【正达在线电路维修测试仪系列论文】



从 "数字器件在线功能测试" 到 "数字器件动态性能测试"



摘要:【正达在线电路维修测试仪系列论文】数字器件(这里特指中/小规模固定逻辑集成电路)功能测试,是在线电路维修测试仪最基本的功能。历经几十年的积累发展,正达测试仪几乎可以对所有型号数字器件功能测试。早期电路测试仪的测试频率很低(50kHz以下),测试频率对数字器件功能测试的影响没有被充分认识。第三代ZD9610测试仪2000kHz测试频率广泛深入的应用实践,使数字器件功能测试跨入动态性能测试的新阶段,实现电路板精细化维修和元器件综合性筛选。


关键词:功能测试;2000kHz测试频率;动态性能测试;数字通道;器件库;第三状态


0.前言

    在线电路维修测试仪是当今电路板维修和元器件筛选的重要检测设备,是伴随数字集成电路和模拟集成电路的快速发展应运而生的。

    1980年代,数字集成电路大量涌现。国内许多电路维修人员在面对这一新生事物时,既陌生新奇又概念模糊,维修更是无所适从。

    1980年代末,来自新加坡的“创能”BW4040在线电路维修测试仪进入国内市场。其名称中的“在线”是指:测试时无须焊下电路板上的器件。其型号中的“4040”是指:该电路测试仪具有40路数字通道,40路VI曲线通道。“创能”电路测试仪将器件测试技术与电脑信息技术相结合,具有+5V数字器件库。不但可以维修电路板,甚至能够充当数字电路的教学仪器。

    面对电路测试仪的巨大优势,北京正达公司也积极研究与试制。历经几十年的积累发展,不断推出一代又一代的正达测试仪。当今新型正达测试仪的先进性也早已不可同日而语。

    数字通道数量和器件库大小是衡量在线电路维修测试仪性能和价值的重要指标。正达测试仪具有80路数字通道,具有最全的器件库,几乎囊括所有型号的数字器件。

    本文所说的数字器件,特指中/小规模固定逻辑(组合逻辑和时序逻辑)集成电路芯片。中/小规模是指每个芯片所包含的晶体管(BJT和FET)个数在100以内。对于电路测试仪来说,中/小规模数字器件还有一个更加通俗的特指,即:管脚数为:14pin,16pin,20pin,24pin,28pin的数字器件。见图1.


图1


    正达测试仪还可以测试大于40pin数字器件,大规模LSI集成电路,可编程逻辑器件,232系列等高压接口器件,并对数字器件型号识别。这些都不在本文的介绍范围。请详见《[图说]对大于40管脚数字器件功能测试》、《大于40管脚PLCC封装大规模LSI器件功能测试》、《可编程逻辑器件PLD功能测试》、《高压接口数字器件功能测试》以及《数字器件型号识别——在广度上和深度上的全面性技术跨越》等论文。


1.数字通道和隔离通道


1.1数字通道

    数字通道数量是衡量电路测试仪性能和价值的重要指标之一。决定了电路测试仪能够测试多少类型的数字器件,能够以什么样的方式测试数字器件。早期电路测试仪数字通道只有40路,还曾经出现过32路、28路和24路等规格。正达测试仪主要机型数字通道是80路。

    数字通道有几个显著特点:

    ①从测试排缆中输出,通过测试夹(或测试插座)施加于数字器件进行功能测试;

    ②每个通道都是均匀的。即:每个数字通道都能够施加信号/采集信号和作为被测器件电源管脚;

    ③可以向电路测试仪外/向电路测试仪内施加后驱动大电流,即在线后驱动电隔离技术;

    ④可以调整测试频率;

    ⑤可以设定测试阈值。

    总之:数字通道是通过扁平电缆输出的、直接用于数字器件功能测试的专用通道。


1.2隔离通道

    有时,当多个三态输出的数字器件(例如:74373数据锁存器)输出管脚直接连接在一起,即构成总线结构。电路板工作时总线器件的使能端由时序信号控制,不会发生总线竞争问题。但进行在线功能测试时,器件使能端不受控制,可能会出现多个总线器件同时处于输出状态。从而使被测器件受到其它总线器件干扰,始终无法通过测试。

    数字器件在线功能测试瞬间,测试仪的隔离端子会瞬时产生一个同步动态隔离信号。平常测试时并不会用到这个信号,因此容易将其忽略。如果测试中遇到连接成总线结构的被测器件并且确实存在总线干扰时,可以运用这个隔离信号屏蔽掉总线上其它器件的输出,以消除干扰。

    例如:有多个74373器件构成总线结构。在测试某个74373时,该器件总是无法通过测试。这时可以从隔离端子引线接到其它74373的管脚1,同步施加高信号。关闭其它74373的输出。因为管脚1是74373的使能端,当在使能端施加低电平时74373工作,施加高电平时74373输出被禁止。

    每个隔离端子可以引出多路隔离信号,施加在电路板不同位置上。由于三态输出数字器件的使能端多是低电平有效,所以早期电路测试仪的隔离端子能够同步产生高隔离信号就可以了。现在的测试仪为增强应用灵活性,隔离信号可以高/低设置。

    总之:隔离通道是通过隔离端子输出的、用于被测数字器件周围器件的辅助通道。罕有应用。


1.3一个带有误导性的说法

    新加坡“创能”BW4040在线电路维修测试仪进入国内市场后,其命名方法也成为一种约定俗成的规则,被广泛采用。型号4040代表:40路数字通道,40路VI曲线通道。这些通道全是通过扁平电缆输出。“创能”BW4080也是这种命名方式,即:40路数字通道,80路VI曲线通道。再如:过去正达测试仪中的ZD2828,ZD4040,ZD4080,ZD8080等型号,一看型号便知是什么样的硬件性能。

    曾经有一种电路测试仪,宣称具有48路数字通道。并将型号命名为4840和4880.实为:40路数字通道和8路隔离通道。所谓48路,是将扁平电缆输出的40路数字通道和隔离端子输出的8路隔离通道加在一起。令人费解的是:既然如此,电路测试仪还有2路端子输出的VI曲线探棒通道,这可是实实在在的VI曲线通道。那为什么不将型号命名为4842和4882?

    这样的型号命名有故意误导之嫌好像能够测试48管脚数字器件。数字通道和隔离通道有本质区别一般电路测试仪(包括早期“创能”BW4040和BW4080)都有隔离通道,并不会将数字通道和隔离通道混为一谈。一方面将40路数字通道和8路隔离通道笼统称为48路数字通道,一方面又大方地舍掉2路实实在在的VI曲线通道。看似令人费解,实则反映出对数字通道数量的在意,也更加说明了数字通道多寡对于电路测试仪的重要性。


2.测试夹和器件库

    数字器件在线功能测试,有两个关键词。其一:是“在线”。其二:是“功能”。之所以能够“在线”测试,在于采用测试夹。之所以能够“功能”测试,在于具有器件库。


2.1测试夹

    在《新型在线测试夹和多样离线测试板》一文中,详细介绍了正达测试仪丰富多样的在线测试夹和离线测试板。本文不再重复介绍测试夹种类规格等内容,着重介绍在使用环节中的一些问题。

    ①测试夹接触检查:采用测试夹(离线测试板上的芯片插座等同于测试夹)测试器件时,可能发生以下情况:1.测试夹和器件管脚没有接触好。2.由于被测器件管脚污垢、锈蚀或者三防漆未去除干净等造成与测试夹没有接触牢靠。见图2.如果发生上述情况,正达测试仪系统软件会自动提示出与测试夹没有接触好的器件管脚序号,从而保证测试的可靠性和安全性。


图2


    ②空管脚智能识别:有些数字器件存在空脚。例如:8输入与非门74LS30N(14管脚器件),其中管脚9,10,13是空脚。这会造成在测试过程中系统误以为这几个管脚与测试夹没有接触好,不启动测试并给出提示:管脚9,10,13没有接触好或为空脚。空管脚智能识别功能可以避免发生上述情况。对存在空脚的器件直接完成测试,不会将空脚误报为接触不好的管脚。

    ③测试夹自动定位:测试夹可以测试小于测试夹管脚的器件。可以正向夹取,反向夹取,左右错位夹取。例如:采用20pin测试夹可以测试20管脚/16管脚/14管脚的数字器件。如果遇到被测器件旁边有元器件阻挡时,可以灵活地左右移动测试夹。在测试过程中不用反复更换测试夹,极大地提高了测试效率。测试夹自动定位功能得益于每个数字通道都是均匀的。即:每个数字通道都能够施加信号/采集信号和作为被测器件电源管脚。


2.2器件库

    正达测试仪数字器件库:TTL74/54库,CMOS4000/4500/14000库,驱动器库,29000库,DRAM/SRAM库,8000/80000库,HD2500库,9000/90000库,3400/34000库,AMD2500库,+3.3V器件库,俄罗斯器件库,西门子器件库,淘汰器件替代库,>40管脚+5V器件库,>40管脚+3.3V器件库等。

    历经几十年的积累发展,正达测试仪具有全面的器件库,包含万余种几乎所有型号数字器件。每个器件功能测试程序都凝结着正达开发人员的心血。器件型号在国内外同业中最多。

    ①包括+5V和+3.3V器件:数字器件多为+5V供电,早期某些CMOS结构数字器件还支持+12V.现在逐渐形成主流+3.3V供电。电压趋低是数字器件明确的发展趋势,+3.3V器件库是衡量测试仪先进性的一个标志功能。正达测试仪+3.3V器件库包括数百种器件型号。例如:74LVT646,74LVTH2952等。另外还具有数百种>40管脚+3.3V器件库。例如:74ALVCH162820,74ALB16244等。

    ②包括TTL和CMOS器件:正达测试仪几乎囊括《器件手册》中的全部74系列和4000系列的数字器件。为了提高测试效率,对74系列和4000系列器件,在许多情况下只需输入功能代码。例如:测试74LS30N,只需输入7430.

    ③包括驱动器和存储器:正达测试仪驱动器库中包含近千种器件。其中:驱动器库中除了早期75系列外,还具有ULN2000/ULN2800/UDN/ULS等系列,并增加大量新型接口器件。例如:MAX3096,MAX481CUA等。考虑到驱动器的特殊性,额外增设驱动器阈值。DRAM/SRAM存储器包含几千种器件。对DRAM/SRAM存储器支持快速测试和完全测试。


3.数字器件在线功能测试

    数字器件在线功能测试,英文简称:ICFT(In-Circuit Functional Test),是电路测试仪基础的测试功能。ICFT测试的基本测试原理是:测试仪对被测数字器件相关输入管脚施加测试代码,并取回其输出管脚的实际响应代码,将实际响应代码与理论计算值进行比较,从而判断被测数字器件逻辑功能是否正常。

    ICFT测试涉及后驱动电隔离技术、测试信号自动补偿技术和对输出管脚自动施加上拉电阻等几项专项技术。本文不做具体介绍。请详见论文《电路测试仪入门介绍》一文。


3.1数字器件功能测试软件设置

    ①电路板文件:用于电路板在线状态测试建立板文件库。建立/选择“维修库”。

    ②设置关联电路板图/显示隐藏电路板图:关联/显示“维修库”电路板照片。

    ③器件位置编号:建立“维修库”中器件位置编号。

    ④器件管脚数:用于器件型号识别和在线学习未知器件。

    ⑤测试阈值:对逻辑0和逻辑1的规定。设有自动默认阈值,紧/松两档。还可以自定义设置。

    ⑥器件测试频率:支持2000kHz测试频率。用于测试数字器件的动态性能。

    ⑦工作模式:分为“离线功能测试”和“在线功能测试”两种模式。

    ⑧选择器件库:选择器件库类型。

    ⑨选择测试器件:输入/选择器件型号。

    其他说明:测试电源程序控制,在测试数字器件时瞬间自动施加。


3.2数字器件在线功能测试实例

    以在线测试“HD74LS74AP”为例。HD74LS74AP是双D型触发器,时序逻辑数字器件。

    对电路板施加+5V测试电源,连接测试电缆,放置测试夹。选择“TTL器件库”,输入“7474”型号,选择“在线功能测试”项,选择“TTL紧”阈值,选择“1200kHz测试频率”。见图3.


图3


    按“开始测试”按钮。见图4.+5V测试电源在测试瞬间自动施加。


图4


    ①功能结果:管脚14在电路板上接+5V电源,管脚8接地;L下标相同的管脚在实际电路板上相互连接(管脚5和管脚12连接)。7474功能测试正确。

    ②测试波形:黑色波形为施加的测试信号,绿色波形为实测输出信号(绿色虚框为介于高/低电平之间的状态),红色波形为测试系统理论计算值。从7474测试波形可见,实测输出信号和理论计算值完全相符。

    ③电子辞典:按“观察器件逻辑图”可以查看所测器件逻辑功能图。7474逻辑图见图5.提供逻辑表达式/内部图/功能表等信息。


图5


    ④其它说明:在线测试集电极开路输出器件(O.C门器件)时,如果某个输出管脚在电路板上没有上拉电阻(或者等效的上拉电阻),测试系统会做出相应提示,并自动模拟施加上拉电阻完成测试。当测试+3.3V数字器件时,应选择3.3V器件库。必须输入或选择被测器件完整型号。例如:必须输入74LVX245.不能简写为74245.必须施加+3.3V测试电源。即使电源施加错误也无法启动测试。


3.3测试信号自动补偿技术实例

    数字器件功能测试程序虽然主要以器件离线状态为基准编写,但在编程过程中,必须也要兼顾在线测试。在线情况下,通常数字器件输入管脚可能接地、接电源或者相互连接,在线逻辑功能有时与离线逻辑功能不一致(例如:与非门输入管脚连接在一起后会变成一个反相器)。以及发生所施加测试信号和器件在测试中产生的输出信号发生相互干扰。为正确完成在线功能测试,正达测试仪会根据被测器件在线管脚状态,通过软件仿真器修正基准测试程序。最后将修正后的测试信号施加给被测器件。

    回到上述在线测试“HD74LS74AP”实例。从图4实测连接图可见:被测7474管脚5和管脚12在线连接。从图5器件逻辑图可见:管脚5是7474内部第一个触发器的输出管脚,管脚12是7474内部第二个触发器的输入管脚。存在第一个触发器测试输出信号干扰第二个触发器测试施加信号的情况。正达测试仪可以适应各种复杂管脚连接状态,确保正确完成在线功能测试。


3.4数字器件离线功能测试

    ①以离线测试双列直插宽体器件DM74LS154N为例。方法:正确连接离线测试板。将器件有缺口的一端朝向锁紧插座手柄端(顶边)方向,并以顶边对齐放置。依照提示打开电源管脚、接地管脚对应的拨码开关并连接测试电源。选择“TTL器件库”,输入“74154”型号,选择“离线功能测试”项,选择“TTL紧”阈值。其它步骤与在线测试相同。见图6.


图6


    ②只要能够在线测试,必然可以离线测试。离线测试没有在线因素影响,测试结论准确可靠。数字器件离线功能测试相对简单,本文不过多介绍。


3.5数字器件双板功能测试

    数字器件双板功能测试,英文简称:ICFT_Double(In-Circuit Functional Test Double),是ICFT测试的重要补充。直接对比测试两块电路板上相同位置数字器件的各个管脚状态、自身连接状态、实际输出状态等,不依靠理论计算值。同时测试两块电路板,测试效率成倍提高。

    由于中小规模数字器件有24pin和28pin器件,以及兼顾测试40pin的大规模LSI器件,ICFT_Double测试要求数字通道必须达到80路。

    ①给被测板供电:同时给两块电路板施加测试电源。2组测试电源在测试瞬间自动施加。

    ②测试夹的连接:1号电缆插座连接测试夹1,夹在一个电路板的被测器件上。2号电缆插座连接测试夹2,夹在另一个电路板相同位置的器件上。

    ③选择相应器件库并输入被测器件的型号。选择适当的测试频率。即以所能通过测试的最高试频率为标准,特别有利于快速测试数字器件的动态性能。

    以在1800kHz测试频率下快速测试两块电路板上相同位置HD74LS373P为例。HD74LS74AP是八D型数据锁存器,时序逻辑数字器件。前文“1.2隔离通道”曾提到过这种带使能端的三态输出器件。双板功能测试直接对比测试夹1和测试夹2的连接状态和输出结果。见图7.


图7


    顺便提一下:并非测试带使能端的三态输出器件就必须要用到隔离通道。也并非多个三态输出器件一旦构成总线结构就一定不能通过功能测试,必须要用到隔离通道。隔离通道罕有应用。


3.6故障器件在线功能测试实例

    以在线测试“SN74LS244N”为例。SN74LS244N是8路驱动器,组合逻辑数字器件。

    对电路板施加+5V测试电源,连接测试电缆,放置测试夹。选择“TTL器件库”,输入“74244”型号,选择“在线功能测试”项,选择“TTL紧”阈值,选择“1800kHz测试频率”。  SN74LS244N无法通过功能测试。选择“TTL松”阈值。测试频率降至1kHz.SN74LS244N依旧无法通过功能测试。通过测试波形可见:SN74LS244N的管脚12输出故障,呈现高阻状态。见图8.


图8


    功能故障的数字器件,已经不单单是动态性能的问题了。无论怎样降低测试频率,也无法通过功能测试。


4.数字器件在线状态测试

    数字器件在线状态测试,英文简称:ICST(In-Circuit State Test),是电路测试仪ICFT测试的重要补充。在电路测试仪中,凡是在线功能测试项,必然会辅之以在线状态测试。


4.1数字器件在线状态测试作用

    由于在线因素影响,某些功能完好数字器件的测试输出可能会同理论值存在一定差异。同时,由于后驱动电隔离技术和自动补偿技术可以克服电路板上数字器件的复杂连接关系,这势必会造成出现连接关系问题的被测器件(例如:某器件管脚出现短路问题或者本该存在自身连接的管脚之间断线)也可以顺利通过在线功能测试。

    上述问题的解决办法是:事先从好电路板上学习并记录各个数字器件的在线状态,包括:器件各个管脚状态、自身连接状态、实际输出状态等,建立电路样板维修库,以便对故障电路板上相同位置数字器件的在线状态进行对比测试。特别适用于批量维修同种类型的电路板,以及测试同一块电路板上具有对称布局排列的数字器件。

    建立电路样板维修库时,电路板和元器件的照片也可以关联建库。图像建库便于检索维修库,可以直观对应测试。请详见论文《电路板图像建库和元器件图像建库》一文。


4.2数字器件在线状态测试实例

    以对某设备上的2号驱动电路板建立维修库(仅学习其中一片SN74LS244N器件),进行ICST测试为例。

    在线施加+5V测试电源,连接测试电缆并放置好测试夹。建立“驱动电路板-02”板文件,输入器件位置编号U1,选择“TTL器件库”,输入“74244”型号,选择“TTL紧”阈值,选择“在线学习已知器件”项,选择“1800kHz测试频率”。见图9.按“开始学习”建立维修库。


图9


    建立维修库后,可以关联电路板的照片。选择“在线比较所学器件”项,电路板图片作为测试背景呈现。测试窗口可以移动收放,电路板图像完整高清显示,直观爽朗。转动鼠标滚轮时,维修库文件名对应的电路板图像背景也随之不断变换。可以直接通过图像定位维修库,无须查找维修库文件名。见图10.


图10


    选择“驱动电路板-02”板文件,选中“U1/74244”器件编号和型号,按“开始比较”测试。测试结果:比较被测器件和已学器件各个管脚状态、自身连接状态、实际输出状态等。见图11.


图11


    注意:测试波形中的红色标准值并不是测试系统的理论计算值,而是已学器件的实际输出值。ICST测试无论已学器件实际输出值是否与理论计算值相符,均以其作为测试标准。


5.数字器件动态性能测试


5.1数字器件功能测试中的第三状态

    在之前数字器件功能测试实例中,经常提到测试频率。测试频率有时就像是一个数字器件内在标签一样,标定这个器件的个体属性。

    早期电路测试仪的测试频率很低,一般在50kHz以下,改变测试频率对数字器件功能测试结果不会产生任何影响。数字器件功能测试结果只存在两种状态:

    1.能够通过功能测试(器件功能基本正确)。

    2.不能通过功能测试(器件功能基本故障)。

    如果大幅度提高数字器件功能测试的测试频率,器件是否依然能够通过功能测试,输出正确的测试结果?

    第三代ZD9610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)。


5.2跨入数字器件动态性能测试阶段

    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。见图12.


图12


    怎样能够区分出数字器件的工作速度,怎样能够判断数字器件动态性能差异?提高功能测试过程中的测试频率是最为行之有效的方法。两个一模一样(同型号/同厂家)的数字器件,能够通过功能测试的测试频率越高,综合性能越好。

    集成电路工作速度下降,是器件综合性能下降的集中体现。各种器件参数故障都会表现为集成电路工作速度下降。包括:器件单纯性的工作速度下降,器件其它参数故障引起的工作速度下降等。

    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。

    第三状态的验证表明:器件对高频测试信号的正确响应能力与自身工作频率相对应。即:器件工作频率越高,速度越快,所能通过功能测试的测试频率也越高。因此,第三状态的出现能够反映出器件的实际工作速度情况。相同功能型号的器件,如果能够通过功能测试的测试频率越高,则其速度越快,其性能越好。反之,能够通过功能测试的测试频率越低,则其速度越慢,其性能也就越差。

    基于第三状态的特点,现已形成独立的测试形式。英文简称:TST(Third State Test).成为简单有效的疑难故障解决方案。

    应用第三状态TST方案,能够测试器件对高频测试信号的正确响应能力,测试器件动态性能。区分器件工作速度,区分器件动态性能差异。

    应用第三状态TST方案,器件过去不为人知的一面呈现出来,使电路板精细化维修和元器件综合性筛选成为一种可能。


5.3对动态性能测试效果进行验证

    关于数字器件对高频测试信号的正确响应能力与器件工作频率之间的关系,第三代ZD9610测试仪做过大量科学验证。验证是在相同条件下进行。例如,所有测试始终采用同一条测试电缆、同一个测试插座。对同功能数字器件采用同一个测试程序,施加的测试信号完全相同。大量验证结果表明:在高频测试环境下的功能测试与数字器件工作频率之间存在密切联系。即:器件速度越快,测试频率越高。

    以下几种相同功能数字器件的第三状态不同,对比《器件手册》中给出的工作频率,发现存在明确的对应关系。

    CD4050BCN     (仙童公司) 1000kHz,     CD4050BE(TI公司)500kHz;

    74HC4066N  (Philips公司) 2000kHz,     CD4066BE(TI公司)500kHz;

    MC74HC4538(Motorola公司) 1800kHz,    CD14538BE(TI公司)500kHz;

   其中:第一个CD4050这个验证实例最为典型。两个器件型号完全一样,功能完全一样,外观封装完全一样,只是生产厂家不同。见图13.对比《器件手册》中给出的工作频率,仙童公司CD4050工作频率要明显高于TI公司的CD4050,和两者的第三状态相符。

   不同功能器件的测试程序完全不同,因此比较第三状态没有意义。例如:CD4050BCN和74HC4066N功能不同,测试程序也不相同,所以两者之间比较第三状态没有意义。


图13


    第三状态的效果验证,选取器件种类多,时间周期跨度长。从第三代ZD9610测试仪试验样机算起至今,对数百种类型数字器件/模拟器件做过验证,未曾间断。验证结论明确,经得起反复验证。第三状态就像是器件内在标签一样,标定这个器件的个体属性。


6.电路板精细化维修和元器件综合性筛选


6.1告别电路板/元器件粗放式检测


    ①电路板维修

    早期电路测试仪由于测试频率很低,不存在第三状态。对于综合性能下降、而又没有丧失基本功能的器件不具备精确测试能力。在低频测试环境下,动态性能不佳的器件也可以通过功能测试,无法反映出不同器件之间的动态性能差异。VI曲线测试不属于功能测试,与器件频率特性无关,也不具备精确测试能力。

    第三代ZD9610测试仪应用第三状态TST方案,能够测试器件的综合性能。单纯的工作速度下降和器件其它参数故障引起的工作速度下降等都会通过第三状态反映出来,从而开展电路板精细化维修。

    在实际维修中经常遇到动态性能大幅下降的数字器件。曾经在线测试一片SN74LS244N,测试频率明显异常。拆下来进行离线功能测试,其能够通过功能测试的最高测试频率仅为800kHz.即:第三状态出现在800kHz以上。而全新SN74LS244N的第三状态出现在1800kHz以上。测试这片SN74LS244N的VI曲线,丝毫看不出问题。

   对于电路板维修层面来说,即使开展精细化维修,也不必深究这片SN74LS244N具体是哪一个或者哪几个参数下降引起的问题。因为这片SN74LS244N速度下降如此之大就已经足够说明问题。


    ②元器件检测

    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。

    一般电路测试仪无法实现对电路板精细化维修和元器件精细化筛选。采用VI曲线测试不但不属于功能测试,也不涉及器件的频率特性。唯有新一代正达测试仪,才功能实现电路板精细化维修和元器件精细化筛选。


6.2元器件综合性筛选实例

    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。翻新器件多数功能正常,器件管脚阻抗特性无变化。因此无法通过VI曲线测试发现。但翻新数字器件的综合性能会下降,动态性能不佳。应用第三状态TST方案,能够甄别翻新器件。

    检测实例:DM74LS154N是24管脚4-16线译码器。见前文3.4数字器件离线功能测试中的图6.

    DM74LS154N曾经广泛应用,现已停产多年。目前在市场上出售的几乎全是翻新器件,全新DM74LS154N凤毛麟角。正达公司采用过这种器件,尚有一些库存。单从外观上看,翻新  DM74LS154N外形/型号/厂家/标识与全新器件完全相同,很难甄别。采用VI曲线进行新旧器件对比测试,看不出丝毫差异。

    下图是一个翻新DM74LS154N译码器和全新器件以对地参考形式进行VI曲线对比测试。见图14.可见:各个管脚的VI曲线对比结果完全一致。

    说明:每个管脚VI曲线对比结果完全重合。红线(当前所测翻新器件VI曲线)和蓝线(事先已学全新器件VI曲线)重合混为一体,最大误差0.2%.管脚12为DM74LS154N接地管脚,VI曲线呈现对地垂直短路形状。管脚24为电源管脚(在下一屏),VI曲线形状特殊。


图14


    应用第三状态TST方案,全新DM74LS154N的第三状态出现在1800kHz以上,翻新DM74LS154N第三状态出现在1500kHz以下,区别明显。翻新DM74LS154N无法在1800kHz测试频率时通过功能测试。见图15.


图15


    说明:在测试波形图中,黑色波形为施加的1800kHz测试信号,绿色波形为翻新DM74LS154N实测输出信号(绿色虚框为介于高/低电平之间的状态),红色波形为全新DM74LS154N在  1800kHz测试信号下事先建立的标准输出。从测试波形图中可以看出,翻新器件的速度明显慢于全新器件。

    如果原先设备上必须用到DM74LS154N器件,通过提高测试频率,能够甄别DM74LS154N器件的新旧性质。即便只能买到翻新器件,亦可劣中选优。

    倘若仅仅只是在低频测试环境下进行器件功能测试,例如:测试频率10kHz,全新和翻新DM74LS154N器件必然都能够通过功能测试,不会出现第三状态。采用VI曲线测试也不会发现任何差异,因此也就无法甄别DM74LS154N器件的新旧性质。


7.器件功能测试与VI曲线测试

    前文提到:电路测试仪有VI曲线通道,可以进行VI曲线测试。VI曲线测试是针对器件管脚阻抗特性测试,类似于万用表的阻抗测试。VI曲线测试无须按照器件功能编写测试程序,简单灵活,适用范围大。VI曲线测试通常必须好坏器件对比测试,对测试结果的人为主观判断因素比较多。

    VI曲线测试不属于功能测试,与器件频率特性无关,无法检测器件动态性能。VI曲线更适合发现器件严重故障。但是还是有不少器件即使发生严重故障,管脚阻抗特性也没有改变,采用VI曲线测试也发现不了。

    下面这个比喻特别能够反映器件功能测试与VI曲线测试两者之间的关系。

    旅游部门评定酒店。A城市评定方法:只对酒店做外观观察。若某酒店门窗破损外墙皮脱落,一定不是好酒店。若某酒店门窗完好外墙干净,应该是好酒店。通过改进观察技术,发现某酒店一块玻璃上存在一小块灰尘,或许不是好酒店。B城市评定方法:除了外观观察之外,一定要进入酒店内部。检查酒店的软硬件设施和服务运转情况。

    A城市的评定方法简单便捷。有合理性,也有盲目性。就如同使用电路测试仪对器件进行VI曲线测试。B城市的评定方法科学准确,结论可靠。就如同使用电路测试仪对器件进行功能测试。

    所以,很多人一直在问一台电路测试仪的器件库有多少?能够测试多少种类的元器件?关心的正是器件功能测试。


8.结语

    数字器件在线功能测试能够迅速压缩电路板故障范围,将能够通过测试的器件排除在故障之外。它始终是电路测试仪最重要、最基础的测试功能。发展至今,技术成熟,器件库齐全。纵观电路测试仪的发展历程,几乎每一步都是以数字器件功能测试作为基础,着力解决数字器件功能测试问题和数字器件型号识别问题。

    随着第三代ZD9610测试仪2000kHz测试频率的广泛应用,数字器件功能测试已跨入数字器件动态性能测试阶段,实现电路板精细化维修和元器件综合性筛选。

2017年10月05日

正达系列故障电路板检测仪:可编程逻辑器件PLD功能测试
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