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電路板故障檢測技術ASA(VI)曲線測試簡析

發(fā)布時間 :2016-05-19 15:41 閱讀 : 來源 :技術文章責任編輯 :深圳宏力捷PCBA部
    Analog Signature Analysis(模擬特征分析)是一種廣泛應用于電子電路板的故障檢測技術。具有以下特點:
  1.不涉及電路原理,無需電路處于工作狀態(tài),所以可用于沒有圖紙資料,脫離設備(無需聯(lián)機檢測)的電路板的故障檢測;
  2.測試時不需給電路板加電,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,包括數(shù)字的、模擬的、數(shù)?;旌系?、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電子元器件的好壞。尤其是它不涉及器件功能,不受器件封裝限制,成為許多用戶檢測大規(guī)模、復雜或功能未知集成器件好壞的唯一手段。
  ASA用于檢測分立元件功能好壞時,還有方便、直觀等特點。
  一、ASA基本原理
  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。
  對于無電路原理圖紙、脫離了設備的電路板,最常用的萬用表故障檢測法是這樣的:先測出好PCB板上器件管腳(實際是電路結點)的對地電阻;然后與故障板上相應器件管腳的對地電阻進行比較,根據(jù)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。許多人都用這種辦法修好過復雜、昂貴的電路板。
  這種辦法除了對使用者要求較高,效率低之外,影響其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)下的阻抗值,而半導體器件引腳的阻抗是隨測試電壓的變化而變化的——不同測試電壓下的阻抗未必相同。比如,某TTL器件管腳在2.5V有軟擊穿,產(chǎn)生較大漏流。這樣的故障就檢測不出來。
  ASA測試是在一個電壓區(qū)間內(nèi)、而不只是一個電壓點下進行測試比較??梢赃@樣理解ASA測試——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——電壓范圍包括了被測器件的工作電壓。對每一個管腳,都用這些表全部測試、對照一遍,上面所說的故障就會被檢測出來了。
  除了故障檢出率相當高之外,ASA測試在維修檢測中廣受歡迎的另兩個原因是:
  1.測試效率很高。以匯能測試儀為例。對一個40腳器件,在每個引腳上測128個電壓點,測試時間不到1秒;
  2.從好板上提取的測試數(shù)據(jù)可存入計算機中(即建立板庫),作為以后進行檢測的參照標準,反復使用。
  二、基本ASA測試的實現(xiàn)方法
  用測試儀產(chǎn)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曲線的形狀差異,進行故障判斷。
  理論和實踐都表明,使用以正弦規(guī)律變化的電壓信號(正弦波)的測試效果最好。所以無論進口的、還是國產(chǎn)的此類測試儀,都用正弦波作為主要測試信號。
  鑒于微機的普及,為了降低開發(fā)難度和產(chǎn)品成本,目前的此類測試儀產(chǎn)品多數(shù)都和微機配合使用。測試儀產(chǎn)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(xiàn)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(shù)據(jù)。
  下面從實際使用要求出發(fā),對如何得到高效、實用的ASA測試功能,進行一些討論。
  三、關于配接微機
  從當前微機技術以及發(fā)展來看,測試儀的軟硬件應該:
  1.測試軟件應支持主流操作系統(tǒng)版本
  自Win98后,Windows操作系統(tǒng)對外部設備的管理機制作了很大改動。在Win98上運行的測試程序,不能自動升級到其后的系統(tǒng)版本上運行。鑒于Win98及以下的操作系統(tǒng)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(tǒng)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(nèi)插卡的方式實現(xiàn)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。但近年來速度快、更安全(允許帶電插拔)的USB口得到了迅速普及,目前市場上帶并口的筆記本電腦已經(jīng)十分少見,在臺式機上也許會逐漸消失——常用計算機外設,如打印機、掃描儀、數(shù)碼產(chǎn)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。
  四、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(zhì)量,基本決定著測試儀的測試質(zhì)量。
  1.關于主測試信號——正弦波:
  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,小于其極限電壓。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(diào)。
  顯然,可調(diào)的范圍越寬、允許調(diào)整的步距越?。ǚ謾n越多)越好。目前市場上比較低檔的測試儀產(chǎn)品一般有±4V、±8V、±18V、±28V等幾個檔;匯能測試儀的電壓幅度從±1V--±28V,以0.5V步距可調(diào),也就是分成了五十多個檔,能更好地滿足對更多種類的電子電路板、電子元器件的檢測要求。
  b. 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(shù)國產(chǎn)測試儀的最大輸出電流在十幾毫安到二、三十毫安。據(jù)我們的經(jīng)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。
  c.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,用匯能測試儀能測出一、兩萬微法電容的有效ASA曲線——曲線不會蛻化成一條短路線,從曲線上可以明顯看出是否漏電、容量是否夠。
  d. 保真度(或失真度)
  指實際產(chǎn)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。
  e. 關于正弦波產(chǎn)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(wěn)定性——頻率準確度和波形保真度保證。
  比如,可這樣觀察微機運行狀況對測試信號的影響——保持測試儀連續(xù)輸出測試信號,用示波器持續(xù)觀察,然后打開另一個任務,比如播放音樂,就會看到測試信號的形狀變化;更簡單的辦法是測一個電容。如果電容的ASA曲線在播放音樂前后有所不同,就說明微機的運行狀況對測試信號有影響。這會導致使用者的誤判。
  即使沒有打開用戶任務,也會有系統(tǒng)任務在后臺時起時停,同樣會影響測試信號。觀察時間長一點就能發(fā)現(xiàn)。
  就作者對這種測試儀的了解,導致這種現(xiàn)象的原因是由于硬件過于簡單——測試儀沒有獨立的定時(CPU)電路造成的。
  匯能測試儀完全不存在這種問題。最近經(jīng)軍檢,它的測試信號的頻率準確度、波形失真度均小于2%,不隨外部條件變化。當然,匯能測試儀的硬件也相對更復雜一些。
  2.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測試能夠更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(diào)節(jié)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(fā)現(xiàn)兩極之間是否短路、或有漏流,不能發(fā)現(xiàn)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(xiàn)導通、截止兩種狀態(tài),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——正弦波和脈沖匹配(同步)形式。
  有的測試儀產(chǎn)品沒有脈沖輔助測試信號。有的實現(xiàn)的比較簡單。比如某種國產(chǎn)測試儀上的三端測試信號,實際上僅是一個大小可設的直流電平,和ASA測試信號沒有同步關系。
  匯能測試儀為了更好地滿足各種三端器件的不同測試要求,共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、結束位置及寬度、高度均可調(diào)整;支持單向觸發(fā)、雙向觸發(fā)。詳細情況請參閱有關產(chǎn)品說明。
  五、關于測試通道數(shù)
  測試信號的好壞決定了測試質(zhì)量,測試通道的多少主要影響測試效率。使用要求不同,對通道數(shù)的多少要求也不同。主要有以下三種:
  1.在線測試:目前對多于80個管腳的器件,基本上沒有能配合使用的測試夾,所以80個通道基本滿足使用要求;
  2.電路板端口測試:通過轉接板以及板上的相應電路板插座,把測試通道引到電路板各插腳,然后進行單/多端口測試。通常160個通道即可滿足大多數(shù)使用要求;
  3.超大規(guī)模集成電路離線測試:對于各種超大規(guī)模器件,除了ASA測試,一般用戶幾乎沒有其它測試手段。這種測試和電路板端口測試相似,只不過轉接板上是器件插座而不是電路板插座。這種情況需要的通道數(shù)依器件腳數(shù)而定。
  需要特別說明的是,這里僅討論測試信號和測試通道數(shù)對ASA測試的影響。一般的電路在線維修測試儀都有多種功能,其它功能也會用到這些硬件資源。比如匯能測試上的電路板網(wǎng)絡測試也要求較多的通道數(shù)。
  六、提高基本ASA測試的故障檢出率
  1.單端口測試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。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。
  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。在多端口的方式下,對一個有N個管腳的器件,最多處理N×N條曲線。多端口測試易于檢測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的故障。
  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。這類似于用萬用表測試時,調(diào)轉表棒再測一次。否則稱為非對稱方式。
  由于ASA使用正、負對稱的交流測試信號,多數(shù)情況下,對同一端口調(diào)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故障分析,提高使用效率。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。正常情況下,這種端口曲線一定是條短路曲線,否則,可能存在其它問題,所有與該腳組成的端口曲線不可信。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(jù)兩條曲線的形狀差異來檢測故障的,但是,測試數(shù)據(jù)的差異,與把數(shù)據(jù)以曲線的形式顯示出來后,曲線之間的差異并不成正比。用機械式萬用表打個比方。指針越接近中央位置,同樣比例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。
  為了得到較高靈敏度的曲線,可以調(diào)整測試信號的輸出電阻。輸出電阻值越接近被測結點的等效電阻值,得到的曲線靈敏度越高。
  匯能測試儀允許手動/自動選擇較高靈敏度曲線。手動選擇試利用測試軟件允許按端口設置測試參數(shù)的特點,對任意一條曲線可以修改測試參數(shù)后重測,由使用者判斷、選擇靈敏度較高的曲線。手動調(diào)整的缺點是麻煩,當曲線很多時很難逐一觀察、選擇,另外當曲線形狀不規(guī)則時,往往很難直觀判斷什么樣的曲線靈敏度更高一些;自動調(diào)整是用算法自動選擇靈敏度較高的曲線。自動選擇所需的測試時間相對較長一些。
  3.按端口設置測試參數(shù)、重測
  并非同一個器件的所有管腳都適用于同樣的測試參數(shù)。舉個典型的例子:集電極開路器件的輸出往往耐壓較高,多用于驅動數(shù)碼管、繼電器等,而輸入一般是標準電平,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(shù)特殊端口進行重設。特殊設置的優(yōu)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,還可以利用單曲線處理功能,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。


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