|
ASA（VI曲線）測試技術及其實現
北京天惠維測電子公司 總工程師 韓熔
ASA(VI曲線)測試是電路在線維修測試儀上最重要的測試功能之一。本文簡單的介紹了ASA測試的原理。主要圍繞著故障檢出率、測試可靠性、使用效率等方面，介紹了如何在電路維修測試儀上高水平地實現ASA測試技術。本文對評價在線維修測試儀產品、更好的掌握此項測試技術，有較大參考價值。
一、 ASA測試應用特點
Analog Signature Analysis(模擬特征分析)是一種廣泛用于電子電路板的故障檢測技術。具有以下應用特點：
1．不涉及電路原理，無需電路處于工作狀態，所以可用于沒有圖紙資料，脫離設備（無需聯機檢測）的電路板的故障檢測；
2． 不需給電路板加電，相對更安全；
3． 不涉及電路板上器件的功能，所以無論電路由什么類型的器件組成，數字的、模擬的、數模混合的、功能已知的、未知的（如專用、可編程）等等，均可測試；
4． 它是逐電路結點（器件管腳）進行測試的，基本上不受電路板上元器件封裝的限制。
由于單個器件可以看成最簡單的電路板電路，所以ASA技術也能夠用于檢測大規模、復雜或功能未知集成器件的好壞。事實上，由于條件所限， ASA是許多用戶檢測此類器件的唯一辦法。另外，ASA用于檢測分立元件功能好壞時，也有方便、直觀等特點。
二、 ASA基本測試原理
就基本檢測原理而言，ASA測試可以看成萬用表檢測法的自然延伸。
對于無圖紙電路板，最常用的故障檢測方法是這樣的：先用萬用表測出好電路板上器件管腳（實際是電路結點）對地電阻；然后與故障電路板上相應器件管腳的對地電阻進行比較，根據差異大小來判斷該結點上有無故障。由結點到具體元器件需要人工確定。這種方法簡單、易用且有效，許多人都用這種辦法修好過復雜、昂貴的電路板。
影響這種辦法的故障檢出率的主要原因是,萬用表只能檢測在1.5V（萬用表電池電壓）下的電阻，而半導體器件引腳的對地電阻隨電壓變化——不同電壓下的電阻未必相同。比如，某TTL器件管腳在2.5V有軟擊穿,產生較大漏流。這樣的故障就不能被檢測出來。
設想你有幾十、或上百塊萬用表，每塊表的電池電壓都不一樣——電壓范圍包括了器件的工作電壓。對每一個管腳，都用這些表全部測試、對照一遍，這樣，上面所說的故障就會被檢測出來了。這就是ASA測試原理——在一個電壓區間內、而不只是一個電壓點下進行比較。
三、 基本ASA測試的實現方法
用測試儀產生一個變化的電壓信號加在被測試對象上，同時記錄不同電壓下的電流。把隨電壓變化的電流在電壓-電流座標系上表示出來，得到一條阻抗曲線。使用者通過比較好、壞電路板相應結點的阻抗曲線的形狀差異，達到故障檢測的目的。
理論表明，使用以正弦規律變化的電壓信號（正弦波）的測試效果最好。事實也是如此，無論進口的、還是國產的此類測試儀，都用正弦波作為ASA測試的主要測試信號。
現在市場上的此類測試儀產品都和微機配合使用。測試儀產生正弦波測試信號；微機在專用測試軟件控制下，接受用戶指令、實現測試算法、按用戶的要求控制測試儀施加測試信號、顯示測試結果、存儲測試數據。
下面從用戶的實際使用要求出發，對如何得到方便、高效、實用的ASA測試功能，進行一些討論。
四、 關于配接微機
微機軟硬件的更新很快。從當前微機技術以及發展來看，測試儀的軟硬件主要應該解決以下兩個問題：
1． 測試軟件應支持主流操作系統版本
自Win98后，Windows操作系統對外部設備的管理機制作了很大改動，使得Win98上的測試程序，不能自動升級到其后的系統版本上運行。鑒于Win98及以下的操作系統很快會完全退出使用，如果測試軟件不能支持主流的操作系統版本，比如Windows XP,將會給用戶以后使用帶來麻煩。
2． 測試儀最好支持USB口
早期的測試儀采用在計算機內插卡的方式實現和計算機的配接。由于這種方式缺點較多，又轉用并口（打印口）配接。但近年來更加先進的USB口得到了迅速普及。USB口速度快、更安全（允許帶電插拔），會給用戶的使用帶來很大方便。另外，目前市場上帶并口的筆記本電腦已經十分少見，并口在臺式機上也許會很快消失——常用計算機外設，如打印機、掃描儀、數碼產品都是USB口了。如果測試儀不支持USB口，會影響用戶微機的換代更新。
五、 關于測試信號
對任何一種電子儀器，測試信號都是構成整個測試功能的基礎。它的質量，基本決定著測試質量。
關于主測試信號——正弦波：
1． 幅度（峰-峰值）
為了保證測試效果，同時又不至于損傷被測器件，正弦幅度應大于被測器件引腳的實際工作電壓，小于極限電壓。由于不同元器件所需電壓值不同，這就要求測試儀輸出的正弦波幅度可調。
顯然，可調的范圍越寬、允許調整的步距越小（分檔越多）越好。目前市場上多數測試儀的設置為±4V、±8V、±18V、±28V等幾個擋，基本滿足大部分電子電路板、電子元器件的檢測要求。匯能測試儀的電壓幅度從±1V--±28V，以0.5V步距可調，也就是分成了五十多個檔。
2． 最大輸出（短路）電流
將正弦波短路后所能流出的最大電流叫做最大輸出電流：
最大輸出電流=等于正弦峰值/輸出電阻
目前多數國產測試儀的最大輸出電流在十幾毫安到二、三十毫安。據我們的經驗，這適用于測試一般集成電路，比如74系列器件。如果考慮到測試功率更大一些的集成器件、大電容（上萬微法）、大功率三極管等，最大輸出電流應該更大一些。匯能測試儀的最大輸出電流可達150mA。
3． 頻率范圍
頻率范圍越寬，越能更好地適應對容性、感性結點的測試。比如，對一、兩萬微法的電容，用匯能測試儀都能測出它的有效ASA曲線——從曲線上可以明顯看出是否漏電、容量是否夠。
4． 波形保真度（或失真度）
指實際產生的正弦波與理想正弦波的形狀差異。非直流結點的ASA曲線形狀不僅與頻率相關，也與波形的形狀相關。比如，電容的ASA曲線只在正弦波下是橢圓。
5． 關于正弦波產生中的問題
由于ASA測試通過曲線形狀來判斷故障，所以測試結果的一致性、可重復性十分重要。測試結果的一致性、可重復性由測試信號的穩定性保證。
目前市場上有的國產測試儀產生的測試信號，會隨配接微機的速度、以及Windows操作系統的分時性而變。
比如，可這樣觀察Windows分時性對信號的影響：保持測試儀連續輸出測試信號，用示波器持續觀察，然后打開一個需要系統資源較多的任務，比如播放音樂，馬上看到信號的形狀完全變樣；更簡單的辦法是測一個電容，比較播放音樂前后測到的ASA曲線即可發現。
其實，即使沒有打開用戶任務，也會有一些系統任務在后臺不時運行著，同樣會干擾測試。觀察的時間稍微長一點就會發現。
這種情況多數是測試儀硬件設計的過于簡單——測試儀沒有獨立的定時電路，測試信號的形狀和頻率發生了變化。
匯能測試儀的測試一致性很好。經軍方有關單位檢測，它生成的測試信號的頻率準確度、波形失真度小于2%，并不隨外部條件變化。
關于輔助測試信號——脈沖：
引入脈沖輔助測試信號，是為了使ASA測試能夠很好地用于三端器件的測試。閘流管、MOS三極管、甚至繼電器、電壓調節器等都可以看成三端器件。
以閘流管為例。僅在它的陽極和陰極之間加ASA測試信號，只能發現兩極之間是否短路、或有漏流，不能發現開路、或導通不良的故障。引入一個脈沖信號加在閘流管的控制極，控制管子在ASA測試期間出現導通、截止兩種狀態，就能對閘流管進行較為全面的檢測。
不同的三端器件需要不同的控制方式。控制方式實際就是正弦波如何和脈沖匹配（同步）。
有的測試儀產品沒有脈沖輔助測試信號。有的測試儀產品實現的比較簡單。比如有一種國產測試儀上的三端測試信號實際上只是一個大小可設的直流電平，在ASA測試期間無變化，始終存在。
為了滿足各種三端器件的不同測試要求，匯能測試儀上設置了八種脈沖和正弦波的匹配方式。相對于正弦波來說，脈沖的起始、結束位置；寬度、高度均可調整；支持單向觸發、雙向觸發。詳細情況請參閱有關產品說明。
六、 提高基本ASA測試的故障檢出率
1．單端口vs多端口測試
所謂的單端口測試，通常指所有的電路結點（器件管腳）分別與電路板的“地”組成一個個的端口，ASA測試信號總是加在這些端口上進行測試。比如，在單端口的方式下，對一個有N個腳的器件，總共處理N條曲線。
但在使用中人們發現，有時候器件的兩個管腳分別對地的曲線沒有大的變化，但兩個管腳之間的曲線變化很大，這種情況仍然屬于器件故障，為了解決此類問題，發展了多端口測試方式。
所謂的多端口測試，是指對一個器件的任何兩個管腳組成的端口，都要進行ASA測試。這樣對一個有N個管腳的器件，最多處理NxN條曲線。
在匯能測試儀上，對多端口還分了三種情況考慮：
a．多端口對稱：
當處理了2腳對3腳組成的端口后，如果還要處理3腳對2腳組成的端口，就叫做對稱方式，否則稱為非對稱方式。這類似于用萬用表，要不要調轉表棒再測一次。
由于ASA使用正、負對稱的交流測試信號，多數情況下，對同一端口調轉信號后測到的曲線和原曲線是對稱的，也就是說不能提供更多的故障信息。采用對稱方式更多是為了方便分析故障。不過也存在不對稱情況。
b．非對稱含參考腳：
c．非對稱不含參考腳：
所謂含參考腳指要測試1腳對1腳、2腳對2腳、......N腳對N腳組成的端口。這種端口測到的一定是條短路曲線，否則，可能存在其它問題，以該腳為基準測到的曲線不可信。就是說，含參考腳有利于提高測試可靠性。
2．自動、手動曲線靈敏度選擇
ASA測試是依據兩條曲線的形狀差異來檢測故障的，但是，測試數據的差異與把數據以曲線顯示出來后，曲線之間的差異并不是一回事。用機械式萬用表打個比方。指針越接近中央位置，同樣大小的阻值變化引起的指針擺幅越大，也就是指針位置關于故障的靈敏度越高。
對于ASA曲線可以證明，在電壓—電流坐標下（VI曲線），曲線的整體走勢越接近45度，對故障的靈敏程度越高；如果測試曲線是一個封閉圖形，如電容，曲線包圍的面積越大，對故障的靈敏度越高。
影響曲線走勢主要是測試信號的輸出電阻。當選擇的電阻值越接近被測結點的等效電阻值時，得到的曲線靈敏度越高。
匯能測試儀允許對任意一條曲線人工修改測試參數后重測。該特點可用于手工調整曲線靈敏度。但這種辦法不僅麻煩——當曲線很多時很難逐一觀察、調整，而且很多情況下，也很難直觀判斷什么樣的曲線靈敏度更高一些。匯能測試儀具有自動計算曲線的靈敏度，自動選擇靈敏度較高的曲線的功能。這稱為ASA曲線靈敏度自動調整。
3． 按端口設置測試參數
并非同一個器件的所有管腳都適用于同樣的測試參數。舉個典型的例子：集電極開路器件的輸出往往耐壓較高，用于驅動數碼管、繼電器等，而輸入都是標準電平，所以對于輸出、輸入的測試信號的幅度應該不同，才能達到全面檢測的目的。
匯能測試儀有普通設置和特殊設置兩個設置窗口。普通設置對所有的端口有效，而在特殊設置中可對少數特殊端口進行重設。特殊設置的優先級別高于普通設置。
在完成測試后，如果對測試結果不滿意，還可以用鼠標選中不滿意的曲線，打開該曲線的設置窗口，重設后重測該曲線。
七、 提高測試可靠性
測試可靠性指測試儀能夠識別出可能導致誤判的ASA曲線。
1．接觸問題
在大多數情況下，端口之間不是開路的狀態，但又不能完全排除這種情況。測到開路曲線的十分可能的原因是，器件管腳氧化、防銹涂層未打磨干凈、測試探頭磨損等原因導致的接觸不良，所以在實際使用中，一旦發現開路曲線，都要進行確認——檢查、處理，然后重測，以免得到虛假曲線。但當一次測試要處理成百上千條曲線時，依靠人工來找出開路曲線很不現實，因此，匯能測試儀設有判開路曲線的功能，在所有測到的曲線中，只要存在開路曲線，就給出提示信息，用戶可以根據提示很容易找到它的所在。
2．曲線穩定性問題判穩定（過渡過程、mos器件、自激）
由于被測電路本身的原因，導致在同樣的測試條件下，每次測到的曲線都不相同稱之為曲線不穩定。由于ASA測試依靠曲線的重合度來發現故障，顯然，不穩定曲線很容易導致誤判，這要求測試儀能夠識別并提示不穩定曲線。
經過長期實踐，發現導致不穩定曲線的原因主要有以下三種：
a．自激導致的不穩定
產生自激的原因很好理解。電路結點的電特征千差萬別，ASA測試將一個正弦波注入電路結點，某個結點的電特征正好在這個頻率下引起自激是完全可能的。其實這也是ASA測試使用正弦波作為測試信號的原因——正弦波的諧波分量最少，導致自激的可能性最小。
自激曲線的現象是大面積散點，并且沒有最終的穩定狀態。更換測試信號頻率即可消除自激。
b．過渡過程導致的不穩定
當結點的沖、放電常數相差較大時所導致。這種曲線的現象是當反復測試時，曲線逐步向一個穩定狀態靠近，有一個最終的穩定狀態。
c．測試MOS器件時的不穩定
前兩種不穩定主要發生在電路板測試時，而這種不穩定主要發生在測試單獨的MOS器件時。導致這種不穩定的原因是器件中的MOS晶體管隨測試信號的不同開關過程。
這種不穩定的曲線的現象是曲線上下跳，似乎是兩條穩定曲線輪流出現一樣。測試時只要把器件的電源腳和地腳都接地就可消除。當然，在多端口測試方式下更難處理一些。
盡管對于每種不穩定現象都有解釋和解決的辦法，在使用中最重要的問題是要能夠發現不穩定曲線，提示用戶去處理。匯能測試儀已經解決了這個問題。只要在所有測試到的曲線中有一條是不穩定曲線，就會給出提示，用戶可以根據提示很容易找到它的所在。
八、 改善人-機界面和使用效率
1．測試結果索引方式
當一次處理成百上千條曲線的時候，能否實現快速檢索就會嚴重影響使用效率。使用中主要有以下三種檢索要求：
a．迅速找到有問題的曲線，比如：開路、不穩定、超差曲線；
b．迅速找到某個端口的曲線；
c．迅速找到某個曲線所屬的端口。
匯能測試儀對此作了精心設計，采取了以下措施：
a．將全部曲線分頁。如果是單端口測試，所有曲線安排成一頁；如果是多端口測試，與第一腳組成的端口的曲線為第一頁，與第二腳組成的端口曲線為第二頁等等。支持用戶向上、向下翻頁；
b．設置了總提示和頁提示。如果所有頁的曲線中有一根異常曲線，總提示就會給出有錯的提示信息；如果錯誤在當前頁，則會同時給出當前頁有異常曲線的提示，這樣，用戶利用上、下翻頁功能，能夠很快找到有錯誤的頁；
c．在每一頁當中，在學習曲線時，會自動將異常曲線排列在前面，當然，也可以選擇按管腳順序排列曲線；在進行曲線比較時，則會自動將誤差較大的比較結果排在前面，也就是支持按誤差遞減的排列順序，當然也可以選擇按誤差遞增的順序、管腳順序排列曲線；
d．當頁數很多、每頁中的曲線很多，遠遠超過顯示器一屏的顯示范圍時，想要快速找到某個端口的曲線也會很費時間。比如，對一個40腳的器件做完多端口測試，要想看一下20腳和5腳組成的端口曲線，要經過多次操作，為此，匯能測試儀上專門設置了曲線的文本索引方式，只要在選擇欄里用鼠標點一下20，第20頁立即成為當前頁，再點一下5，無需人工滾動屏幕，該端口的曲線就會自動滾動到合適位置顯示出來，十分便捷。
2．三種曲線坐標
多數情況下，人們喜歡在電壓-電流坐標上觀察ASA曲線，但對有的測試結果，換一種坐標可能更容易理解，更容易把問題的本質暴露出來。這就好比幾何中又有直角坐標系、又有極坐標系一樣。匯能測試儀支持三種坐標：電壓-電流坐標、時間-電壓坐標和電壓-電阻坐標。請參閱產品說明中給出的測試實例，會對此理解的更具體一些。
3．單曲線處理
當索引到所需曲線后，用鼠標雙擊曲線，測試儀將僅僅重測這條曲線，其它曲線不受影響。正像前面所提到的，還允許重新設置該曲線的測試參數后再測。有的測試儀不支持單曲線處理，或者不能夠給不同的曲線設置不同的測試參數，或者當需要重測某條曲線時，必須把所有曲線全部重測一遍。使用效率低。
九、 其它輔助措施
1．曲線顯示形式
匯能測試儀以點的方式——按實際測試數據顯示曲線；也支持按線的方式——將測試點用線連接起來顯示曲線。點的方式真實，線的方式醒目，用戶可以按自己的要求隨時切換；
2．單曲線/頁顯示
一屏顯示一頁所有的曲線。若曲線較多，需要用鼠標拖動滑動條滾屏；如果要將某條曲線放大，可以通過鼠標單擊該曲線將它變為當前曲線，然后切換到單曲線顯示，整個屏幕只顯示一條曲線。
3．顯示/隱藏坐標參數
當選擇顯示坐標參數時，測試每條曲線的正弦波的幅值和短路電流將顯示在顯示該曲線的坐標軸上。
4． 直接/間接比較測試
所謂的間接測試，是指先提取好的電路或器件的ASA曲線，存入計算機，然后再測試同樣但有故障的電路板或器件，把兩次測到的曲線同時顯示出來，供判斷故障。可以是測完好的立即測壞的；也可以是以后的任何時候。一般把第一步叫做建庫。這是推薦使用的方法。
直接比較測試是指同時測試好壞兩個電路板或器件，同時顯示。有人叫做雙板對比。
5．動態/靜態測試
所謂動態測試是指反復測試一條曲線，直至人工停止為止。有人稱之為自動巡檢（似乎和巡檢的原本含義不同）。
所謂靜態測試是指僅測試指定次數。取最后一次測試結果。
|
