【正达故障电路板检测设备系列论文】



【论文】国内第三代在线电路维修测试仪的最新发展


论文《第三代在线电路维修测试仪》发表于国家级设备领域权威刊物《设备管理与维修》2013年第3期。本文有补充和修改。



摘要:【正达故障电路板检测设备系列论文】第三代在线电路维修测试仪在关键技术上取得重大突破,一些在长期维修实践中积累的测试难题得到了解决。


关键词:第三代电路测试仪;>40管脚数字器件;静态参数故障;动态性能

   

    在线电路维修测试仪设计精密,测试高效,结合计算机技术并且综合运用器件功能测试和器件管脚阻抗特性测试等测试手段,是重要的精密电路板维修(芯片级)检测设备。


一.国内在线电路维修测试仪的发展概况:


1.国内电路测试仪研制背景

    1980年代初,伴随改革开放步伐,国内陆续引进了大量现代化电气设备。由于这些设备上普遍采用数字集成电路器件,因而常被冠以“数控设备”这一时髦的名称。当时国内电路维修人员对数字器件概念模糊,器件故障无从判别,迫切需要检测手段。

    1980年代末,新加坡“创能”品牌BW4040型在线电路维修测试仪(下文简称:电路测试仪)进入国内。名称中“在线”是指:测试电路板时无须焊下器件。型号中“4040”是指:具有40路数字通道,40路VI曲线通道。电路测试仪将测试技术与计算机技术相结合,具有+5V数字器件库。既可以测试+5V数字器件功能,也可以采用VI曲线测试数字器件/模拟器件管脚阻抗特性。

面对电路测试仪在电路板维修中的巨大优势,国内企业也积极开始研究与试制,不断推出一代又一代电路测试仪产品。


2.第一代电路测试仪

    国内第一代电路测试仪是从对BW4040电路测试仪的学习和仿制开始的,代表机型是正达ZD4040电路测试仪。主要特点:40路数字通道,40路VI曲线通道,器件库包含40管脚以下+5V数字器件。

    具有40路数字通道,提供+5V测试电源是第一代电路测试仪的基本特征。由于增加VI曲线通道难度不大,所以ZD4080电路测试仪(80路VI曲线通道)也属于第一代电路测试仪。

    第一代电路测试仪始于1990年代初,那时的计算机还是DOS操作系统。随着计算机技术的飞速发展,第一代ZD4040电路测试仪也同步改进和升级。今天的ZD4040-N电路测试仪可以支持windows10_64位操作系统,在维修中依然发挥着重要作用。


3.第二代电路测试仪

    国内第二代电路测试仪开始摆脱全面仿制阶段,推出一些自主创新的特色功能。代表机型是正达ZD9001电路测试仪。主要特点是:40路数字通道,80路VI曲线通道,20路模拟功能通道,器件库包含40管脚以下多电源供电的数字器件以及集成运放、电压比较器、模拟开关等模拟器件。

    具有40路数字通道,提供±12V测试电源是第二代电路测试仪的基本特征。虽然ZD9001电路测试仪具有80路数字通道,但由于是按照双组40路数字通道实施测试,所以属于第二代电路测试仪。

    第二代电路测试仪始于1990年代末,自主创新是贯穿其中的发展主线。例如:通过器件管脚阻抗特性识别模拟器件型号这项功能,虽然在技术上并不复杂,但跳出之前国外产品只能用逻辑功能识别数字器件型号这个固有思维,使模拟器件型号识别和更复杂器件型号识别成为可能,实用价值很高。这是第二代ZD9001电路测试仪在测试方法上的重要原始创新。


4.第三代电路测试仪

    国内第三代电路测试仪在关键技术上取得多项重大突破,许多国内外业界被长期困扰的维修测试难题得到解决。代表机型是正达ZD9610电路测试仪。主要特点是:80路数字通道,160路VI曲线通道,28路模拟功能通道,可以对>40管脚数字器件功能测试,可以测试数字器件和模拟器件的动态性能。

    具有80路数字通道,可以对>40管脚数字器件功能测试和测试器件动态性能是第三代电路测试仪的基本特征。ZD9610电路测试仪开创了第三代电路测试仪的先河,使电路测试仪的整体技术水平大幅提升。图1.



图1    第三代ZD9610型在线电路维修测试仪


    第三代电路测试仪始于2011年,在这个先进测试平台上,技术创新层出不穷。2018年6月,第三代ZD9610电路测试仪再次首创5cVI曲线鹰爪五线测试法,令人瞩目。


二.第三代在线电路维修测试仪的突出特点:


1.数字器件的发展趋势

    在电路测试仪发展的同时,器件制造技术也在不断发展。对于通用型数字器件而言,其发展趋势主要表现在以下几个方面:

    ①管脚趋多

    比如之前常用的74LS245是8位双向总线驱动器,20管脚器件。现在多采用的新型74ABT16245是16位双向总线驱动器,48管脚器件。再如:56管脚74FCT162823数字器件见图2.其中这三个芯片具有不同的生产批号和标识,很常用。

    ②电压趋低

    以前数字器件多为+5V供电,某些CMOS结构的数字器件还支持+12V供电。现在逐渐形成主流+3.3V供电,甚至出现更低的+1.8V.

    ③体积趋小

    早期数字器件普遍采用DIP双列直插封装形式,管脚中心间距2.54mm.现在SOP双列贴片封装器件非常普遍,管脚中心间距1.27mm.更小的SSOP(管脚中心间距0.65mm),TSSOP(管脚中心间距0.5mm)双列贴片封装器件也渐成主流。

    ④速度趋快

    比如早期的74LS245传输延迟时间tPd是18ns左右,现在多采用的新型74ABT16245传输延迟时间tPd是5ns左右,速度有明显提高。


图2    常用的56管脚74FCT162823数字器件


    面对数字器件的发展趋势,只有40路数字通道的第一代和第二代电路测试仪存在明显局限性,第三代ZD9610测试仪要在数字器件测试广度、测试深度以及测试使用环节上寻求突破是必然选择。


2.对>40管脚通用型数字器件直接功能测试

    所谓器件直接功能测试,简单说是指电路测试仪通过专用测试程序按照器件的功能实现方式进行测试。常被问及的电路测试仪器件库有多大,指的就是器件直接功能测试。

    器件直接功能测试是电路测试仪最基础、最重要的测试功能。能够给出器件功能或性能的明确信息,无需通过VI曲线间接分析可能存在的故障。而且VI曲线测试不涉及器件的频率特性,无法发现动态性能问题。器件库中包含器件种类的多少是衡量电路测试仪先进性的重要指标。

    受技术条件的限制,第一代和第二代电路测试仪的器件库中只有40管脚以下的数字器件。对于这些器件又可将它们大致分成两类,一类是28管脚以下的通用型中小规模数字器件,而且绝大多数为双列14管脚、16管脚和20管脚的数字器件;另一类是双列直插式封装、40管脚以下(含40管脚)的大规模集成电路器件,简称LSI.

    第三代ZD9610电路测试仪具有80路标准数字测试通道,可对>40管脚通用型数字器件直接功能测试,在器件测试广度上实现了突破。例如:

    74ABT16245(48管脚);见图3.

    74FCT162823(56管脚);

    74ALVCH16832(64管脚).


图3    离线测试48管脚常用数字器件74ABT16245C


    其中:74ABT16245是48管脚16位数字器件,74ALVCH16832是64管脚+3.3V供电的数字器件,这也因应了数字器件“管脚趋多、电压趋低”的发展趋势。(ZD9610器件库中+5V/+3.3V供电的>40管脚通用型数字器件有500余种,还在不断扩充。)


3.新型在线测试夹和多样离线测试板

    面对数字器件“体积趋小”(许多贴片器件管脚间距小于1.27mm)的发展趋势,现有的贴片在线测试夹不能满足测试要求,特别是对于>40管脚的双列贴片数字器件而言,这个问题显得尤为突出。所以也必须要在电路测试仪的使用环节上下功夫。

    第三代ZD9610电路测试仪对此的解决办法是:

    首先:对暂时不能在线测试的>40管脚双列贴片数字器件,配备测试插座齐全的离线测试板,以离线方式更加稳妥地测试,好在贴片式器件相对于直插式器件拆焊更加容易。图4是全新设计的离线测试板。


4    正达ZD9610测试设备标配的多样离线测试板


    其次:积极开展对新型在线测试夹的研制工作。经过反复试制和方案比较,先后研制成功TSSOP测试夹和QFP测试夹。开辟了第三代ZD9610测试仪未来发展的广阔天地。


    TSSOP测试夹:双列贴片封装,管脚中心距0.5mm;图5.

    QFP测试夹:4侧L形管脚贴片封装,管脚中心距0.65mm.图6.


图5     TSSOP测试夹(双列贴片封装/管脚中心距0.5mm


图6    QFP测试夹(4侧L形管脚贴片封装/管脚中心距0.65mm.


4.对>40管脚PLCC封装LSI器件直接功能测试

    LSI器件是功能相对复杂的数字器件,每个LSI器件功能都是由许多子功能组成的,如复位,DMA,中断,存贮器操作等,全部子测试才构成对该LSI器件的完全测试。对40管脚以下LSI器件进行功能测试本身就难度很大,对>40管脚PLCC封装(也就是人们习惯上常说的方形贴片式芯片)LSI器件直接功能测试,难度自然更大。

    第三代ZD9610电路测试仪实现了对>40管脚PLCC封装LSI器件直接功能测试,器件库容量大幅度增加。例如:PC8250A,CDP1854,Z80CPU等。

    面对>40管脚PLCC封装LSI器件,第三代ZD9610电路测试仪在使用环节上也做出了相应改进。改进后的PLCC在线测试夹既能满足在线直接功能测试的要求,又能满足VI曲线测试的要求。图7是经过改进的PLCC在线测试夹。


图7    经过改进的52管脚PLCC在线测试夹


5.对其它复杂器件功能测试

    例如:对AD器件功能测试,对DA器件功能测试,对模拟多路复用器器件功能测试,并改进之前的高压模拟开关器件功能测试,运放器件功能测试,等等。都已经在第三代电路测试仪平台上研制成功。

    尤其是对AD器件和DA器件进行功能测试,这是测试技术的一个高峰。


6.通用型数字器件动态性能测试

    器件故障仅仅是一个笼统的说法,如果细分起来,数字器件主要有三种故障类型,分别为:

    ①器件功能故障;

    ②静态参数故障(如器件输入、输出管脚漏电等);

    ③动态性能故障(即器件工作频率降低、输出波形上升沿(下降沿)形态失真或坡度变缓等)。

    对于第一种故障采用普通直接功能测试就可有效发现,这种故障是数字器件的常见故障;对于第二种故障VI曲线测试是最简单有效的测试手段;而第三种故障一直以来始终是困扰电路测试仪的测试盲区,第一代和第二代电路测试仪对数字器件的最高测试频率还不到100kHz,无法发现这类问题。

    动态性能故障实际上是一种综合性参数故障,其涉及到数字器件的工作频率、波形形态等综合问题。器件在低频下工作正常,高频下工作不正常。伴随着数字器件“速度趋快”这种发展趋势,这种故障类型势必会越来越多。

    在以前的维修实践中,只有通过示波器才能观察并明确这种故障属性,对维修人员经验性要求很高,是数字器件中最难发现的故障类型。

    第三代电路测试仪将数字器件功能测试频率大幅度提高到2000kHz.其精巧的硬件测试系统设计表现为:用2000kHz测试频率可以对工作频率多达几十MHz数字器件的动态性能进行测试。大量实测也证实:虽然数字器件在《器件手册》中给出的工作频率多在几十MHz左右,但是绝大部分数字器件所能通过功能测试的最高测试频率都低于2000kHz.有些类型数字器件测试频率只有几百kHz.只有降低测试频率,有些类型数字器件甚至要大幅度降低测试频率,才能够通过功能测试。

    这样就出现了第三状态(Third state).第三状态是指:在某个特定测试频率之上,基本功能正确的器件无法通过功能测试,而在此测试频率及以下却能够通过功能测试的状态。

    新型正达测试仪数字器件功能测试结果的三种状态:

    1.不能通过功能测试(在某测试频率之上/器件基本功能正确)。

    2.能够通过功能测试(在某测试频率之下/器件基本功能正确)。

    3.始终不能通过功能测试(所有测试频率/器件基本功能故障)。

    例如实测中以下数字器件第三状态:

    2000kHz:74HC4050(仙童公司高速器件);

    1000kHz:CD4050  (仙童公司普通器件);

    1500kHz:75174(德州TI公司高速器件);

    800kHz:75175(德州TI公司普通器件);

    评价集成电路性能的三个重要指标:1.速度(延迟/工作频率),2.功耗,3.功能性和可靠性。其中:速度是动态性能的一个指标,也最能反映集成电路的综合性能。

    在《器件手册》中标明的工作频率不同于电路测试仪对该器件采用的测试频率,工作频率要远高于测试频率。两者存在明确的对应关系,即:工作频率越高,该器件所能通过测试的最高测试频率也越高。不同系列器件(如TTL或CMOS)由于工作频率范围不同,因而选择的测试频率范围也不同,测试软件会自动切换到该系列器件默认的测试频率。CMOS系列数字器件实际工作频率普遍低于TTL74系列数字器件,实测中CMOS4000器件能够正确完成功能测试的最高测试频率也普遍低于TTL74器件。这也印证了测试频率与器件实际工作频率的对应关系。

同型号数字器件能够通过测试的测试频率越高,其性能越好。

    tPd是数字器件的传输延迟时间,tPd=(tPLH+tPHL)/2,单位:秒。这是一个表征门电路开关速度的重要参数,意味着门电路在输入脉冲波形的作用下,其输出波形相对于输入波形延迟的时间。图8是tPd简单示意图。



图8    速度(延迟/工作频率)最能反映集成电路的综合性能

   

    tPd也表述了数字器件的工作频率,某数字器件的传输延迟时间tPd越短,则该器件的工作频率越高,其所能够通过测试的最高测试频率也越高。tPd可在《器件手册》中查询。

    比较数字器件第三状态,可准确分辨出其工作频率这项重要性能指标之间的差别。当明确了某类数字器件所能通过测试的最高测试频率后,进而可判断被测的某个该类数字器件是否出现动态性能故障。

    器件逻辑功能测试一般称为功能测试或者静态测试。对器件速度/时间特性测试一般称为性能测试或者动态测试。第三状态就属于后者这个范畴。

    实测例子:有两片型号为CD4050的数字器件。外形封装完全相同(均为双列直插式封装),型号完全相同(均为CD4050),仅是厂家不同。对比它们能够正确完成功能测试的最高测试频率,仙童公司CD4050是1000kHz,TI公司CD4050是500kHz.查阅这两个厂家CD4050的PDF技术资料,仙童公司CD4050的工作频率要明显高于TI公司CD4050.

    若将某个性能完好器件的第三状态作为标准,就可以严格筛选该类器件。进而开展元器件综合性能筛选工作。

    例如之前的例子:仙童公司CD4050的第三状态出现在1000kHz以上,倘若有50片仙童公司CD4050器件,其中48片符合标准,而有2片第三状态出现在1000kHz以下,则这2片CD4050器件的动态性能下降,不能应用在重要场合。

备注:

    第三状态绝非只能用于数字器件,在模拟器件检测筛选中同样适用。

    例如:模拟多路复用器ADG506和AD7506功能相同。在相同测试条件下检测,ADG506第三状态为1800kHz,AD7506第三状态为500kHz.实测结果与器件PDF技术资料中给出的这两种模拟多路复用器的工作速度指标相吻合。

    数字器件的动态性能故障难于判断,常会使电路维修陷入困局。第三代ZD9610电路测试仪不但有效解决了这个维修难题,同时也使我们对数字器件的故障类型认识得更加深刻了,是在器件测试深度上实现的突破。


7.一个意外的收获----甄别翻新数字器件

    当前存在这样一个无法回避的现实问题:大量过期报废的电子产品未被销毁,将上面的器件拆卸、翻新、再流入市场已经形成了一个巨大产业链。在这些翻新的器件中,以塑料封装的通用型数字器件居多。例如图9.旧器件经过型号归类、表面打磨、管脚整形、表面喷漆、重新表识等一系列步骤后,完全可以达到以假乱真的目的。出售翻新器件在电子市场上已经处于半公开的状态,有些器件供应商会明确告知,有些器件供应商则会按照新品价格出售,以赚取高额利润。一般技术人员很难辨别出翻新器件,这必然严重影响设备的稳定性和可靠性,甚至是造成重大损失。


图9    常用的48管脚74FCT162373TPV数字器件(市场上翻新器件)


    对于翻新器件,在新生产的设备上必须严格禁用。在设备维修领域,若由于某些器件停产、断货而一时无法获取全新器件时,在除军工、医疗等非要害设备上可谨慎采用,但前提是必须对翻新器件进行严格检测。

    面对翻新器件可能存在的风险隐患,甄别翻新器件非常重要。我们知道:翻新数字器件少数存在功能损坏情况,而多数情况下翻新数字器件功能正常,器件管脚阻抗特性/静态参数性能无变化,无法通过VI曲线测试发现。因为翻新数字器件主要是从淘汰设备电路板上拆卸下来,被拆下之前仍然处于正常使用状态。因此第一代和第二代电路测试仪对翻新数字器件难以甄别。

    采用第三代ZD9610电路测试仪测试翻新数字器件后发现:翻新器件较之同型号全新器件的VI曲线通常完全一样,但所能通过测试的最高测试频率却明显下降,下降幅度一般不低于200kHz,有些甚至会下降1000kHz,这充分反映出了翻新器件的实际整体性能。

    为了验证第三代ZD9610电路测试仪甄别翻新数字器件的可靠性,特请器件供应商提供12批次不同型号的数字器件,每批次3~5片,其中某些批次为翻新器件,之前不做预先告知。通过对每批次器件所能通过测试的最高测试频率进行比对分析,最终甄别出全部的5批次翻新器件,而且测试结论非常明确。

    从器件本身的测试结果上来说并不意外,从实际应用上来说确实是一个意外收获,这为第三代ZD9610电路测试仪拓展应用领域提供了有益的思路。


三.结语:


    除以上介绍的内容外,在第三代电路测试仪上还有许多新的测试功能和测试方法,不再逐一介绍。

    回顾国内电路测试仪二十多年的发展,这是一个从仿制、到创新、再到突破的历程。在这期间,计算机技术、器件制造技术、板卡生产技术、程序控制技术、电路维修技术等都有飞速发展,一度也使人产生过电路测试仪是否还能适应现代电路维修的困惑。

    电路测试仪是否具有持续的生命力主要是取决于两个因素,其一:是否还有现实需求。其二:是否有更好的替代品。电子技术更新换代速度越快,对停产精密电路板的维修需求就更加凸显,避开电路原理分析的芯片级维修方式也更加无法替代。唯有紧跟技术发展步伐,使电路测试仪在测试技术和使用环节上不断创新,实现突破。

    器件发展趋势在无形之中预示着电路测试仪的发展未来,随着第三代电路测试仪的问世和发展,我们清晰地看到了这种未来。

2017年10月10日

※正达电路板故障检测设备:[深入]模拟器件功能测试通道与运放放大功能测试

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