电路板维修测试仪原理探讨

　　电路在线维修测试仪已在我国推广应用了很多年，并且在许多领域产生了可观的经济效益及社会效益。真正为企业对于“在线”维修故障电路板提供了行之有效的解决办法。随着这一技术不断的更新、推广及应用，已深为企业所接纳。但是，对于这种仪器真正能够解决哪些问题以及如何解决、如何评价这种仪器的优劣也越来越为大家所关心。为此《设备管理与维修》杂志社特意采访了国内最早从事这类仪器开发、研制和推广、应用，并获得多家学会、协会认可，在行业中具有技术领先地位的北京天惠电子有限公司。“汇能”电路在线维修测试仪的总设计师 韩熔先生为大家所关心的这些问题一一做出解答。
　　问：《设备管理与维修》杂志
　　答：中设协北京北京天惠电子有限公司 汇能 总设计师 韩熔
　　问：电路在线维修测试仪近年来在电路板器件级维修故障检测中得到推广和应用，它的主要特点是什么？
　　答：说到检修电路板，往往会想到应该有被修板的图纸，或者要了解它的电路工作过程，这样才知道怎样检测。但是，一般设备生产厂家都不提供详细电路图以及有关资料，加之电路板的种类又多又复杂，实际上很难做到搞清楚了电路原理再去修；另外，为了不影响正常生产，须把有故障的电路板从设备上取下来进行检修（这叫做没有联机检测条件），而脱离了设备的电路板一般不工作，如果要用示波器看波形，还得设法让电路板工作起来。
　　没有图纸和联机检测条件，是目前器件级故障检测的主要困难。
　　汇能电路在线维修测试仪的主要特点，就是能够辅助各种程度的维修人员，在无图纸、无联机测试条件下，对故障电路板实现“在线”器件级故障检测。
　　问：这里“在线”测试的具体含义是什么？
　　答：这里的“在线”与其它领域使用的“在线”，比如“在线”监测（英语中用“On-line”）不同。这里所说的“在线”，表示对在电路板上的元器件进行测试，是“在线路中”的意思，在英语中用“In-circuit”这个词。有人叫“路内测试”。但由于历史的原因，大多数人仍叫“在线测试”。
　　问：要是有一台这样的仪器，能把故障电路板全修好吗？
　　答：影响维修成功率的因素很多。其中大部分是因为找不到故障所在。这是电路在线维修测试仪要解决的问题。另外，能否找到合格代用元器件、合适的拆焊工具和熟练的拆焊操作都会影响维修成功率。就故障检测而言，所用检测仪器的种类、档次，使用水平，还有少部分理论上尚不能解决的在线测试问题，也会影响维修成功率。一般来说，要想修好所有的电路板是不现实的。
　　问：一般能修好多少？
　　答：这因人、因条件而异。目前的专业维修公司，维修成功率在80%~90%。至于企业中的维修工程师，差异非常大。有的人水平高、测试仪器全、找备件的路子宽、电路板种类少，成功率会高于专业公司。有的人因为种种原因，会低于这个百分比。
　　问：电路在线维修测试仪利用了器件级维修中的一些故障特点，来实现无图纸，无联机条件下的在线测试。能不能具体说说是哪些特点？
　　答：电路板在维修中的故障特点，是相对于在开发和生产中的故障特点而言的。比如，在现场使用中损坏的电路板，绝大部分是因板上元器件的损坏所引起的；网络故障——也就是因板子上断线、短路造成的故障较少；可以认为没有设计问题。在生产中绝大部分是开路、短路故障。在开发中则主要是设计问题等等。
　　就维修中故障元器件的分布来看，接口器件故障多，而非接口器件故障少。从器件的损坏类型来看，端口型和功能型故障占绝大部分，而参数型故障不但少见，而且一般在现场也无法测试，这些，就是维修测试仪应主要解决的问题。
　　问：维修人员能把板子修好就行了，有必要去了解器件的故障类型吗？
　　答：了解器件故障类型以及分布情况，有助于理解各种测试技术在维修中的适用性和局限性，对于选择并掌握各种测试仪器的使用以及故障分析等等都有好处。
　　问：请先说说端口型故障。
　　答：我们知道，一个集成电路器件由很多个晶体管组成。输入或输出晶体管损坏所导致的器件故障，叫做端口型故障。由于输入输出晶体管与器件外引脚直接相联，所以，通过检测器件引脚上的电特征可以发现端口型故障。比如用万用表检测器件引脚间的电阻所能发现的故障就属于端口型故障。据英国维修协会资料，端口型故障约占故障总数的80%左右。
　　问：何谓功能型故障？
　　答：比如你设法给一个反相器加上合适的工作电源，在输入端加一个稳定的高电平，然后用万用表测其输出是否为低电平；再把输入高电平换成低电平，测其输出是否为高电平。如果输出不满足上述两项要求，就说该反相器有功能型故障——反相器不反相了。
　　功能型故障在测试器件功能时才能发现。测试器件功能时必须加工作电压，这是判断是否实现功能测试的必要条件。
　　端口型故障可能导致功能型故障，功能型故障可能但不一定从端口测试上反映出来。两者合计，覆盖了维修测试中的绝大部分故障。
　　问：那么什么是参数型故障呢？
　　答：参数型故障指器件不能按其技术规格完成其功能。比如一个反相器虽然能反相，但反相过程太慢，这就是参数型故障。
　　参数型故障在维修中比较少见，同时由于参数测试要求很高的测试精度，所以维修中一般不考虑这类故障。
　　说到这里，我们比较一下几种常用测试仪器在器件级维修故障检测中的应用特点，有助于说明电路在线维修测试仪得到推广的原因。请参看下表：
　　仪器类型 图纸资料 联机检测 应用说明
　　万用表 不一定要 不要 仅检测部分端口型故障，非常依赖使用者的水平和经验，最常用。
　　示波器 要 要 可检查各种器件故障，但对数字器件功能弱。要求使用者有较高电路水平，不太常用。
　　逻辑分析仪 要 要 检测数字器件故障能力强，不能测模拟器件，对使用者要非常高，维修中极少应用。
　　汇能维修测试仪 不必要 不要 检测各种器件端口故障和逻辑器件、运放的功能型故障。对于使用者要求低，最常用。
　　问：汇能维修测试仪如何实现无图纸，无联机测试条件下的器件级故障检测的呢？
　　答：可以归结为：两个思路、三种技术、
　　四类功能。
　　思路一：将电路板仅看成元器件集合。
　　电路板电路是由不同的元器件组合而成的，只要能设法一个一个地检查电路板上元器
　　件的好坏即可。比如，对一个逻辑“与非”门，不管在什么电路板上，只要能检查出它的“与非”功能没问题，就可以认为该电路板上的故障与它无关。如此类推，就能检测出故障所在。
　　当然，维修测试要求“在线”检测，所以这里的难点是如何消除电路板上其它元器件对测试的影响，即如何实现“隔离测试”。
　　思路二：与无故障电路板做比较。
　　从已知无故障的电路板上提取某种电特征，然后与故障电路板上的相应特征值进行比较，根据差异大小来判断有无故障。至于提取什么电特征，与具体采用的技术有关。
　　问：这就是说，把原先的从图纸资料和联机检测条件出发检测故障，转换成从元器件和好电路板出发。
　　答：正是如此。三种技术是指隔离数字器件，实现数字器件在线功能测试的后驱动技术；隔离运算放大器，实现运放在线功能测试的运放隔离技术；提取、比较电路结点或器件离线端口模拟阻抗特征的ASA（VI曲线）测试技术。我们把对这些技术的具体讨论留到下次吧。
　　问：前两种技术与思路一相关，后一种技术与思路二相关。
　　答：对。隔离不同种类的元器件要用不同的技术。比如，还有在线测试分立元件的三线隔离测量技术（汇能测试仪没有使用）
　　四类功能包括：
　　第一类：元器件在线功能测试。目前包括多种数字器件、运算放大器等数千种。
　　离线测试是在线测试的特例。能做在线测试的仪器都能做离线测试。但由于应用目标不同，可能会没有专用的离线测试仪做的好。
　　第二类：ASA分析测试（VI曲线）。这种方法适用于各种元器件（模拟/数字、分立/集成）的检测。
　　第三类：电路板网络提取、比较测试。一方面用于检测电路板网络故障，也就是开、短路故障，另一方面可大大提高从电路板反演电路图的效率。
　　第四类：自定义测试。通过自定义测试向用户开放测试仪资源，由用户控制测试仪实现对某种器件、甚至某种电路进行所期望的测试。
　　要想详细了解这四类测试的具体功能组成，请向我们索取有关资料。
　　问：讲了这么多有关测试仪原理、技术的问题，如何评价一种测试仪产品，如何选择测试仪还是不太清楚。比如说，我们主要修数控上的板子，有无需要特别注意的地方。要不我拿一块板子到你那儿试试。
　　答：非常欢迎。汇能维修测试仪所使用的技术，决定了它是一种通用型的测试仪器，可用于对任何设备上的电路板的故障进行检测。这一点和万用表、示波器差不多。
　　汇能维修测试仪功能很多，通过检测一块电路板很难做出全面评价。针对国产测试仪产品的普遍情况，这里我从系统设计、参数指标等方面列出比较重要的13条。这些基本上决定了测试仪的档次、价格，以及应用范围和故障检出率，供您在选择时参考。
　　第一条：测试仪是否有测控电路部分。
　　目前的多数国产测试仪的硬件部分，主要由数字通道、模拟通道组成。配合工作的微机不但负责计算测试数据、显示测试结果，还要直接控制测试仪的数字通道和模拟通道进行测试。在多年的实践中我们发现这样做的问题，所以，在96年之后开发的汇能测试仪，都增加了由十六位的高性能单片机系统为主组成的测试控制电路。微机只负责数据处理和结果显示。实际测试由测控电路控制数字、模拟通道完成。这样做有如下好处：
　　1． 执行测试的速度由测控电路决定，与微机的速度无关。
　　2． 数据传送、执行测试可分开进行。微机先将数据全部传给测试仪，测试仪完成测试后再将测试结果送回微机。执行测试期间，测试仪不与微机打交道。大大提高了测试仪的速度指标。
　　3． 执行测试期间，测试仪不与微机打交道的另一好处是：不会因微机异常（比如病毒发作）、多任务调度等原因，中断或挂起正在执行中的测试程序，导致后驱动超时、数据不准等问题。这一点对以Windows为开发平台（Windows是多任务系统），微机又挂在网上的测试仪系统尤为重要。
　　当然，这样做也要付出代价。比如，测试仪硬件规模增大、开发难度和工作量增加、测试仪用通讯的方式和微机交换数据，延长了总测试时间。
　　第二条：数字通道能输出、接收一种还是多种逻辑电平信号。
　　比如测试3V系列、5V系列、12V系列、15V系列数字器件需要相应的逻辑信号电平。目前的国产测试仪大多只能提供满足5V器件测试的逻辑信号电平。
　　第三条：能否测试电平转换器件。
　　所谓电平转换器件，指输入和输出逻辑电平不一致的器件。比如串口驱动器1488，输入是TTL电平，输出可以是±12V电平。尽管电平转换器件种类少，但电平转换器件多为接口器件。据统计，电路板接口器件故障可占故障总数的80%以上。
　　第四条：数字通道的速度和电流指标
　　这两项指标越高，测试仪档次也就越高，测试仪适应性会越强。
　　比如，美国产品SI635、645，约为每通道500mA，测试速度20MHz，报价100余万；英国产品Pinpoint为750mA、10MHz，报价70余万；新加坡QT200为500mA，500KHz，报价40余万。
　　第五条：能否自动识别总线竞争，有无完善的总线禁止信号（BDS/Guard信号）。
　　后驱动技术可正确使用的前提之一是，每个电路结点由一个器件输出和若干个器件输入组成。然而由三态器件（如：373，245，374，244等，单片机，绝大部分存储器）组成的电路往往不满足这个前提，在测试期间会由于“总线竞争”而导致测试失败（把好的器件误判成坏器件）。总线竞争是造成误判的主要原因之一。总线禁止信号就是用来处理这种情况的。由于挂在总线上的器件多数情况为好几个，高档测试仪一般具有不少于8个总线禁止信号（比如上面所列举的进口产品），并且每个信号可分别定义高或低为有效状态。
　　使用总线禁止信号的前提是判断出是否存在总线竞争。好的测试仪可以自动识别出来。
　　第六条：在线测试数字器件时，对器件在线情况的识别能力
　　测试仪对在线情况的识别能力越强，测试的准确性就会越高。技术实现上是把各种在线情况归结为不同的管脚状态。目前好的测试仪能够识别出十几种管脚状态，而多数国产测试仪仅能识别出几种管脚状态。
　　识别在线情况的能力强的另一好处是，大大提高了数字器件在线状态测试（用于测试未知功能器件。如专用器件）的故障检出率。
　　第七条：特征阻抗曲线分析测试（ASA测试）是否支持多端口方式
　　对一个有20个管脚的器件，每个管脚与“地”管脚之间都组成一个端口，可以提取一条曲线，总共可提取20条ASA曲线。这叫做单端口测试。一般测试仪都支持这种测试。
　　其实，器件的任意两个管脚之间都可以组成一个端口。简单地说，一个20脚器件按20个单端口方式可以提取20*20条曲线，这叫做多端口测试。多端口测试可更多的发现端口型故障。好的测试仪一般会同时支持单端口和多端口测试。
　　第八条：ASA测试是否支持曲线对故障的自动灵敏度调整。
　　可以证明，ASA特征曲线走势越趋向于45度斜线，反映故障的灵敏度越高。灵敏度调整是这样一种功能：当发现提取到的曲线趋势偏离45度线太远时，允许调整测试参数，使曲线走势接近45度斜线，从而提高曲线反映故障的能力。
　　更好的测试仪不仅允许人工调整测试参数，选取灵敏度较高的曲线，而且可以在调整范围内，自动选取灵敏度最高的曲线。
　　第九条：模拟通道的参数指标。
　　现在的测试仪大多是用DA（数模转换器）生成模拟测试信号，用AD（模数转换器）取回响应，所以有下述指标：
　　分辨率：组成一个周期测试波形的点数。点越多形成的波形越逼真。
　　频率：在同样的分辨率下，频率范围越宽，对容性和感性电路结点的适应性越宽。
　　注意：硬件确定的前提下，分辨率和频率成反比。
　　幅值：幅值电压范围越宽、分档越多越好。
　　输出电流：电流范围越宽，分档越多越好。
　　频率、幅值、输出电流决定测试仪的档次和适用范围。比如：被测元器件的功率不同，要求的测试电流也不同等等。
　　第十条：是否具有配合三端器件测试的脉冲发生器。
　　比如，一个好的MOS晶体管和烧坏的MOS晶体管，其两脚之间可能都是开路特征，ASA测试无法区别这两种情况。如果在做ASA测试时，由脉冲发生器产生同步的触发脉冲，就可以对其进行“饱和——截止”的功能测试。就能发现这类故障。对可控硅、光耦都是如此。
　　一个好的脉冲发生器不仅能够产生与ASA测试波形同步的触发脉冲信号，而且幅度、相位、极性都应可以调整，能输出各种形式的触发脉冲，以适应各种三端器件，如MOS管、可控硅、光耦等的测试。
　　第十一条：是否支持运算放大器的在/离线功能测试。
　　运算放大器的在线功能测试是最近发展起来的一项测试技术。在多数情况下，这项功能能对运放的好坏做出判断。
　　运放测试使用模拟通道，因此，测试仪模拟通道参数指标直接影响对运放的测试效果。
　　从个别国产测试仪的资料介绍中可以看到，他们把运放当作电压比较器，用数字信号进行强制测试。我们知道，运放和电压比较器的重要不同之一，就是运放在正常工作时两个输入脚电位始终相等（即虚通），所以这样测试是否合理、安全，以及效果如何，尚难以结论。
　　第十二条：电路板网络测试
　　衡量此项功能最重要的有两点：一是测试仪如何判断连通/不连通。好的测试仪能够给出两点之间阻抗小于多少才算连通，否则算开路的具体指标。二是提取电路板网络的效率是否高。这可以由测试通道的使用方法，也就是测试夹的配置方式是否灵活多样来判断。
　　第十三条：通道数
　　在同样的通道参数指标的情况下，通道数多的仪器价格高。比如，80个5V数字通道的测试仪肯定比40个5V通道的贵，但会比有40个可测全系列器件的通道的测试仪便宜。
　　问：您列出的“十三条”多数和测试仪硬件相关？
　　答：买计算机时，你总是首先关心多快的CPU，多大的硬盘，多大、多高分辨率的显示器等等，这都是硬件指标。测试仪选型也差不多。另外，测试仪厂家的软件升级，器件库扩充，一般都免费或仅收成本费，而硬件提升就没有这么简单，所以更要多关心硬件。
　　问：现在有些说法让人如有入五里雾中之感，我想借此机会请您给解释一下。
　　答：确实如此。我们在一份材料中，就目前常见的一些错误、或外行说法作了解答。有兴趣的话可向我们索阅。
　　问：谢谢。
　　汇能电路在线维修测试仪系列资料之一
电路在线维修测试仪
原理、选型问答

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