【正达电路在线维修测试仪系列论文】



VI曲线测试



摘要:【正达电路在线维修测试仪系列论文】VI曲线测试具有普遍适用、简单安全、精确高效以及操作灵活等突出优点,给电路维修和器件检测带来了巨大惊喜。随着VI曲线测试技术的不断改进,测试效率还会进一步成倍提高。VI曲线测试也存在“测试盲区”,会陷入“测试误区”,在维修实践中应该加以注意。


关键词:VI曲线测试;单地参考;交叉参考;探棒巡检;阻抗中值


1.VI曲线测试原理

    在线路两结点之间(通常是结点和地之间,也可以是器件两管脚之间)注入一个一定幅度和频率的周期信号(见图1左),从而在显示坐标上形成一条电流随电压变化的函数曲线。即:VI曲线。(见图1右)

    VI曲线的形状由被测结点之间的阻抗特性所决定。例如:电阻两端之间的VI曲线是一条经过坐标原点的直线。见图1右蓝色线段。普通二极管两端之间的VI曲线就是其PN结反向截止与正向导通特性的反映。见图1右红色曲线。等等。


图1


    实践表明:器件故障经常会出现管脚之间阻抗特性的改变,集成电路芯片或者是分立元件均有以上特点。通过比较好、坏电路板(或元器件)上相同结点之间的VI曲线,可以发现阻抗特性发生改变的结点,间接分析可能出现故障的具体器件。

    VI曲线测试不属于器件功能测试,无须施加工作电源,操作过程简单安全。VI曲线测试针对器件管脚端口阻抗特性,对绝大多数器件都适用,不受器件种类、封装形式等条件限制。测试工具可以选用测试夹、测试插座,还可以选用VI探针逐点测试。

    VI曲线测试在测试效率、测试信息量、信息综合处理分析等方面,极大地优于针对器件管脚端口阻抗特性进行测试的其它工具。


2.VI曲线学习(建库)

    VI曲线学习是提取并存储好电路板上结点之间或好器件管脚之间VI曲线,建立“维修库”,作为VI曲线比较时的标准。见图2.


图2


2.1部分设置选项说明

    ⑴电路板文件:输入文件名建立一个新的“维修库”,或选择已存在的“维修库”,从好电路板上提取的VI曲线测试信息将被自动存储在该“维修库”中。支持电路板图像建库。请详见论文《电路板图像建库和元器件图像建库》一文。

    ⑵所学器件编号:输入被学习器件在电路板上的实际位置编号,支持输入中英文超长文件名。

    ⑶提取工具类型:可以选择各种规格在线测试夹(双列/方形/纵列单排)、VI探棒和离线测试板。请详见论文《新型在线测试夹和多样离线测试板》一文。

    ⑷结点元件类型:根据被测器件的种类自动匹配VI曲线测试扫描频率等要素,类似于自动相机的拍摄模式设置。

    ⑸参考模式:任何一条VI曲线都是在两点之间形成的。“单地参考”是指所测VI曲线都以某一个点作为测试参考点,该点通常选择电路板地线或器件地管脚,所以称作“单地参考”。“交叉参考”是指用测试夹测试IC器件的VI曲线时(通常只针对IC器件),自动以被测IC器件的所有管脚或者某些管脚作为测试参考点,测试IC器件自身各个管脚相互之间的阻抗特性。

    倘若IC器件管脚数为N,则提取的VI曲线总数为:

    单地参考=N

    全数交叉=N×N

    递减交叉=N×(N-1)/2

    形象地说:“全数交叉”是IC任意两管脚之间正向、反向各测试一次VI曲线。“递减交叉”是IC任意两管脚之间只单向测试一次VI曲线。由于VI曲线在正负电压周期进行扫描,两点之间仅单向测试一次VI曲线,也可以完整反映全部特性。

    ⑹相对均方根误差:当进行两条VI曲线对比测试时,系统会自动计算两条VI曲线的相对误差值。设置相对均方根误差的作用在于,若两条VI曲线对比测试时超差,则视为该点有问题。相对误差值的设定和结果判断需要一定的经验性。

    ⑺已学器件:在当前维修库(电路板文件)中已学器件的编号在此列表。支持元器件图像建库。请详见论文《电路板图像建库和元器件图像建库》一文。

    ⑻双探棒巡检声音提示:采用双探棒进行探棒巡检对比测试时,若VI曲线一致,电脑发出“嘀嘀”的提示音。在测试过程中不用反复抬头看电脑屏幕。

    提示音贯穿于多种VI曲线测试功能中。例如:VI探棒建库和比较功能,在测试中伴随提示音操作可以避免反复抬头看电脑屏幕,减轻工作强度。

    ⑼扫描幅度类型:由于VI曲线测试扫描电压幅度种类比较多,为了便于进行选择,分为预定义(常用类型)和自定义(其它类型)两种类型。

    ⑽曲线分辨率:每个VI曲线扫描周期内的采样点数。采样点数越高,VI曲线越精确清晰。正达测试仪最高为512点/周期。

    ⑾阻抗中值:图1左虚框中电路测试仪内阻R即为阻抗中值。改变阻抗中值,可以使VI曲线尽量靠近显示窗口的中间区域,从而提高VI曲线的分辨精度,类似于指针式万用表的欧姆挡。

    当形成的VI曲线越趋近于VI显示坐标的X轴或Y轴时,对被测器件故障的区分能力越差,灵敏度越低。在采用±8V·8mA挡测试时,VI显示坐标45度线对应的是1kΩ电阻,1kΩ即是当前VI曲线的阻抗中值。所以对1kΩ附近区域比较VI曲线时的测试灵敏度最高。见图3.


图3


    对于偏离阻抗中值较远的VI曲线,可以另选一个与其更加接近的阻抗中值,使形成的VI曲线尽量靠近坐标的45度线区域,提高分辨精度。例如:若测试20kΩ电阻时,应该选择10kΩ阻抗中值。

    正达测试仪阻抗中值分别为:100,1k,10k,100k,470k等欧姆。调整阻抗中值的一般原则:当形成的VI曲线过于趋近于显示坐标的X轴时,应该选择更大一挡的阻抗中值;当形成的VI曲线过于趋近于显示坐标的Y轴时,应该选择更小一挡的阻抗中值。


    实际上,阻抗中值就是电路测试仪的内阻R(见图1左侧),被测器件与电路测试仪内阻R串联。由于一旦选择好阻抗中值后,电路测试仪内阻R就是固定不变的,所以测试VI曲线时的电压和电流变化仅由被测器件的阻抗所决定。根据电路串联关系,不难理解:在±8V·8mA窗口中,当选择1kΩ阻抗中值后,为什么被测器件为1kΩ电阻时,VI曲线的形状为±4V·4mA范围区间的45度函数曲线。


    VI曲线最佳显示范围是阻抗中值1/3~3倍区域之间。阻抗中值为100Ω,1kΩ,10kΩ,100kΩ,470kΩ时,VI曲线的最佳显示范围分别为30Ω~300Ω,300Ω~3kΩ,3kΩ~30kΩ,30kΩ~300kΩ,200kΩ~1.5MΩ之间。470kΩ阻抗中值精度明显优于100kΩ阻抗中值。具有470kΩ挡阻抗中值,也是正达测试仪的一个特色。

    可见:通过调整VI曲线阻抗中值,正达测试仪VI曲线最佳显示范围能够完全覆盖30Ω~1.5MΩ之间的完整区间。无遗漏,无死角。

    备注:VI曲线最佳显示范围是指只需通过直观观察,即可一目了然辨识的VI曲线显示范围。低于30Ω和高于1.5MΩ的VI曲线,通过直观观察也能够辨识,只是达不到最佳显示效果而已。如果是通过系统相对均方根误差计算,VI曲线测试分辨精度范围较之最佳显示范围更会大很多。

    ⑿其它设置选项:不再详述。


2.2建库操作简单说明

    ①测试VI曲线时无须为被测器件施加工作电源,正达测试仪自动关闭电源输出。

    ②在线测试IC器件VI曲线时,应将测试夹插入两条扁平测试电缆靠内侧插孔中,并应同电缆最左边对齐。由于VI曲线测试时需要按被测IC器件的管脚数自动计数,所以测试夹必须与IC器件两者管脚1对齐放置。见图4左。

    ③离线测试IC器件VI曲线时,“曲线提取工具类型”处应选择“离线测试板”。应将IC器件管脚1朝向上端,并以顶边对齐放置。见图4中。

    ④采用探棒测试VI曲线时,应设置成“单地参考”测试方式。可使用探棒1或探棒2进行测试,并用测试钩连接测试参考点和正达测试仪接地端子(COM端)。见图4右。


图4


2.3单地参考建库实例

    以对某40管脚数字IC器件采用单地参考模式在线学习VI曲线为例。共提取40条VI曲线,每屏显示20条VI曲线,共有2屏。

    其中:管脚20的VI曲线为垂直导通状态,表示和参考点相连。当前参考点为电路板地,则该数字IC器件管脚20为接地管脚。见图5.

    备注:若对该40管脚数字IC器件采用全数交叉参考模式建库,提取VI曲线数量=N×N=40×40=1600条VI曲线。每屏显示20条VI曲线,共有80屏。正达测试仪完成这项测试的时间小于10秒。可见VI曲线测试效率之高。这是采用万用表等其它阻抗特性测试工具所难以想象和难以完成的工作量。


图5


    正达测试仪VI曲线学习的建库方式和模式很多,操作便捷灵活。以上仅举了一种情况实例。其它建库操作方式可以参看专项介绍。例如:采用VI探棒建库,请详见论文《VI曲线定时测试和VI曲线智能存储》一文。


3.VI曲线比较(维修)

    以对某40管脚数字IC器件采用单地参考模式在线比较VI曲线为例。共提取40条VI曲线,每屏显示20条VI曲线,共有2屏。

    其中:管脚3的VI曲线(红色)为垂直导通状态,表示和参考点相连。已学VI曲线(蓝色)不是垂直导通状态。说明该数字IC器件管脚3在线对地短路。见图6.

    在线比较VI曲线时,故障定位于线路结点。离线比较VI曲线时,故障定位于器件管脚。这也就是说,上述数字IC器件管脚3在线对地短路,并不一定是当前所测数字IC器件本身的故障,而是管脚3所在结点对地短路。


图6


    正达测试仪VI曲线比较的测试方式和模式很多,操作便捷灵活。以上仅举了一种情况实例。其它比较操作方式可以参看专项介绍。例如:采用VI探棒比较,请详见论文《VI曲线定时测试和VI曲线智能存储》一文。


4.VI曲线探棒巡检

    VI曲线探棒巡检功能可以动态显示结点之间的VI曲线,自动刷新,512点/周期高清显示。适合于对分立元件较多的电路板或不便于用测试夹夹取的各种IC器件逐点动态测试或双路对比测试。见图7.


图7


    VI曲线探棒巡检功能强大实用,自由灵活,操作如同万用表和示波器般的轻松,是最受用户欢迎也是使用频率最高的测试功能。

    国内外电路测试仪在VI曲线测试中存在盲区,一直都难以克服。北京正达时代电子技术有限公司经过深入研究,于2018年6月首创应用5cVI曲线鹰爪5线测试法。见图8.


图8


    鹰爪5线测试法(Eagle claw 5-curve test way)简称:5cVI曲线。测试形态像鹰爪,测试效果像鹰爪,5线是基本特征。5cVI曲线的出现,为破解结点全域阻抗故障难题进而彻底消除VI曲线测试盲区提供一种巧妙实用的中国方案,一举彻底解决了国内外电路测试仪被长期困扰的VI曲线测试盲区问题。请详见论文《5cVI曲线鹰爪5线测试法--破解结点全域阻抗故障难题的中国方案》一文。


5.VI曲线测试的其他功能

    正达测试仪VI曲线测试功能非常多,具有多种规格测试夹通道,测试端子,巡检单窗口,巡检双窗口。具有多任务操作方式,可以同屏配合其他任意器件功能测试。等等。不再详述。


6.结语

    VI曲线测试是针对器件端口阻抗特性进行测试,无须按照器件功能形式编写测试程序,几乎对所有器件都适用。因此,采用VI曲线测试不但简单,应用灵活,而且适用范围大。由于不用对被测器件施加工作电源,所以测试过程也方便安全。

    VI曲线测试通常需要首先从好电路板或好器件提取信息,作为VI曲线的比较基准。但这也并非是绝对的,很多时候单从一个器件自身VI曲线的形状上就可判断其好坏。

    例如:对数字IC器件而言,各个管脚对地的VI曲线形状具有很强的规律性。再如:数字IC器件各个同性质输入管脚(地址端、数据端等)、模拟运放自身的各个输出管脚、各个同相输入管脚、各个反相输入管脚等对地管脚的VI曲线基本一致。这些规律性VI曲线也是判断器件好坏的重要依据。

    这种普遍适用、简单安全、精确高效、操作灵活的VI曲线测试方式,给电路维修和器件检测带来了巨大惊喜。随着VI曲线测试技术的不断改进,测试效率还会进一步成倍提高。

    但是,VI曲线测试也有局限性,存在一些难点。其一:并非所有器件功能故障都会出现器件管脚阻抗特性改变,因此一些故障无法通过VI曲线测试被发现。其二:VI曲线测试不涉及频率特性,所以对器件动态参数性能差异无法区分辨别。其三:由于数字IC器件各个管脚VI曲线具有趋同特性,无法借助疑难器件型号识别功能识别数字器件型号。其四:不能采用VI曲线测试EEPROM等电擦写程序存储器件,否则容易造成器件程序丢失。其五:VI曲线测试通常需要好坏器件对比测试,许多检测会受到条件限制。另外:对测试结果的人为主观判断因素比较多,也是VI曲线测试的一个应用难点。

    VI曲线测试的局限性是其测试原理所决定的。例如:当某电路板上器件的VI曲线特性无明显规律可循,又没有好电路板可供对比测试,就进入了“测试盲区”;当某故障器件的端口阻抗特性没有发生任何改变,倘若仅以VI曲线测试结论作为检测依据,又陷入了“测试误区”。这些问题在维修实践中应该加以注意。


2017年07月18日

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