【正达在线电路维修测试仪系列论文】



电路测试仪入门介绍



(论文《在线电路维修测试仪及应用》发表于国家级设备领域权威刊物《设备管理与维修》2008年第7期。本文进行了补充和修改。)



摘要:(正达在线电路维修测试仪系列论文正达在线电路维修测试仪(以下简称:测试仪)在现代电子维修领域中得到非常广泛应用,并且越来越受到维修人员的重视和欢迎。为方便用户更快地了解测试仪,首先对测试仪的测试原理和应用优势进行总体介绍。


关键词:在线功能测试;VI曲线测试

 


1.测试仪与元件级维修

    现代各类大型设备往往是机、电、光、气、磁一体化,软、硬件相结合,其中电路部分类型繁多,原理复杂,集成度高,新技术不断涌现。一旦设备的电路部分出现故障,维修会面临很多困难。


⑴[板件级维修与元件级维修]

    板件级维修和元件级维修是常用的两种维修方式。前者是一旦确定出故障电路板后就整板更换,后者是进一步修复故障电路板。因此,元件级维修也可以说是一种深度维修方式。


⑵[元件级维修的益处]

    电路板故障往往是因为个别器件功能失效,板件级维修费用高,耽误时间,而且要占用资金购置大量备板。开展元件级维修不但可以节约费用和时间,还可以锻造出一支过硬的维修队伍。


⑶[元件级维修的难点]

    难点在于:如何发现故障点、怎样拆焊器件、能否购买到所需要的器件。其中第一条最关键,即:用什么样的检测手段。


⑷[难以检测故障的原因]

    ①缺乏电路板图纸:这是普遍面临的问题;

    ②无联机测试条件:有时对于大型设备来说,联机测试风险也较大;

    ③电路集成化程度高:使得一些传统电路知识、检测手段不再适用;

    ④程序问题很突出:程序被破坏有时会形成复杂的故障现象,让维修陷入困局。


⑸[测试仪能满足元件级维修]

    ①直接测试电路板上的器件,避开信号分析;

    ②电路板处于脱机状态下测试;

    ③对集成IC的测试尤为简便;

    ④具有超级反汇编、PLD器件测试等程序处理功能。 


⑹[测试仪在元件级维修中的优势]

    测试仪将不同电路板视为各种器件的连接组合,针对具体器件提供快捷有效的测试手段,因此无须图纸,通用性强,降低了维修难度,提高了维修效率。


2.器件故障类型及测试方法

    电路板的故障因素主要为:器件故障、线路问题、程序出错,可调量值改变等。实践统计:器件故障占到各种故障的90%左右。因此,根据器件的不同故障类型快速、准确地查找出损坏器件,是维修过程中面对的主要矛盾。


⑴[器件功能故障]

    表现形式是:器件不能实现其基本功能。例如:反相器不能反相,放大器不能放大等。功能故障的表现形式相对比较明确和单一,通常称为“硬故障”。


⑵[器件参数故障]

    表现形式是:器件不能很好地完成功能。例如:反相器虽能反相,但高频特性下降;放大器能放大,但放大幅度下降等。器件出现功能故障一定有参数故障,器件出现参数故障不一定有功能故障。参数故障表现形式相对多样,通常称为“软故障”。


⑶[直接功能测试]

    测试仪通过专用测试程序依照器件的基本功能实现方式进行测试。测试目的明确,测试结果可靠。


⑷[直接参数测试]

    对器件参数量化分析或设定更加严格的测试条件。测试项目多,环境要求严,测试精度高。


⑸[端口特性测试]

    多数情况下,器件故障会反映在承担输入、输出作用的端口位置上,可通过器件端口之间的伏安特征来判断器件故障,测试仪中的实现方法是“VI曲线测试”。


⑹[关于直接功能测试]

    直接功能测试一般应具备两个条件:①为被测器件施加工作电源;②存有被测器件的测试程序库。


⑺[关于直接参数测试]

    利用器件功能测试程序库,设置更加严格的测试条件,是发现器件参数故障非常有效、便捷的测试手段。


⑻[关于端口特性测试]

    有种观点:“采用VI曲线是在测试器件的‘端口型故障’,而器件的功能型故障、参数型故障只能运用专门的测试方法”。其实这种观点是将测试方法和故障类型混淆了。所谓器件“端口型故障”应归结为器件功能故障或器件参数故障,是在端口位置的故障反映而已,VI曲线测试的就是器件的功能故障或参数故障。例如:反相器的输出端对地击穿,无法正常反相,功能故障;反相器的输出端对地漏电,扇出能力下降,参数故障。上述的器件功能故障和参数故障可轻易通过VI曲线测试被直观发现。


3.测试仪主要测试原理介绍

    目前,测试仪采用的主要测试方法是“直接功能测试”和“端口特性测试”,各项测试功能多是围绕以上两种测试方法展开的。下面以“数字IC器件在线功能测试”和“VI曲线测试”举例说明。


3.1数字IC器件在线功能测试原理

    数字IC器件在线功能测试,简称:ICFT(In-Circuit Functional Test),是测试仪最基础的一项测试功能。所谓“在线”是指:被测IC器件不用焊离电路板,采用IC测试夹直接测试。如图1. 

 

 
<图1>


⑴[ICFT测试原理图]

    以数字IC测试程序库为基础,强制在被测器件的输入端施加驱动信号,测试其实际输出信号,再与标准代码进行比较。当比较结果一致时,则被测试IC功能正确;比较结果不一致时,显示被测试IC功能不正确。如图2. 

 

<图2>


 
   

    ICFT测试涉及“后驱动隔离”、“自动补偿”以及“动态总线隔离”和“自动施加上拉电阻”等几项主要测试技术。


⑵[后驱动隔离技术]

    测试数字IC器件时,需要对其输入管脚强制施加高、低测试激励信号。离线测试时环境简单,测试激励信号容易按照要求施加。在线测试时环境复杂,因为在多数情况下,电路结点是由一个器件的输出端驱动若干个器件的输入端所组成。被测IC器件输入管脚所在结点在上电时会存在一定的电位,该电位往往是由前一级器件的输出所决定。在线测试时,结点电位会对测试激励信号的施加造成影响。如图3.

 

<图3>


    这里就涉及到在线隔离问题——要消除前一级器件输出对当前所测试IC器件的影响。最有效的隔离是物理性隔离,强制切断被测IC器件输入端的连线,这种方法显然是不足取的。测试仪采用的是电隔离方法,即:“后驱动隔离技术”。由数字电路输出特性所知:改变输出电流可影响输出电位。如图4.  

  

 

<图4>

    

    图4中反映的是在正常情况下当输出为高时输出电流由输出端流出的情况以及当输出为低时输出电流由外部流入的情况。无论哪种情况,电流一经剧烈增加,输出电位会发生改变。这也就是后驱动隔离技术的应用基础。

    后驱动隔离技术(back driving)就是在被测器件输入端(前级器件的输出端)所在结点灌入或拉出瞬态大电流,迫使影响结点电位的前级器件的输出端能够按测试要求变高或变低,从而达到在线给被测IC器件正常施加测试激励信号的目的。后驱动隔离技术实现了在线测试时对数字IC器件的电隔离,而无须破坏性的物理性隔离,使得在线逐个测试数字IC器件功能好坏成为可能。以下分别结合TTL器件和CMOS器件的输出特点,对后驱动隔离技术给出简单的电路分析和解释。 


    ①<TTL电路>

 

 

<图5> 


    图5是TTL器件输出级典型电路。当T4截止、T5深度饱和时输出低电平VOL,VOL是T5的饱和压降,约0.2V.此时若从输出端灌入足够大的电流,T5就脱离饱和,使VOL提升。 

    即:在线测试时灌入瞬态后驱动大电流可迫使结点由0置1。

    反之,当T4和D2导通、T5截止时输出高电平VOH,VOH是VCC−VBE4−VD2,约3.6V(即5V−0.7V−0.7V).此时若从输出端拉出足够大的电流,R4上压降加大,T4随之进入饱和状态,失去射极跟随功能,使VOH降低。

    即:在线拉出瞬态后驱动大电流可迫使结点由1置0.


    ②<CMOS电路>


 
<图6>

 

    图6是CMOS器件输出级典型电路。当TP截止、TN导通时输出低电平VOL。输出VOL时,负载电流IOL注入TN管,VOL与IOL的关系实际上就是TN管的漏极特性,输出VOL电平会随IOL的增加而提高。当TP导通、TN截止时输出高电平VOH。负载电流IOH从驱动门流出,VOH为VDD减去TP的导通压降。随着负载电流IOH的增加,TP导通压降加大,引发VOH下降。

    尽管现在逻辑电路越来越复杂,但只要是TTL或者CMOS电路,它们输出端电路的结构就和以上两例典型电路基本相同。对测试仪而言,在线测试数字IC施加测试激励高的过程中是向外部灌出大电流,施加测试激励低的过程中是向内部拉入大电流,从而可起到电隔离的作用。

    施加后驱动电流会造成相关前一级器件输出驱动门上的功耗远大于额定功率,后驱动电流太小会影响电隔离效果,但如果后驱动电流过大,施加时间过长,就可能超出器件的瞬态过载允许极限,形成破坏性测试。后驱动电流大小只是影响在线测试效果的因素之一,后驱动电流并非越大越好。


 ⑶[自动补偿技术]

    数字IC器件的测试程序一般是以该器件离线状态为基准编写的,在线情况下,通常数字IC器件输入管脚可能接地、接电源或自身相互连接,逻辑功能有时与其离线状态的逻辑功能不一致。为保证正确地在线测试,测试软件首先调用被测器件的程序测试库,然后再根据被测器件自身管脚连接状况,通过软件仿真器对程序测试库进行修正,最后将修正后的测试程序施加给被测器件,即:自动补偿技术(auto compensation).
  

 

<图7>

    

    图7中给出了2输入与非门的几种使用形式。其中:例1是基本形式,而后两例仅仅实现了逻辑反相功能。类似的或更为复杂的情况在实际电路中还有很多,测试仪通过自动补偿技术能够正确地作出判断并完成测试,无须人为对测试程序进行干预。


⑷[动态总线隔离和自动施加上拉电阻]

    实际在线测试中,需要施加“动态总线隔离”和“自动施加上拉电阻”等情况并不多,所以不作为重点介绍。

    所谓“动态总线隔离”是指当多个三态门IC器件的输出并联构成总线结构时,为避免总线上其它器件对当前所测IC器件的测试结果产生影响,测试仪可在测试瞬间在其它IC器件的使能端施加高(或低)动态同步禁止信号,屏蔽掉总线上的其它输出信号。类似情况还包括OC门器件(如74LS03等)和OD门器件(如74HC03等)输出端互连形成的“线与结构”等。

    所谓“自动施加上拉电阻”是指测试仪在线测试时能够自动辨别未接上拉电阻的OC门和OD门器件,并自动模拟1kΩ的上拉电阻对其完成测试。


⑸[ICFT测试的局限性]

    后驱动隔离技术、自动补偿技术、总线隔离技术等基本解决了在线测试中的常见问题,但由于其它在线因素的影响,目前尚无法保证对电路板上的器件进行100%的成功隔离,总会有个别功能完好的器件无法通过在线功能测试。例如:电路板上CPU和晶振等在测试瞬间对测试信号的影响等,还有些原因甚至比较复杂。因此,没有通过在线功能测试的器件不一定全是坏的,在线功能测试的目的在于快速压缩故障范围。


3.2VI曲线测试原理

    在器件两个管脚或线路两个结点之间注入一个一定幅度和频率的周期信号,形成一条电流随电压变化的关系曲线,即:VI曲线。VI曲线的形状由器件两个管脚或线路两个结点之间的特性阻抗所决定,例如:电阻两端形成的VI曲线是一条经过坐标原点的直线,普通二极管两端形成的VI曲线就是其PN结反向截止、正向导通特性的反映等。如图8.


 

<图8>

    
    测试仪对器件的端口特性测试是通过VI曲线测试(VI-Trace Test)实现的。器件故障通常会出现管脚之间阻抗特性的改变,通过比较好、坏电路板上相同结点之间的VI曲线是否一致,可发现故障器件。


⑴[VI曲线测试原理图]

    任何一条VI曲线都是两点之间特性阻抗的反映,所以在提取VI曲线时,都会有一个测试点和一个参考点。如图9.


 
<图9>


⑵[VI曲线测试的信息量和效率]

    采用万用表测量阻值一直是维修中的重要测试手段,VI曲线测试是该测试方法的延伸,在测试信息量和测试效率上都有质的提高。首先,万用表是在单一电压下完成测量,而VI曲线测试是在一个电压范围下采样形成VI曲线,可达到512点/周期。对于线性、非线性等器件,都可进行完整、直观的曲线描述,如线性区段、导通击穿、电容漏电等。其次,VI曲线的测试效率也是万用表无法比及的,以40管脚IC器件为例,如果每个管脚对其它所有管脚都进行一遍测试的话,需要测试1560次。这个工作量对于万用表来说是不可想象的,而完成VI曲线测试仅需要几秒钟。如图10.  


 
<图10>

⑶[VI曲线测试的重要性和优势]

    VI曲线测试是测试仪最基础的一项测试功能,具有不可替代性。当前各种各样的半导体器件层出不穷,测试库不可能涵盖所有器件。对于尚未建库的元器件,VI曲线测试是最为便捷的测试方式。可以不用事先编写复杂的测试程序,测试过程简单,而且有普遍适用性。无论器件处于在线状态还是离线状态,无论是何种封装形式,都可选用相应的IC测试夹、IC测试插座或测试表笔等进行测试。

    VI曲线测试也是一个直观发现器件参数故障的重要测试手段。例如:测试仪可以有效发现数字器件管脚漏电、输出管脚扇出能力下降等参数故障。上述参数故障通常只能离线测试,VI曲线测试的在线测试优势显然更有实用意义。


⑷[VI曲线测试的灵活运用]

    采用VI曲线测试时通常需要有好电路板(或好器件)进行对比测试,事先在电脑中建立标准VI曲线库,然后同故障电路板逐一对比。无法建立标准VI曲线库时,可采用灵活测试方式。例如:直接对比同一块电路板上具有对称结构的电路,直接对比单个IC器件同性质管脚(如各个地址端、数据端或输入端、输出端等)的VI曲线。测试诸如二极管、三极管、光耦、电容、可控硅等器件的VI曲线时也无须对比。 

 

⑸[VI曲线测试的局限性]

    VI曲线测试还存在一些难以克服的制约因素。例如:有些器件故障并没有反映在管脚端口上,有些功能相同但厂家不同的IC器件,VI曲线也会存在一定的差异。在线测试VI曲线时,个别器件故障会被线路结点之间所并联电容的VI曲线所掩盖等。


3.3测试仪其它主要功能简介

    以上简单介绍了数字IC器件在线功能测试和VI曲线测试,正达测试仪的测试功能还有很多,比如:由数字IC器件在线功能测试引申出来的数字IC型号识别和数字IC在线状态测试,由VI曲线测试引申出来的疑难器件离线特性测试及型号识别、以及对三极管、场管、光耦、可控硅等器件的三端器件直接测试等功能。正达测试仪还具有:运放、电压比较器、模拟开关、高压接口等器件的在线功能/状态测试以及部分输出参数测试、LSI测试、PLD测试、EPROM测试、AD/DA测试、稳压器件测试、任意方波发生、数据收发测试等,以及处理程序问题的强有力手段——超级反汇编功能。正达测试仪首创的交互测试平台功能更是器件直接功能测试的有力补充,只要被测器件能不倚赖外围电路独立工作,就可按照器件的功能方式设定测试步骤进行测试,摆脱了测试库对器件功能测试的限制。


4.国内电路测试仪的发展概况

    

4.1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。


4.2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。


4.3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。


4.4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。

    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。


5.测试仪带给维修生动变化

    传统维修是从电路板的功能出发,维修人员需要具备丰富的电路知识和分析能力。测试仪维修是从器件的功能出发,更注重维修人员的器件知识及测试经验。


5.1重新认识维修中的快与慢

    有人认为不从原理入手搞电路维修谈不上专业,效率不高。其实,通过原理入手适用于专修某类电路板,是在弄清原理后才快,忽略了研究原理所花费的时间。目前专业化电路维修公司已普遍采用测试仪。

    现代电路维修涉及类型广,时限要求高,凡事都从原理下手,不但费时,也不现实。特别是随着集成化程度越来越高,从器件入手比从原理入手方便得多,这正是现代电路维修观念改变的原因。


5.2测试仪改变传统维修形式

    面对一块集数字IC,模拟IC,分立元件、厚模电路、CPU等多种器件于一体的复杂电路板,可首先对测试库中存在的器件逐个测试,再用VI曲线测试分立元件以及复杂IC同性质管脚的特性,即可迅速直接发现故障点或缩小故障范围。

    如果有可供对照测试的好电路板,维修就变得更加简单。可直接对比测试好、坏电路板上器件的功能状态信息及VI曲线。对于一个功能非常复杂的IC器件,可离线将其添加到VI曲线疑难库中,简便有效地对其构筑专项测试。

    将电路分析转化为个体器件测试,测试目的、测试步骤、测试结论明确,相对降低对维修人员水平的要求,极大降低对复杂器件的测试成本,这一切正是测试仪带给维修的生动变化。


    任何仪器都难免其自身的局限性,当电路板上多数IC器件不存在于测试库中,VI曲线无明显规律可循,又没有好电路板可供对比测试,就进入了“测试仪的盲区”;当一个故障器件的端口特性没有发生任何改变,倘若仅以VI曲线测试结论为依据,就陷入了“测试仪的误区”。因此,测试仪绝不是万能的,也需综合分析故障,运用多种测试手段。

    

    令人欣慰的是:越来越多的维修人员充分认识到了测试仪在电路维修中的价值,在广泛的电路维修实践中积累了很多应用测试仪的宝贵经验,正达测试仪在电子、数控、制造、通信、医疗、教学、科研、石化、军工等领域中都有非常成功的应用范例。


    例如:总装备部北京航天城指挥测控中心、总装备部西昌卫星发射中心、航空部黎明航空发动机制造公司、信息产业部第20所、解放军总医院(301医院)、核工业部第九研究院、中石化兰州公司、兵器部北方重工集团、海军南海舰队湛江基地、无锡庆丰纺织集团、台湾新竹市辛耘企业公司、日本川铁株式会社……


    因为正达电路测试仪,电路维修从此变得充满乐趣并具有创造力。



谢谢收看!



2015年10月13日

※正达在线电路维修测试仪:详情请继续关注本网站《电路测试仪简介》和《主要机型》等内容

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