升级到其后的系统版本上运行。鉴于Win98及以下的操作系统很快会完全退出使用，如果测试软件不能支持主流的操作系统版本，比如Windows XP,将会给用户以后使用带来麻烦。 2． 测试仪最好支持USB口 早期的测试仪采用在计算机内插卡的方式实现和计算机的配接。由于这种方式缺点较多，又转用并口（打印口）配接。但近年来速度快、更安全（允许带电插拔）的USB口得到了迅速普及，目前市场上带并口的笔记本电脑已经十分少见，在台式机上也许会很快消失——常用计算机外设，如打印机、扫描仪、数码产品都是USB口了。如果测试仪不支持USB口，会影响用户微机的换代更新。 五、 关于测试信号 对任何一种电子仪器，测试信号都是构成整个测试功能的基础。它的质量，基本决定着测试仪的测试质量。 1．关于主测试信号——正弦波： a．幅度（峰-峰值） 为了保证测试效果，同时又不至于损伤被测器件，正弦幅度应大于被测器件引脚的实际工作电压，小于其极限电压。由于不同元器件所需电压值不同，这就要求测试仪输出的正弦波幅度可调。 显然，可调的范围越宽、允许调整的步距越小（分档越多）越好。目前市场上比较低档的测试仪产品一般有±4V、±8V、±18V、±28V等几个档；汇能测试仪的电压幅度从±1V--±28V，以0.5V步距可调，也就是分成了五十多个档，能更好地满足对更多种类的电子电路板、电子元器件的检测要求。 b． 最大输出（短路）电流 将正弦波短路后所能流出的最大电流叫做最大输出电流： 最大输出电流=等于正弦峰值/输出电阻 目前多数国产测试仪的最大输出电流在十几毫安到二、三十毫安。据我们的经验，这适用于测试一般集成电路，比如74系列器件。如果考虑到测试功率更大一些的集成器件、大电容（上万微法）、大功率三极管等，最大输出电流应该更大一些。汇能测试仪的最大输出电流可达150mA。 c．频率范围 频率范围越宽，越能更好地适应对容性、感性结点的测试。比如，用汇能测试仪能测出一、两万微法电容的有效ASA曲线——曲线不会蜕化成一条短路线，从曲线上可以明显看出是否漏电、容量是否够。 d． 保真度（或失真度） 指实际产生的正弦波与理想正弦波的形状差异。非直流结点的ASA曲线形状不仅与频率相关，也与波形的形状相关。比如，电容的ASA曲线只在正弦波下是椭圆。 e． 关于正弦波产生中的问题 由于ASA测试通过曲线形状来判断故障，所以测试结果的一致性、可重复性十分重要。测试结果的一致性、可重复性由测试信号的稳定性——频率准确度和波形保真度保证。 目前市场上有的国产测试仪测试信号稳定性差的主要表现是，信号频率和形状随配接微机的速度、微机的运行状况变化。 比如，可这样观察微机运行状况对测试信号的影响——保持测试仪连续输出测试信号，用示波器持续观察，然后打开另一个任务，比如播放音乐，就会看到测试信号的形状变化；更简单的办法是测一个电容。如果电容的ASA曲线在播放音乐前后有所不同，就说明微机的运行状况对测试信号有影响。这会导致使用者的误判。 即使没有打开用户任务，也会有系统任务在后台时起时停，同样会影响测试信号。观察时间长一点就能发现。 就作者对这种测试仪的了解，导致这种现象的原因是由于硬件过于简单——测试仪没有独立的定时（CPU）电路造成的。 汇能测试仪完全不存在这种问题。最近经军检，它的测试信号的频率准确度、波形失真度均小于2%，不随外部条件变化。当然，汇能测试仪的硬件也相对更复杂一些。 2．关于辅助测试信号——脉冲： 引入脉冲辅助测试信号，是为了使ASA测试能够更好地用于三端器件的测试。闸流管、MOS三极管、甚至继电器、电压调节器等都可以看成三端器件。 闸流管为例。仅在它的阳极和阴极之间加ASA测试信号，只能发现两极之间是否短路、或有漏流，不能发现开路、或导通不良的故障。引入一个脉冲信 号加在闸流管的控制极，控制管子在ASA测试期间出现导通、截止两种状态，就能对闸流管进行较为全面的检测。 不同的三端器件需要不同的控制方式——正弦波和脉冲匹配（同步）形式。 有的测试仪产品没有脉冲辅助测试信号。有的实现的比较简单。比如某种国产测试仪上的三端测试信号，实际上仅是一个大小可设的直流电平，和ASA测试信号没有同步关系。 汇能测试仪为了更好地满足各种三端器件的不同测试要求，共设置了八种脉冲和正弦波的匹配方式。相对于正弦波来说，脉冲的起始、结束位置及宽度、高度均可调整；支持单向触发、双向触发。详细情况请参阅有关产品说明。 六、 关于测试通道数 测试信号的好坏决定了测试质量，测试通道的多少主要影响测试效率。使用要求不同，对通道数的多少要求也不同。主要有以下三种： 1．在线测试：目前对多于80个管脚的器件，基本上没有能配合使用的测试夹，所以80个通道基本满足使用要求； 2．电路板端口测试：通过转接板以及板上的相应电路板插座，把测试通道引到电路板各插脚，然后进行单/多端口测试。通常160个通道即可满足大多数使用要求; 3．超大规模集成电路离线测试：对于各种超大规模器件，除了ASA测试，一般用户几乎没有其它测试手段。这种测试和电路板端口测试相似，只不过转接板上是器件插座而不是电路板插座。这种情况需要的通道数依器件脚数而定。 需要特别说明的是，这里仅讨论测试信号和测试通道数对ASA测试的影响。一般的电路在线维修测试仪都有多种功能，其它功能也会用到这些硬件资源。比如汇能测试上的电路板网络测试也要求较多的通道数。 七、 提高基本ASA测试的故障检出率 1．单端口测试vs多端口测试 所谓的单端口测试，通常指所有的电路结点（器件管脚）分别与电路板的“地”组成一个个的端口，ASA测试信号总是加在这些端口上进行测试。在单端口的方式下，对一个有N个脚的器件，总共处理N条曲线。 所谓的多端口测试，是指对一个器件的任何两个管脚组成的端口，都要进行ASA测试。在多端口的方式下，对一个有N个管脚的器件，最多处理N×N条曲线。多端口测试易于检测两个管脚分别对地的曲线没有大的变化，但两个管脚之间的曲线变化很大的故障。 在汇能测试仪上，对多端口还分了三种情况考虑： a．多端口对称： 当处理了2脚对3脚组成的端口后，如果还要处理3脚对2脚组成的端口，就叫做对称方式。这类似于用万用表测试时，调转表棒再测一次。否则称为非对称方式。 由于ASA使用正、负对称的交流测试信号，多数情况下，对同一端口调转信号后测到的曲线和原曲线是对称的，也就是说不能提供更多的故障信息。采用对称方式更多是为了方便故障分析，提高使用效率。不过也存在不对称情况。 b．非对称含参考脚： c．非对称不含参考脚： 所谓含参考脚指要测试1脚对1脚、2脚对2脚、......N脚对N脚组成的端口。正常情况下，这种端口曲线一定是条短路曲线，否则，可能存在其它问题，所有与该脚组成的端口曲线不可信。就是说，含参考脚有利于提高测试可靠性。 2．自动、手动曲线灵敏度选择 ASA测试是依据两条曲线的形状差异来检测故障的，但是，测试数据的差异，与把数据以曲线的形式显示出来后，曲线之间的差异并不成正比。用机械式万用表打个比方。指针越接近中央位置，同样比例的阻值变化引起的指针摆幅越大，也就是指针位置关于故障的灵敏度越高。 对于ASA曲线可以证明，在电压—电流坐标下（VI曲线），曲线的整体走势越接近45度，对故障的灵敏程度越高；如果测试曲线是一个封闭图形，如电容，曲线包围的面积越大，对故障的灵敏度越高。 为了得到较高灵敏度的曲线，可以调整测试信号的输出电阻。输出电阻值越接近被测结点的等效电阻值，得到的曲线灵敏度越高。 汇能测试仪允许手动/自动选择较高灵敏度曲线。手动选择试利用测试软件允许按端口设置测试参数的特点，对任意一条曲线可以修改测试参数后重测，由使用者判断、选择灵敏度较高的曲线。手动调整的缺点是麻烦，当曲线很多时很难逐一观察、选择，另外当曲线形状不规则时，往往很难直观判断什么样的曲线灵敏度更高一些；自动调整是用算法自动选择灵敏度较高的曲线。自动选择所需的测试时间相对较长一些。 f． 按端口设置测试参数、重测 并非同一个器件的所有管脚都适用于同样的测试参数。举个典型的例子：集电极开路器件的输出往往耐压较高，多用于驱动数码管、继电器等，而输入一般是标准电平，所以对于输出、输入的测试信号的幅度应该不同，才能达到全面检测的目的。 汇能测试仪有普通设置和特殊设置两个设置窗口。普通设置对所有的端口有效，而在特殊设置中可对少数特殊端口进行重设。特殊设置的优先级别高于普通设置。 在完成测试后，如果对测试结果不满意，还可以利用单曲线处理功能，用鼠标选中不满意的曲线，打开该曲线的设置窗口，重设后重测该曲线。 八、 提高测试可靠性 实际使用中，大致有以下原因导致不能得到真实的节点曲线，从而引起故障误判。测试可靠性指测试仪能够识别出不真实的ASA曲线的能力。 1．接触问题 接触问题是影响故障判断的常见问题之一。当测试到开路曲线的时侯，其实很可能是由于接触问题——器件管脚氧化、防锈涂层未打磨干净、测试探头磨损等原因所引起的，所以在实际使用中，一旦发现开路曲线，都要再次确认——检查、处理，然后重测，以免得到虚假曲线。但当一次测试要处理成百上千条曲线时，依靠人工来找出开路曲线很不现实，因此，汇能测试仪设有自动判断开路曲线的功能，在所有测到的曲线中，只要存在开路曲线，就给出提示信息，用户可以根据提示很容易找到它的所在。 2．曲线稳定性问题 由于被测电路本身的原因，导致在同样的测试条件下，每次测到的曲线都不相同称之为曲线不稳定。导致不稳定曲线的原因主要有以下三种： a．自激导致的不稳定 电路结点的电特征千差万别，ASA测试将一个正弦波注入电路结点，某个结点正好在这个频率下出现自激是完全可能的。其实这也是ASA测试使用正弦波作为测试信号的原因——正弦波的谐波分量最少，导致自激的可能性最小。 自激曲线的现象是大面积散点，并且没有最终的稳定状态。更换测试信号频率即可消除。 b．过渡过程导致的不稳定 当结点的充、放电常数相差较大时所导致。这种曲线的现象是当反复测试时，曲线逐步向一个稳定状态靠近，有一个最终的稳定状态。 c．测试MOS器件时的不稳定 前两种不稳定主要发生在电路板测试时，而这种不稳定主要发生在测试单独的MOS器件时。导致这种不稳定的原因是器件中的MOS晶体管随测试信号上升、下降的开关过程不同。 这种不稳定的现象是曲线上下跳，似乎是两条稳定曲线轮流出现一样。测试时只要把器件的电源脚和地脚都接地就可消除。 不稳定曲线容易导致误判。但当一次测试要处理成百上千条曲线时，依靠人工来发现不稳定曲线很不现实，因此，汇能测试仪设有自动判断曲线是否稳定的功能，在所有测到的曲线中，只要存在不稳定曲线，就给出提示信息，用户可以根据提示很容易找到它的所在，然后按上述方式处理、重测即可。 九、 改善人-机界面和使用效率 1．测试结果索引方式 当一次处理成百上千条曲线的时候，能否快速检索就会严重影响使用效率。使用中主要有以下三种检索要求： a．迅速找到异常曲线，比如：开路、不稳定、比较超差曲线； b．迅速找到某个端口的曲线； c．迅速找到某个曲线所属的端口。 汇能测试仪对此作了精心设计，采取了以下措施： a．将全部曲线分页。如果是单端口测试，所有曲线安排成一页；如果是多端口测试，与第一脚组成的端口的曲线为第一页，与第二脚组成的端口曲线为第二页等等。支持向上、向下翻页； b．设置了总提示和页提示。如果所有页的曲线中有一根异常曲线，总提示就会给出有错的提示信息；如果错误在当前页，则会同时给出当前页有异常曲线的提示，这样，用户可首先根据总体示确定是否存在问题曲线，如果有，再利用上、下翻页功能，很快找到有错误的页； c．页内曲线排列方式 在学习曲线时，有两种曲线排列方式： 1) 先异常、后正常排列方式； 由于学习时主要关心异常曲线，所以通常使用这种方式，将异常曲线排列在前面，便于处理； 2) 管脚顺序排列方式 在曲线比较时，支持三种曲线排列方式 3) 按误差减小的顺序 自动将误差较大的比较结果排在前面。由于比较时主要关心超差曲线，所以通常使用这种方式，将误差大的曲线排列在前面，便于处理； 4) 按误差增加的顺序 自动将误差较小的比较结果排在前面 5) 按管脚顺序排列曲线 d．由曲线索引端口 先通过上下翻页找到与所需管脚组成的曲线页（单端口方式只有一个曲线页）。若（管脚）曲线较多，超出了一屏的显示范围，可以用鼠标拖动滑动条滚屏，把所需曲线滚到可显示区域； e．由端口索引曲线 对一个40脚的器件做完多端口测试，如何能迅速找到某个端口的曲线，比如由20脚和5脚组成的端口曲线呢？按端口索引曲线专门用于解决这类问题。打开端口索引窗口，在选择栏里用鼠标点一下20，第20页立即成为当前页，再点一下5，无需再用鼠标拖动滚动条，该端口曲线就会自动滚动到合适位置显示出来，十分便捷。 2．三种曲线坐标 多数情况下，在电压-电流坐标上观察ASA曲线，但对有的测试结果，换一种坐标可能更容易理解，更容易把问题的本质暴露出来。这就好比几何中有直角坐标系、又有极坐标系一样。汇能测试仪支持三种坐标：电压-电流坐标、时间-电压坐标和电压-电阻坐标。请参阅产品说明中给出的测试实例，会对此理解的更具体一些。 3．单曲线处理 当索引到所需曲线后，用鼠标双击曲线，测试仪将仅仅重测这条曲线，其它曲线不受影响。正像前面所提到的，还允许重新设置该曲线的测试参数后再测。 有的测试仪不支持单曲线重测，当需要重测某条曲线时，必须把所有曲线全部重测一遍。使用效率低。还有的不能给不同的曲线设置不同的测试参数，这就不能完全满足使用要求。 十、 其它辅助措施 1．曲线显示形式 汇能测试仪以点的方式——按实际测试数据显示曲线；也支持按线的方式——将测试点用线连接起来显示曲线。点的方式真实，线的方式醒目，用户可以按自己的要求随时切换； 2．单曲线/页显示 为了详细观察曲线，可以从页显示切换到单曲线显示，即整个屏幕只显示一条曲线。 3．显示/隐藏坐标参数 当选择显示坐标参数时，测试每条曲线的正弦波的幅值和短路电流将出现在显示该曲线的坐标轴上。 g． 直接/间接比较测试 所谓的间接测试，是指先提取好的电路或器件的ASA曲线，存入计算机，然后再测试同样但有故障的电路板或器件，把两次测到的曲线同时显示出来，供判断故障。可以是测完好的立即测坏的；也可以是以后的任何时候再对怀疑有故障的电路板进行比较。一般把第一步叫做学习或建库。由于这种方式下自动保留测试标准——对好板的测试结果，无需总有好板，所以一般推荐使用这种方法。 直接比较测试是指同时测试好坏两个电路板或器件，同时显示。有人叫做双板对比。这种方式不保留测试结果。 5．动态/静态测试 所谓动态测试是指反复测试一条曲线，反复显示最新测试结果，测试仪一直在动作之中，直至人工停止为止，所以叫动态测试。有人称之为自动巡检。动态测试可以观察到各种不稳定曲线。 所谓静态测试是指仅测试指定次数，显示最后一次测试结果。用户看到的曲线是静止的，所以叫静态测试。 6．求取平均曲线 该功能通常用于为大量的相同被测试对象（比如测试一批相同器件）建立更高质量的标准曲线库。用户可以先测试多个器件，得到多个曲线文件，然后利用该功能把多个曲线文件平均成一个曲线文件，作为以后的测试比较标准。 ASA的技术原理并不复杂，然而，要把ASA测试实现成一个强大、高效的测试功能却并不简单。以上是作者多年从事此项工作的一些经验、体会。不当之处，敬请指正。 |
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