電路板維修測試儀原理探討

　　電路在線維修測試儀已在我國推廣應用了很多年，并且在許多領域產生了可觀的經濟效益及社會效益。真正為企業對于“在線”維修故障電路板提供了行之有效的解決辦法。隨著這一技術不斷的更新、推廣及應用，已深為企業所接納。但是，對于這種儀器真正能夠解決哪些問題以及如何解決、如何評價這種儀器的優劣也越來越為大家所關心。為此《設備管理與維修》雜志社特意采訪了國內最早從事這類儀器開發、研制和推廣、應用，并獲得多家學會、協會認可，在行業中具有技術領先地位的北京天惠電子有限公司。“匯能”電路在線維修測試儀的總設計師 韓熔先生為大家所關心的這些問題一一做出解答。
　　問：《設備管理與維修》雜志
　　答：中設協北京北京天惠電子有限公司 匯能 總設計師 韓熔
　　問：電路在線維修測試儀近年來在電路板器件級維修故障檢測中得到推廣和應用，它的主要特點是什么？
　　答：說到檢修電路板，往往會想到應該有被修板的圖紙，或者要了解它的電路工作過程，這樣才知道怎樣檢測。但是，一般設備生產廠家都不提供詳細電路圖以及有關資料，加之電路板的種類又多又復雜，實際上很難做到搞清楚了電路原理再去修；另外，為了不影響正常生產，須把有故障的電路板從設備上取下來進行檢修（這叫做沒有聯機檢測條件），而脫離了設備的電路板一般不工作，如果要用示波器看波形，還得設法讓電路板工作起來。
　　沒有圖紙和聯機檢測條件，是目前器件級故障檢測的主要困難。
　　匯能電路在線維修測試儀的主要特點，就是能夠輔助各種程度的維修人員，在無圖紙、無聯機測試條件下，對故障電路板實現“在線”器件級故障檢測。
　　問：這里“在線”測試的具體含義是什么？
　　答：這里的“在線”與其它領域使用的“在線”，比如“在線”監測（英語中用“On-line”）不同。這里所說的“在線”，表示對在電路板上的元器件進行測試，是“在線路中”的意思，在英語中用“In-circuit”這個詞。有人叫“路內測試”。但由于歷史的原因，大多數人仍叫“在線測試”。
　　問：要是有一臺這樣的儀器，能把故障電路板全修好嗎？
　　答：影響維修成功率的因素很多。其中大部分是因為找不到故障所在。這是電路在線維修測試儀要解決的問題。另外，能否找到合格代用元器件、合適的拆焊工具和熟練的拆焊操作都會影響維修成功率。就故障檢測而言，所用檢測儀器的種類、檔次，使用水平，還有少部分理論上尚不能解決的在線測試問題，也會影響維修成功率。一般來說，要想修好所有的電路板是不現實的。
　　問：一般能修好多少？
　　答：這因人、因條件而異。目前的專業維修公司，維修成功率在80%~90%。至于企業中的維修工程師，差異非常大。有的人水平高、測試儀器全、找備件的路子寬、電路板種類少，成功率會高于專業公司。有的人因為種種原因，會低于這個百分比。
　　問：電路在線維修測試儀利用了器件級維修中的一些故障特點，來實現無圖紙，無聯機條件下的在線測試。能不能具體說說是哪些特點？
　　答：電路板在維修中的故障特點，是相對于在開發和生產中的故障特點而言的。比如，在現場使用中損壞的電路板，絕大部分是因板上元器件的損壞所引起的；網絡故障——也就是因板子上斷線、短路造成的故障較少；可以認為沒有設計問題。在生產中絕大部分是開路、短路故障。在開發中則主要是設計問題等等。
　　就維修中故障元器件的分布來看，接口器件故障多，而非接口器件故障少。從器件的損壞類型來看，端口型和功能型故障占絕大部分，而參數型故障不但少見，而且一般在現場也無法測試，這些，就是維修測試儀應主要解決的問題。
　　問：維修人員能把板子修好就行了，有必要去了解器件的故障類型嗎？
　　答：了解器件故障類型以及分布情況，有助于理解各種測試技術在維修中的適用性和局限性，對于選擇并掌握各種測試儀器的使用以及故障分析等等都有好處。
　　問：請先說說端口型故障。
　　答：我們知道，一個集成電路器件由很多個晶體管組成。輸入或輸出晶體管損壞所導致的器件故障，叫做端口型故障。由于輸入輸出晶體管與器件外引腳直接相聯，所以，通過檢測器件引腳上的電特征可以發現端口型故障。比如用萬用表檢測器件引腳間的電阻所能發現的故障就屬于端口型故障。據英國維修協會資料，端口型故障約占故障總數的80%左右。
　　問：何謂功能型故障？
　　答：比如你設法給一個反相器加上合適的工作電源，在輸入端加一個穩定的高電平，然后用萬用表測其輸出是否為低電平；再把輸入高電平換成低電平，測其輸出是否為高電平。如果輸出不滿足上述兩項要求，就說該反相器有功能型故障——反相器不反相了。
　　功能型故障在測試器件功能時才能發現。測試器件功能時必須加工作電壓，這是判斷是否實現功能測試的必要條件。
　　端口型故障可能導致功能型故障，功能型故障可能但不一定從端口測試上反映出來。兩者合計，覆蓋了維修測試中的絕大部分故障。
　　問：那么什么是參數型故障呢？
　　答：參數型故障指器件不能按其技術規格完成其功能。比如一個反相器雖然能反相，但反相過程太慢，這就是參數型故障。
　　參數型故障在維修中比較少見，同時由于參數測試要求很高的測試精度，所以維修中一般不考慮這類故障。
　　說到這里，我們比較一下幾種常用測試儀器在器件級維修故障檢測中的應用特點，有助于說明電路在線維修測試儀得到推廣的原因。請參看下表：
　　儀器類型 圖紙資料 聯機檢測 應用說明
　　萬用表 不一定要 不要 僅檢測部分端口型故障，非常依賴使用者的水平和經驗，最常用。
　　示波器 要 要 可檢查各種器件故障，但對數字器件功能弱。要求使用者有較高電路水平，不太常用。
　　邏輯分析儀 要 要 檢測數字器件故障能力強，不能測模擬器件，對使用者要非常高，維修中極少應用。
　　匯能維修測試儀 不必要 不要 檢測各種器件端口故障和邏輯器件、運放的功能型故障。對于使用者要求低，最常用。
　　問：匯能維修測試儀如何實現無圖紙，無聯機測試條件下的器件級故障檢測的呢？
　　答：可以歸結為：兩個思路、三種技術、
　　四類功能。
　　思路一：將電路板僅看成元器件集合。
　　電路板電路是由不同的元器件組合而成的，只要能設法一個一個地檢查電路板上元器
　　件的好壞即可。比如，對一個邏輯“與非”門，不管在什么電路板上，只要能檢查出它的“與非”功能沒問題，就可以認為該電路板上的故障與它無關。如此類推，就能檢測出故障所在。
　　當然，維修測試要求“在線”檢測，所以這里的難點是如何消除電路板上其它元器件對測試的影響，即如何實現“隔離測試”。
　　思路二：與無故障電路板做比較。
　　從已知無故障的電路板上提取某種電特征，然后與故障電路板上的相應特征值進行比較，根據差異大小來判斷有無故障。至于提取什么電特征，與具體采用的技術有關。
　　問：這就是說，把原先的從圖紙資料和聯機檢測條件出發檢測故障，轉換成從元器件和好電路板出發。
　　答：正是如此。三種技術是指隔離數字器件，實現數字器件在線功能測試的后驅動技術；隔離運算放大器，實現運放在線功能測試的運放隔離技術；提取、比較電路結點或器件離線端口模擬阻抗特征的ASA（VI曲線）測試技術。我們把對這些技術的具體討論留到下次吧。
　　問：前兩種技術與思路一相關，后一種技術與思路二相關。
　　答：對。隔離不同種類的元器件要用不同的技術。比如，還有在線測試分立元件的三線隔離測量技術（匯能測試儀沒有使用）
　　四類功能包括：
　　第一類：元器件在線功能測試。目前包括多種數字器件、運算放大器等數千種。
　　離線測試是在線測試的特例。能做在線測試的儀器都能做離線測試。但由于應用目標不同，可能會沒有專用的離線測試儀做的好。
　　第二類：ASA分析測試（VI曲線）。這種方法適用于各種元器件（模擬/數字、分立/集成）的檢測。
　　第三類：電路板網絡提取、比較測試。一方面用于檢測電路板網絡故障，也就是開、短路故障，另一方面可大大提高從電路板反演電路圖的效率。
　　第四類：自定義測試。通過自定義測試向用戶開放測試儀資源，由用戶控制測試儀實現對某種器件、甚至某種電路進行所期望的測試。
　　要想詳細了解這四類測試的具體功能組成，請向我們索取有關資料。
　　問：講了這么多有關測試儀原理、技術的問題，如何評價一種測試儀產品，如何選擇測試儀還是不太清楚。比如說，我們主要修數控上的板子，有無需要特別注意的地方。要不我拿一塊板子到你那兒試試。
　　答：非常歡迎。匯能維修測試儀所使用的技術，決定了它是一種通用型的測試儀器，可用于對任何設備上的電路板的故障進行檢測。這一點和萬用表、示波器差不多。
　　匯能維修測試儀功能很多，通過檢測一塊電路板很難做出全面評價。針對國產測試儀產品的普遍情況，這里我從系統設計、參數指標等方面列出比較重要的13條。這些基本上決定了測試儀的檔次、價格，以及應用范圍和故障檢出率，供您在選擇時參考。
　　第一條：測試儀是否有測控電路部分。
　　目前的多數國產測試儀的硬件部分，主要由數字通道、模擬通道組成。配合工作的微機不但負責計算測試數據、顯示測試結果，還要直接控制測試儀的數字通道和模擬通道進行測試。在多年的實踐中我們發現這樣做的問題，所以，在96年之后開發的匯能測試儀，都增加了由十六位的高性能單片機系統為主組成的測試控制電路。微機只負責數據處理和結果顯示。實際測試由測控電路控制數字、模擬通道完成。這樣做有如下好處：
　　1． 執行測試的速度由測控電路決定，與微機的速度無關。
　　2． 數據傳送、執行測試可分開進行。微機先將數據全部傳給測試儀，測試儀完成測試后再將測試結果送回微機。執行測試期間，測試儀不與微機打交道。大大提高了測試儀的速度指標。
　　3． 執行測試期間，測試儀不與微機打交道的另一好處是：不會因微機異常（比如病毒發作）、多任務調度等原因，中斷或掛起正在執行中的測試程序，導致后驅動超時、數據不準等問題。這一點對以Windows為開發平臺（Windows是多任務系統），微機又掛在網上的測試儀系統尤為重要。
　　當然，這樣做也要付出代價。比如，測試儀硬件規模增大、開發難度和工作量增加、測試儀用通訊的方式和微機交換數據，延長了總測試時間。
　　第二條：數字通道能輸出、接收一種還是多種邏輯電平信號。
　　比如測試3V系列、5V系列、12V系列、15V系列數字器件需要相應的邏輯信號電平。目前的國產測試儀大多只能提供滿足5V器件測試的邏輯信號電平。
　　第三條：能否測試電平轉換器件。
　　所謂電平轉換器件，指輸入和輸出邏輯電平不一致的器件。比如串口驅動器1488，輸入是TTL電平，輸出可以是±12V電平。盡管電平轉換器件種類少，但電平轉換器件多為接口器件。據統計，電路板接口器件故障可占故障總數的80%以上。
　　第四條：數字通道的速度和電流指標
　　這兩項指標越高，測試儀檔次也就越高，測試儀適應性會越強。
　　比如，美國產品SI635、645，約為每通道500mA，測試速度20MHz，報價100余萬；英國產品Pinpoint為750mA、10MHz，報價70余萬；新加坡QT200為500mA，500KHz，報價40余萬。
　　第五條：能否自動識別總線競爭，有無完善的總線禁止信號（BDS/Guard信號）。
　　后驅動技術可正確使用的前提之一是，每個電路結點由一個器件輸出和若干個器件輸入組成。然而由三態器件（如：373，245，374，244等，單片機，絕大部分存儲器）組成的電路往往不滿足這個前提，在測試期間會由于“總線競爭”而導致測試失敗（把好的器件誤判成壞器件）。總線競爭是造成誤判的主要原因之一。總線禁止信號就是用來處理這種情況的。由于掛在總線上的器件多數情況為好幾個，高檔測試儀一般具有不少于8個總線禁止信號（比如上面所列舉的進口產品），并且每個信號可分別定義高或低為有效狀態。
　　使用總線禁止信號的前提是判斷出是否存在總線競爭。好的測試儀可以自動識別出來。
　　第六條：在線測試數字器件時，對器件在線情況的識別能力
　　測試儀對在線情況的識別能力越強，測試的準確性就會越高。技術實現上是把各種在線情況歸結為不同的管腳狀態。目前好的測試儀能夠識別出十幾種管腳狀態，而多數國產測試儀僅能識別出幾種管腳狀態。
　　識別在線情況的能力強的另一好處是，大大提高了數字器件在線狀態測試（用于測試未知功能器件。如專用器件）的故障檢出率。
　　第七條：特征阻抗曲線分析測試（ASA測試）是否支持多端口方式
　　對一個有20個管腳的器件，每個管腳與“地”管腳之間都組成一個端口，可以提取一條曲線，總共可提取20條ASA曲線。這叫做單端口測試。一般測試儀都支持這種測試。
　　其實，器件的任意兩個管腳之間都可以組成一個端口。簡單地說，一個20腳器件按20個單端口方式可以提取20*20條曲線，這叫做多端口測試。多端口測試可更多的發現端口型故障。好的測試儀一般會同時支持單端口和多端口測試。
　　第八條：ASA測試是否支持曲線對故障的自動靈敏度調整。
　　可以證明，ASA特征曲線走勢越趨向于45度斜線，反映故障的靈敏度越高。靈敏度調整是這樣一種功能：當發現提取到的曲線趨勢偏離45度線太遠時，允許調整測試參數，使曲線走勢接近45度斜線，從而提高曲線反映故障的能力。
　　更好的測試儀不僅允許人工調整測試參數，選取靈敏度較高的曲線，而且可以在調整范圍內，自動選取靈敏度最高的曲線。
　　第九條：模擬通道的參數指標。
　　現在的測試儀大多是用DA（數模轉換器）生成模擬測試信號，用AD（模數轉換器）取回響應，所以有下述指標：
　　分辨率：組成一個周期測試波形的點數。點越多形成的波形越逼真。
　　頻率：在同樣的分辨率下，頻率范圍越寬，對容性和感性電路結點的適應性越寬。
　　注意：硬件確定的前提下，分辨率和頻率成反比。
　　幅值：幅值電壓范圍越寬、分檔越多越好。
　　輸出電流：電流范圍越寬，分檔越多越好。
　　頻率、幅值、輸出電流決定測試儀的檔次和適用范圍。比如：被測元器件的功率不同，要求的測試電流也不同等等。
　　第十條：是否具有配合三端器件測試的脈沖發生器。
　　比如，一個好的MOS晶體管和燒壞的MOS晶體管，其兩腳之間可能都是開路特征，ASA測試無法區別這兩種情況。如果在做ASA測試時，由脈沖發生器產生同步的觸發脈沖，就可以對其進行“飽和——截止”的功能測試。就能發現這類故障。對可控硅、光耦都是如此。
　　一個好的脈沖發生器不僅能夠產生與ASA測試波形同步的觸發脈沖信號，而且幅度、相位、極性都應可以調整，能輸出各種形式的觸發脈沖，以適應各種三端器件，如MOS管、可控硅、光耦等的測試。
　　第十一條：是否支持運算放大器的在/離線功能測試。
　　運算放大器的在線功能測試是最近發展起來的一項測試技術。在多數情況下，這項功能能對運放的好壞做出判斷。
　　運放測試使用模擬通道，因此，測試儀模擬通道參數指標直接影響對運放的測試效果。
　　從個別國產測試儀的資料介紹中可以看到，他們把運放當作電壓比較器，用數字信號進行強制測試。我們知道，運放和電壓比較器的重要不同之一，就是運放在正常工作時兩個輸入腳電位始終相等（即虛通），所以這樣測試是否合理、安全，以及效果如何，尚難以結論。
　　第十二條：電路板網絡測試
　　衡量此項功能最重要的有兩點：一是測試儀如何判斷連通/不連通。好的測試儀能夠給出兩點之間阻抗小于多少才算連通，否則算開路的具體指標。二是提取電路板網絡的效率是否高。這可以由測試通道的使用方法，也就是測試夾的配置方式是否靈活多樣來判斷。
　　第十三條：通道數
　　在同樣的通道參數指標的情況下，通道數多的儀器價格高。比如，80個5V數字通道的測試儀肯定比40個5V通道的貴，但會比有40個可測全系列器件的通道的測試儀便宜。
　　問：您列出的“十三條”多數和測試儀硬件相關？
　　答：買計算機時，你總是首先關心多快的CPU，多大的硬盤，多大、多高分辨率的顯示器等等，這都是硬件指標。測試儀選型也差不多。另外，測試儀廠家的軟件升級，器件庫擴充，一般都免費或僅收成本費，而硬件提升就沒有這么簡單，所以更要多關心硬件。
　　問：現在有些說法讓人如有入五里霧中之感，我想借此機會請您給解釋一下。
　　答：確實如此。我們在一份材料中，就目前常見的一些錯誤、或外行說法作了解答。有興趣的話可向我們索閱。
　　問：謝謝。
　　匯能電路在線維修測試儀系列資料之一
電路在線維修測試儀
原理、選型問答

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