基于VI曲线的在线测试的研究与实现(测试计量技术及仪器专业优秀论文).pdf

摘要 摘要 随着电子技术的飞速发展和广泛应用，电路测试技术的重要性越来越明显。 本论文主要工作是对用于电路板故障诊断的基于v I 曲线测试原理进行研究并且探 讨其测试软件的设计。 论文首先介绍了V I 曲线测试的原理，随后分析了测试频率对v I 曲线的影响， 在此基础上提出了基于V I 曲线的在线电路测试的主要参数及参数的确定原则和方 法，其后分析了曲线测试可以进行的扩展测试、测试技巧及其在电路测试中的 局限性等一系列与V I 曲线测试密切相关的问题。使用v I 曲线测试进行自动故障 诊断和电路识别有着重大的实际意义，之后文中阐述了相似特征图的对比问题， 比较了两个已有的相关系数函数，并通过权重因数引进一个新的相关系数函数， 提高了辨别能力，给出了各种特征图的比较结果并讨论了有益的应用。最后，本 文利用集成的硬件资源开发了曲线测试软件，该软件可实现对故障电路板在线 检测，快速检测到电路板上的故障元器件。 关键词：曲线在线测试模拟特征分析相关软件设计 A b s t r a c t A b s t r a c t W i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e me l 咖i c a lt e c h I l i q l l e ，t l l ec i r c l I i tt e s ti sa l s o d “e l 叩i 1 1 9 1 1 l em i n w o 出o ft 1 1 i st 1 1 e s i si sa b o I I tt h ef e s e a r c h df e a l i z a t i o nO ft l l e 1 1 1 C i r c u “T e s tw h i c hi sb 髂e do nt h em e t l l o do f n 塘v Ic u n ，ct c s t F i 刚yt h e 耐百n 锄dt h e o r yo f c u mt e s ti sd e 刚b c d T h e nt h ee 疵c to f f c q u e n c yi nt h e c u f v et e s ti sd i u S s e d B 弱e do n 沁t h et l l e s i sp u l su pt h em a i n p a a m e t e 捧a b o t l t 髓I eh 卜C i r c u i tT e s ta l l d l ew a y sO ft 董l es e l 硎o n 1 f o I l o 丽n g c h a p t c r t e l l s n l c e x t e m a l t e s t o f 肿e t e s t ，n l es k i l l s i n V Ic u n ，e t e s t ，t l l e p o s m o n o f c u r v et e s ti 1 1t h e 仃O l 】_ b l e s h o o t i n g 弛d o n A u t o m a t i cf a I l l td i a g n o s i sa n dc i r c u i t i d e m i f i c a t i o nu s m ga n a l o gs i 驴a t u r e 锄l y s i sa r eo f g r e a t 删i c a li n t e r e s t T h ep r o b l 锄 o fa u t o m a t i cc o m p a r i s o no fn e a l l ys i I n i l a ra I l a l o gs i 印a l L 勰si sa d d r e s s e dl a t e LT 钾O l m o w nc 0 仃e l a t i o n b a S e ds i I I m a r i 锣c r i t e r i aa 咖p a r e d a n dar l e wc r i t e r i o ni s i I l 仃1 ) d u c e db yt l l el l o faw e i g h t i I 喀白c t o Bw I l i c hi I n p r o 、r e st h ed i s c r i m i n a t i O n c a p a b i I i 够c o m p a 洲v cr e s I l l t sf 研V 撕。懈s i 鲷砷鹏sa I _ eg i V e n ，a n d1 l s e 如la p p l i c a t i o n s o f l i sw o 出a 陀d i s c 邯s c d m 吐嵋c n d ，f t w a r co f V Ic u r v et e s ti sd e v e l o p e d 雄e r u t i l i z i I l gc o m p o s i t i v e 蛐a f er e l 】r w t l i c hc 锄b ea b l et ot e s td i a 印D s i sb o a r di n c i r c u i t a n d d e t e ( ：t t h e f - a u l t u n i t s 礴p i d l y o n t h e b o a r d 。 K e y w o r d s ：C u n ，e I n c i r c u i tT e s t A n a I o gS i 舯a t I I nA n a 母s i s C o r r e l a t i o n S o f t w a 嘴D 鹳i g n 知识水坝pologoogle为您整理 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：二陋 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期迎2 ：j ：压 日期避：盖y 知识水坝pologoogle为您整理 第一章绪论 第一章绪论 1 1 测试技术的发展 测试技术包含了测量和试验两方面的含义，是指具有试验性质的测量或测量 与试验的综合。科学始于测量，没有测试就没有科学。 随着计算机和电子技术的飞速发展，今天的仪器越来越智能，越来越人性化。 网络化、智能化都是现代仪器的特征，使用仪器的人感觉越来越方便，但是背后 的代价是系统越来越复杂，实现功能越来越多，仪器自身需要解决的问题也越来 越多。在这样的情况下，仪器的制造、测试和维修变得越来越困难。 测试可以说是仪器的保障，一向是重要的环节，在很多方面都体现着其作用。 测试环节贯彻于产品的全过程，不但在生产前的器件检查，生产过程中的先期检 测，后期功能验证，乃至在使用过程中的功能校正和故障诊断都起着很重要的作 用。 随着仪器的发展和技术的进步，测试仪器的对象和其本身都经过了很多变迁。 首先是在测试对象方面，由传统的分立元件到中小规模的集成电路，再到现在的 大规模集成电路。其次仪器的发展也从传统的仪器到智能仪器，再到现在的虚拟 仪器。相应于测试对象的改变，测试仪器的变化也是显著的，从最原始的手工测 试，到自动测试，再到多台测试仪器组成的测试系统。 目前测试技术种类繁多，常见的包括手工视觉检查( M a n u a l V i s u a lh l ： p e c d o n ， 简称M v D 、在线测试( I n - c i r c 血T c s t 盯，简称I c D 、自动光学测试( A u t o m a t i cO p t i c a l I I l s p e c t i o n ，简称A O I ) 、自动x 射线测试( A m o m a t i cX R a yI I l s p e c t i o n ，简称蝴) 、 功能测试( F 硼c t i o n a lT c s 衙，简称F T ) 等。 1 2 1 在线测试的含义 1 2 在线电路测试技术 在线测试技术是对传统电子元器件测试方法的重大改革，它相比传统的电子 测试方法有很多的优越性。 从芯片级在线测试的角度看在线测试一般有两个概念：一种是在断电情况下 对电路板上的芯片进行的测试，也称路内测试，一种是在通电运行情况下对芯片 进行测试。本文讨论的是前一种概念。 在线测试( 路内测试) 可分为在线功能测试( h 卜C i r c l d tF 衄c t i o n a lT e s t ) 和V I 曲 基于曲线的在线测试的研究与实现 线测试( A S A 模拟特征分析) 两种技术。 在线功能测试采用的是后驱动( B a c kD r i v i n g ) 隔离技术，后驱动技术原理是在 必要时从被测器件的输入级灌入，拉出瞬态大电流，迫使其电位按要求变高或者变 低，达到给被测器件在线施加测试激励的目的，实质上就是在线模拟出离线的环 境，后驱动可以说是将集成电路测试仪的功能测试带到了在线测试中。在线功能 测试主要以真值表功能测试程序库为基础，利用反驱动技术，在极短时间内( 毫 秒级) 强制性地在被测器件的输入端在线施加矢量测试码，测试其实际输出信号， 与测试系统的软件仿真器对应的仿真输出相比较，结果一致时测试通过，表示器 件功能正常；当比较结果不一致时测试不通过，表示器件功能不正常。仿真器的 仿真输出是通过调用己编好测试程序来实现的。 而v I 曲线测试是通过测量一个电路节点在给定驱动电压下的电流( 即节点V I 曲线) 来完成测量目的的。由于v I 测试只涉及元器件的端口，不涉及功能，所以它 几乎可以应用在任何场合，包括数字器件和模拟器件、通用器件和专用器件，分 立元件和中大规模集成电路的测试。同时测试是对节点逐个检查的，所以它不受 封装的限制，对无法使用测试夹的分立元件和集成电路都可以使用探棒去逐点测 试。 由于在线功能测试技术具有无需了解被测电路详细工作原理、无需众多的硬 件仪器以及无需复杂的软件开发等优点，它已成为现代测试技术的重要发展方向 之一。但是，现有的在线测试功能测试仪还不能够全智能化的对电路板进行测试， 还需要对一些测试结果进行人为的分析。另外在线功能测试自身无法克服的局限 性也影响了其测试范围和故障覆盖率。因此以在线功能测试为主导，辅以v I 曲线 扫描测试技术的在线测试技术是比较完善的。 从应用的场合来看，在线测试即可应用在生产制造工程中，也可应用在故障 检测诊断时。 在生产中应用在线测试技术是因为需要排除印刷电路板及元器件的故障，包 括元器件的错装、漏装及焊接错误等。而诊断时也是基于类似的目的，只是这时 不是针对错装、漏装及焊接这类错误，主要集中在元器件的失效、功能的异常等 方面的故障。所以可以说诊断和生产中的在线测试基本类似，只是由于在生产中 规模更大，应用的更广泛，从而发展成了在线测试系统，所以下面对在线测试的 发展历程也就主要集中在生产中的应用。 1 2 2 在线测试的发展历程 在线测试系统是从2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种自动测试系统。当时由于 大规模生产时需要即时、快速地排除印刷电路板及装在其上的元器件的故障发展 第一章绪论 起来的。后来，由于测试技术和计算机技术的紧密结合，又大大地促进了在线测 试系统的发展。 早期的在线测试系统主要是针对生产线上印制板中元器件的错装、漏装、焊 接短路、开路、集成电路内部到管脚引线的短路、开路等生产制造过程中的故障 判断、分析的，这一般叫M D A ( M a I l u 蠡l c t u 砖D e 矗娥加谢y z c r ) 。现在的M D A 中， 又增加了对元件( 如电阻、电感、电容) 值的测量，三极管h 值的测量，二极管V I 特性测量等。 M D A 方法的进一步发展，测试内容扩充了后驱动技术对集成电路进行在线测 试，v I 技术对模拟集成电路进行测试，这才成为了真正的“在线测试仪”。 在线测试系统再进一步扩展功能测试，包括边界扫描测试、闪速器件编程， 形成了“功能测试系统”( F m c t i o n a lT e s 【S y s t e m ) 。它测量的是整个P c B 或一个单 元功能。这种系统也包括了M D A 和在线测试，因而叫做组合测试仪( c 锄b i n a t i o n a l T c s t e r l 。 近几年来，随着生产的发展和新型超小型器件的出现，在线测试系统又增加 了一个门类：自动光学检查系统( A O I ) ，该系统由计算机检测，利用照相放大， 甚至用x 光技术( A ) ) ，自动地把待测的P c B 图像作比较，给出一些元器件合格 与否的判断。主要检测内容有：元器件的错放( 包括移位、极性、竖立、型号差错、 焊接缺陷) 、元件的值( 色标元件) 以及电气测量接触不到的超小型元器件的检测。 还有一种测试系统是用来对印制板诊断用的测试诊断系统以及插卡式印制板 自动测试诊断系统。该测试诊断系统配备了P c B 插槽，把待测P C B 卡插入槽中， 该槽的每一个脚的作用均可由用户自定义。用户按被测P c B 卡上各引脚的功能定 义测试仪上槽中每个脚的功能，如电源、地、输入、输出等。通过测试程序组合( T P S ) 的开发，提供一个不依赖于元器件库的软件和硬件平台。依赖对已知被测P c B 的 故障字，判断P c B 上失效的元器件。目前的故障覆盖率达8 0 以上，可定位到l 3 个器件之内。这类产品价格适中，诊断速度较快，在军事用途上具有广阔前景。 应该指出的是在某一位置配备什么类型的测试系统取决于与产量和投资的需 要。在线测试系统由于测试对象是印制扳及其上面的元器件，因而首先是在印制 板上寻找应测试的点，从而形成了其测试系统结构的特点。归纳一下大致有以下 三种情况： 针床式：针对待测印制板上点的位置，加工若干个相应的带有弹性的直立式 接触探针阵列( 称做针床) 通过压力把印制板的非元件面( 焊孔面) 与探针连接。探针 的另一端引入测试系统，完成接电源、地和信号线、测量线的连接，从而完成测 试。另一种针床式是通过真空吸力使待铡P c B 和针床上的针相连，这种方法受力 均匀，能更好地保证接触。针床式结构可以使印制板上的每个测试点都可通过探 针引到测试系统中，因而引线点数可能达到2 0 4 8 个点。 4 基于曲线的在线测试的研究与实现 飞针式：对印制板上所有待测元件均用2 、4 、g 根可以在印制板平面上任意 运动的探针来进行测试。探针在程序的指引下插入，并接触到待测器件或部件的 二个端，在探针上施加电压、测量电流，以判断元器件的失效与否。 夹具式：对应于各种封装形式的I C ，采用不同的I c 管脚夹具。如对双列直插 ( D 口) 封装的I C ，就有D m 2 4 、4 0 、4 8 等相应的夹具。近年来又有了P G A 夹具及 s M D 器件夹具。夹具的另一端也是引向测试仪，以完成测试。P c B 钡4 试诊断用的 诊断系统都采用这种结构。 在线测试系统的应用前景非常广阔，M D A 型因其价格便宜，占有市场份额可 达8 0 以上。在线测试仪由于测试的内容较完整，因而也有一定的市场。组合测 试系统由于价格昂贵，一般都是军工企业和外资企业使用。这几年来A O I 的市场 看好，主要是由于它发现的缺陷是在产品生产线的前道工序，如贴片和回流焊之 后，返修费用低，因而可降低生产成本。 随着我国工业的进一步发展，对产品质量重视程度会进一步提高，生产管理 也得跟上发展的形势，只要是接触到电子部分的产品生产，都不得不采用这些测 试系统。 可以预测，随着价格的降低，在线测试不仅将取代M D A 的市场份额，同时 A O I 将有较大的发展，而印制板插座式的在线诊断系统，随着技术的成熟将会在 整机维修中发挥更大作用。特别是作为现场维护工具( 如军用及航空) 将会得到 充分的重视，市场会越来越大。 从目前应用情况来看，采用两种或以上技术相结合的测试策略正成为发展趋 势，因为一种技术可以补偿另一技术的缺点。 1 2 3 在线测试在故障诊断中的意义 现在大多数的情况下。芯片内部的诊断还是很困难的，所以只需要将故障定 位到具体哪个芯片，即哪一个芯片出现了问题，发生了异常，直接替换掉就可以 了。 在这其中就要解决两个问题，一是如何定位是哪个芯片出了问题，二是检测 芯片是否出真的出现问题。 芯片如果是插座式的，可以直接拿下来，测试其是否出现问题。但是现在的 芯片越来越复杂，管脚多，管脚之间间距小，拆卸很不方便，并且在拆卸的过程 中很容易损坏。在这种情况下就需要一种能够在线检测的仪器，这种在线不是指 0 n L i n e ，即通电工作情况下进行检测，而是指h l - c i r c 洫，即芯片和器件在电路板 上，无需改变电路板的现有电路，无需拆卸芯片和器件，直接在电路板上直接检 测工作。 第一章绪论 5 这样带来的好处是显而易见的，能够实现芯片的在线检测，避免了拆卸过程 中的麻烦，降低了诊断的成本和查障的时间。 现在应用在诊断中的设备有在线测试功能的主要有国外P o l 缸公司的T 3 0 0 0 、 T 6 0 0 0 系列，国内北京的惠能测试仪等。 1 3 本文研究的内容 在线测试既可以用在电路板的生产测试中，也可以用在电路板的维护诊断中 的情况，本文偏重于电路板维护时的故障检测。 本文研究了曲线测试原理及其应用，同时介绍了其扩展测试功能，对 曲线辨别进行定量的研究。利用集成的硬件资源开发一个v I 曲线测试软件，该软 件可实现对故障电路板在线检测，快速检测到电路板上的故障元器件。 因此论文集中在以下三方面： L 曲线测试原理的讨论及其应用。 2 基于相关系数的模拟特征比较。 3 基于曲线测试软件的设计。 第二章曲线测试原理 7 第二章曲线测试原理 2 1 曲线的定义 就基本原理而言，测试可以看成万用表检测法的自然延伸。对于电路板的 故障诊断有很多仪器，但是最常用的还是到处可见的万用表。万用表不但可用来 测量电压、电流、电阻值，还可具有测量三极管的放大倍数和电容值等功能。 在常见的利用万用表的检测方法中，一是在通电之前利用万用表测量电路上 某个节点对地阻抗来判断与该节点关联的元器件是否有端口型故障，二是在通电 情况下测量各处的电压。特别在拿到一个未知的电路板的情况下，一般都不能轻 易上电，以免造成不必要的故障扩大，更多的是先采用第一种方法初步判断故障 的类型和范围。 但是究竟一块电路板的某个节点的阻抗在什么范围表示无故障、什么范围表 示可能有故障完全由使用者根据经验来判定，所以大家经常可以听到“某人将某 种电路板己经测熟了”的说法，其含义很大程度是指“经过多次测量已经对大部 分节点阻抗的正常范围己心中有数”。特别是面向诊断量大但需要诊断的电路板 种类少的诊断人员，甚至会将这类数据的正常值详细记录下来供参照。大量的应 用实践表明，这种检测方法不仅在经验丰富的诊断者手中相当有效，而且往往是 没有图纸资料情况下唯一可用的方法。 而这种方法有着明显的局限性，用万用表测量到的电阻，是指在稳恒电压( 一 般是万用表电池电压，通常是1 5 矿) 下所对应的电流值，表示在电压一电流平面 上仅为一点，见图2 1 。 1 5 V 电压 图2 1 单点测量示意图 对呈线性特征的电路节点，可以从这一个点推算出在所有其它电压下的电流 值。但是对呈非线性特征的电路节点则不能这样做，这就意味着1 5 矿时的正常电 流值并不能保证在其它电压下的电流值也会在正常范围之内。在此情况下自然想 8 基于曲线的在线测试的研究与实现 到的办法是改变不同的电压多测量几个点，比如均匀地取1 6 个、3 2 个、6 4 个甚至 更多的点，取值范围从负到正，包括整个工作电压范围( 见图2 2 ) ，这样当所取的点 足够密，就形成一条曲线。然后通过对整条曲线的重合程度而不是曲线上一个点 的重合程度来判别故障，显然这样要直观、全面得多。 电害t 。 电压 图2 2 多点测量示意图 这就是所谓的端口“模拟特征分析”( A 1 l a l o gs i 卸a t u r eA n a l y s i s ) 的技术原理， 习惯上也称之为“V I 曲线测试”( 即电压电流曲线测试) 。它是一种不加电的故障诊 断技术，指在待测电路板未接通电源的情况下，对板上被测器件的引脚施加一个 限流的正弦激励信号4 ，观察由此产生的阻抗信号( v I 曲线) 。不同类型的器件的 信号波形明显不同，因此很容易被分辨出来。在线路节点之间注入一定幅度和频 率的周期信号，在显示坐标上形成一条电流随电压变化的关系曲线，即曲线。 曲线的形状由被测节点之间的特性阻抗所决定，通过比较好、坏电路板( 器件) 上相同节点之间的V I 曲线，可发现特性阻抗发生改变的节点，其通常为器件故障 所引发。对选定的电路节点，激励条件确定时，其响应是唯一确定的；响应如有 变异，意味着电路节点特性的变异，这必定是电路元件损伤或电路结构变化( 短 路或断线) 所致，这种测试理念与方法有助于技术人员找出已经损伤或即将损伤 的元件。 在这里有必要对几个相关概念进行阐述。 节点：按图论的定义，在电路中，不论如何连接，一个元件称为一条支路， 而两个以上支路的联节点就称为节点。显然，元器件之间的连接点，即为节点。 换言之，被测装置或组件中各个元器件的每个引线或端子就是节点。 节点间的特性：对确定的电路，两个节点之间，不论有多复杂，其电压与电 流的关系，即伏安特性是确定的。然而，对它的表述，数学表达式已无法胜任， 第二章曲线测试原理 9 只能用图解法。因此，两个节点间的伏安特性曲线就是节点间的特性。 模拟特征分析( A n a l o gS i 驴a t I mA n a l y s i s ) ：与一个节点相关的电路结构或元 件参数发生变化，必然导致其节点特征的变异。通过对比测试，查出特征变异的 节点，由此分析电路故障、查找故障元件的方法，称之为模拟特征分析，又称V I 曲线测试。 加电测试：是指接通被测对象的电源，用电压表、示波器、逻辑分析仪以及 相关的信号源进行测试，这里又有“静态测试”与“动态测试”之分。“静态测 试”较为简便，仅靠电压表就可胜任，也无须过高的技术水平，但只能作电路静 态工作点的分析。尽管如此，不少故障靠“静态测试”就可查出。“动态测试” 能力很强，但必须有较强仪器阵容、较高技术水平以及详尽图纸资料的有力支持。 不加电测试：是不对被测对象加电，用万用表等廉价简便的测试工具，依靠 相应的知识和经验，对电路节点的阻抗特性进行分析的简便测试。显然， “不加 电测试”的能力有限，然而，却因为它廉价简便，成为绝大多数技术人员的首选。 它不仅简单方便，更重要的是，避免了加电造成新的元器件损伤。V I 曲线技术可 实施真正的阻抗特性测试，使人们能增强4 不加电测试”的能力。 曲线分析测试几乎适用于任何类型的器件。可采用各种规格的测试夹多点 测试或v I 探棒单点测试，不受器件封装形式的限制，应用范围极广。相对于传统 工具，V I 曲线分析测试在测试效率、精确度和信息量等方面都有巨大的优势。 在线测试时，通常需要好、坏电路板对比测试，故障定位在线路节点上，然 后应以故障节点为中心，排查同该节点有关联的器件；离线测试时，通常需要好、 坏器件对比测试，故障直接定位在器件管脚上。有时也可运用V I 曲线对单块电路 板或单个器件进行测试，在线时，直接对比电路板上对称布局排列的器件；离线 时，根据经验观察并总结器件管脚之间v I 曲线形状的规律性。 从曲线测试方法原理不难看出，所谓的V I 曲线，实际上就是阻抗曲线，它 应该服从有关阻抗特征的基本规律，所以，电路节点的曲线，应该是与该节点相 关联的元器件管脚的曲线的并联值。这就预示着如果深刻理解、熟练掌握了各种 元器件的v I 曲线，就可能根据与电路节点关联的器件类型，估计出节点V I 曲线的 大体形态；或者根据已知v I 曲线形态，猜测出与该节点关联的器件类型。这对于 没有参考板，也没有事先建立V I 曲线数据库的情况下，用V I 曲线法进行故障检测 十分重要。 v I 测试技术在国内、外广泛应用于电子诊断领域的故障检测。V I 测试通过比 较器件的端口模拟特征实现故障检测。这种比较：不涉及电路原理，无需电路处 于工作状态，所以可在没有图纸，没有联机条件的情况下使用；不需给电路板加 电，相对更安全；它是串行的，即一个管脚一个管脚进行测试，原则上任何封装、 无论管脚多少的器件均可测试；不涉及器件的电路功能，无论数字的、模拟的、 1 0 基于曲线的在线测试的研究与实现 数模混合的、功能已知的、未知的( 如专用、可编程) 器件均可测试。 正因为V I 测试有如此特点，使得它不仅成为电路板故障检测中最重要的测试 手段，而且在很多场合中，是检测大规模、复杂集成器件好坏的唯一手段。另外， v I 测试可用于检测两端元件的功能型故障。稍加扩充，也可用于检测三端元件的 功能型故障。 2 2 曲线测试原理论证方法 先使用常见的仪器来完成对测试原理的验证，下面就对验证的具体方法做 详细介绍。 从上一节的叙述中可以知道，验证V I 曲线测试需要两个条件：可变的驱动电压 和对电流的测量。 为了得到可变的驱动电压，毫无疑问的需要信号发生器，而对于电流的测量， 可以有两种办法，一是直接用电流表串联在电路中间测量，二是在电路中串入采 样电阻，将电流的澳4 量转换化为对电压的测量。在此采用第二种方法。 进行这样的转化可以提高测试速度，有以下理由： ( 1 ) 为了尽量减少测试电压对电路的影响，通常希望测试电压加在电路板上的 时间尽量的短。 ( 2 ) 既然是用很多不同的电压来测试，当然希望在不影响测试结果的情况下减 少每一种电压下测试的时间。 ( 3 ) 从用户的观点来看也希望更快的看到结果。 在解决了测试速度问题之后，另一个问题是通常测量电流的仪器如电流表、 万用表等很难做到高速度的测量电流；即使可以，用户也无法高速度的读取结果， 更不用说是观察瞬态的变化信号。而电压测量在这方面要好的多，可以使用示波 器等仪器来观察。将电流信号转换成电压信号后，就可以利用示波器等仪器来完 成高速的记录，特别是瞬态波形的记录。另外还有一个重要的原因是驱动频率， 将在2 3 节中详细的讨论。 第二章曲线测试原理 图2 3 曲线测试验证电路示意图 图2 3 表示了对v I 曲线测试验证的电路示意图，图中使用信号发生器作为驱动 电压源，采样电阻完成电流到电压的转换。由于电路中采用了限流电阻，无法直 接知道加在测试对象上的电压，所以使用双通道示波器作为测量仪器，同时完成 电压和电流的测量任务。这样做还有以下好处： 一是不需要通过其它方式就可以得到电压的数值。在专门的仪器中如果将已 知的电压加到测试对象上，那么可以说不用再测量电压就可以获得驱动电压的数 值。但是在本验证过程中使用的是分立的单个通用仪器，无法在示波器中得到信 号发生器中的发生电压的信息。 二是得到了加在测试对象上准确的驱动电压的信息，从某种程度上避免了测 试误差。因为即使是能够得到信号发生器发生的电压信息，但是对于信号发生器 来说虽然输出+ 5 矿的电压，但在输出时和+ 5 y 之间肯定有误差，对实际输出进行 直接的测量就可以避免这种误差。 三是在示波器上直接显示V I 曲线。从图中的示波器的接法可以知道，示波器 的两个通道分别采集的信号就是测试对象上的完整的电压和电流信息，不再需要 其它的运算。而一般示波器都具有x Y 功能，从而可以在示波器上直接显示出测试 对象的v I 曲线。 此处限流电阻的作用是为了同时保护信号发生器和被测试对象，因为如测试 对象短路可能对信号发生器造成破坏，在测试时通过较大的电流容易造成电路板 上元器件的损坏，特别是一些集成电路器件。 1 2 基于V I 曲线的在线测试的研究与实现 2 3 激励对测试曲线的影响分析 2 3 1 万用表测试缺点 在2 1 节中谈到万用表测量的一个缺点是测试点太少，下面再来讨论它的另外 两个缺点： ( 1 ) 万用表一般是电池供电，在较高阻值档时使用的驱动电压一般是由层叠电 池( 9 矿) ，远远超出常见集成电路的电压范围，如果没有适当的保护措旌的话，容 易对电路造成损坏。 ( 2 ) 万用表测试用的是稳恒直流电压，而根据实际电路的测量结果看，节点对 于直流驱动电压和交流驱动电压的测试结果是可能不一样的，并且更多的特性在 交流情况下面表现出来的更丰富。 对于第二点需要分析一下电容和电抗的V I 曲线。 为了讨论的方便，假设对于一个电路节点，如果没有二极管等器件，单纯由 电阻、电容和电抗组成，驱动电压为正弦波，那么其电压电流的关系可以表示成 式( 2 1 ) ： I 删( f ) = ， ( f ) ，f ( f ) ) “( r ) ，f O ) = z = ，+ 豇( 2 一1 ) I “= u 咖2 矿 其中( f ) 和，( ，) 为测试电压和电流，z = ，+ 豇为节点的复阻抗。 2 3 2 纯电阻曲线 如果节点单纯由电阻组成，那么0 ) 以) = z = r = R ，即电压和电流就成固定的 比例，所以其v I 曲线就是一条直线，并且根据电阻阻值的大小不同其对应的直线 斜率也是不一样的。图2 4 给出了电阻V I 益线的示意图，顺着箭头的方向电阻的阻 值逐渐减小。 工 纱 1 r V 图2 4 电阻曲线 第二章曲线测试原理 2 3 3 纯电容( 电感) 曲线 如果节点单纯由电容组成，那么“( r ) f O ) = z = 肛，= 一，2 田e ，即 f ( O = ，2 习锄( f ) ，可以看出电流和电压的波形类似，都是正弦波，但是相位相差9 0 度，其v I 曲线是一个椭圆，在相同的测试电压下，椭圆在电流方向上的大小正比 于测试电压的频率和电容容值的大小。在图2 5 中虚箭头的方向上表示的是电容的 容值和测试电压的频率是逐渐增大的。同时分析一下V I 曲线随时间的变化规律， 可以知道曲线随时间的旋转方向是逆时针的，如图2 5 中实箭头所示。其实如果分 析一下电容的充放电过程也可以得到相同的结论。 如果节点由纯电抗组成的，经过和电容类似的分析可以知道，V I 曲线同电容 是基本一样的，只不过在随时间的变化上一个是顺时针，一个是逆时针。 I 。- 、： 纱一吣- R彳。 图2 5 电容电感曲线 2 3 4 线性组合电路曲线 同样经过类似的分析，可以得到，电阻和电容并联的v I 曲线是电阻和电容 曲线的叠加，如图2 6 所示，其倾斜程度和电阻的阻值相关，椭圆的大小和电容的 容值、测试频率相关。 I 。 弋 ，、1 图2 6 电阻电容曲线 1 4 基于曲线的在线测试的研究与实现 上面谈到的都是理想的器件，在实际电路的器件都不是理想的器件，但是在 一定条件下都可以将其等效为若干理想器件的组合。如实际的电容，一般都有漏 电流，对此就可以等效成电阻和电容的并联，其实际的v I 曲线就类似于图2 6 所示。 2 3 5 结论 从上面的分析中可以知道对于纯线性元件组成的电路，其V I 曲线除了和电路 节点本身相关外，还和激励信号的频率密切相关。而一般的电路节点总是由各种 各样的线性元件或者可部分等效为线性元件的元件组成，总会有不同程度的感性 或者容性存在。所以v I 测试中使用交流信号是很有必要的，因为它可以反映出电 路节点更多的信息。 除了频率外电路节点的特征图还是扫描幅度、限流电阻的函数，这就是说， 扫描幅度、扫描频率与限流电阻是影响特征图的三个基本要素。测试时，须对三 者选择合适的数值，以得到尽可能明显适用的特征图。 2 。4 常见器件的波形 从上节的分析知道电路节点的V I 曲线，实际上是与此节点关联的各器件曲线 的叠加曲线。所以如果知道了哪些元器件关联到该节点上，往往可以推断出该节 点曲线的大致形状；反之，由该节点的曲线形状，可以大致推断出与该节点相关 联元器件的类型。 如果我们对常见器件的波形的有所了解，那么在节点曲线异常时可以迅速地 推断出与之关联的哪个元器件出现故障的可能性较大。 2 4 1 线性器件的曲线 线性器件包括电阻、电容、电感。图2 7 、2 8 分别显示了实际测量到的v I 曲线， 可以看到与理论分析的基本吻合。 图2 71 K o 和1 5 K Q 电阻曲线图2 8 电容曲线 第二章曲线测试原理 2 4 2 二极管的曲线 图2 9 硅和锗二极管的v I 曲线 二极管是最简单的半导体器件，它单向导电，电压电流关系由下式表示： f = 厶0 一1 ) ( 2 2 ) 这是一个在电压一电流坐标上的指数方程。当y 沿正向增加时，电流按指数 规律迅速上升；当矿向负向增加时，f 基本等于负的反向饱和电流，。，为一常数。 二极管电流开始迅速增加时对应的电压值是二极管的导通电压。从图中可明 显看出，锗二极管( 左) 的导通电压比硅二极管的导通电压低。锗管在O 3 矿左右， 硅管在O 7 矿左右。当测试电压低于导通电压时，二极管截止，电流接近于O ，所以 是在电压轴上的水平线。 如果二级管导通特征不好，过了导通电压后电流随电压上升的不够快，则这 段曲线向右倾斜的幅度会大；如果截止特征不好，则二极管的截止曲线会不够平， 向左下倾斜，像个大电阻的曲线。 如果要测试稳压管，选择的测试信号幅度一定要大于稳压值。二极管的特征 曲线又称为P N 结特征曲线。 1 6 基于曲线的在线测试的研究与实现 2 4 3 数字集成电路( I C ) 的曲线 图2 1 0 某I c 实测曲线 对数字集成电路的v I 曲线需要在实践中进行不断的积累，因为其与所测量的 器件密切相关。图2 1 0 显示的是某I c 实测的v I 曲线。数字集成电路的功能种类虽然 繁多，但决定它的管脚曲线形状的是生产工艺( r r L 、M O S 等) 、输出、输入电 路的类型，所以正确的管脚曲线的形状相对较少。熟练掌握这些曲线，就可能不 用比较，直接从曲线上看出被测试器件好坏。文中将在第3 章中详细介绍数字器件 的V I 特性。 所有的电路节点特征都是由电阻、电容、电感和二极管( P N 结) 等四种基本元 件的典型特征构成的。理解这些基本的典型特征，可以简化复杂特征的分析。因 为任何复杂的器件或电路都是这四种元件的组合，它们的特征图中必定包含这四 种典型特征的“痕迹”。 2 5 曲线测试参数 根据以上的分析，参考同类型仪器资料，得到V I 测试需要确定的主要指标如 下： 2 5 1 驱动电压波形 驱动电压波形指驱动电压的变化规律，有正弦波、锯齿波和三角波。实用中 以正弦波为最好，其谐波分量最少，最容易得到稳定的V I 曲线。 第二章曲线测试原理 1 7 2 5 2 驱动电压幅度 驱动电压幅度指提取v I 曲线时加在电路节点上的驱动电压幅值范围。通常的 确定原则是这个范围最好包含电路板的工作电压，但又不能太大，这样既可观察 到在整个工作电压范围内的曲线形状又不丢失有效测试信息，也不必担心幅度过 高引起器件的损伤。实用中推荐使用8 矿，1 5 矿和1 8 矿扫描电压去分别处理5 矿，1 2 y 和1 5 矿器件工作电压的电路板。 2 5 3 驱动电压频率 驱动电压频率指一秒钟完成扫描的次数。将某个频率的驱动电压波形注入到 电路节点时，有时产生自激振荡，不能提取到稳定的v I 曲线，这时换一种驱动频 率就有可能提取到稳定的曲线。 还有一个原因上面提过，就是测试的速度，在需要获取周波数一定的情况下， 驱动电压频率越高，测试速度越快。 频率对电抗性元件的影响很大，对电阻性元件影响甚微。如果被测对象中存 在电容、电感等电抗性元件，就需要选择适当的频率以求最佳的特征图形。 原则上，电容或电感较大时选用较低的频率，反之选用较高的频率。总之， 通过试探以图形明显适用为准。测试集成电路通常使用较低的频率，使用较高的 频率量程可能会因I C 中存在的电容导致特征图中出现环形。 需要注意的是，这个频率与电路的工作频率和器件工作频率均无关。 2 5 4 通道数 通道数是指一次可以同时测试的节点数目。V I 曲线测试通道一般是串行通道， 所以曲线提取实际上是对一个个节点顺序进行的，通过选择开关来分时转换。 所以当器件管脚多于测试仪的通道数，或者测试夹具不适合被测器件的封装形式 时，虽然总是可以用探棒来逐个的提取，但是这会大大影响提取和比较V I 曲线的 效率。通道数越多，夹具类型越多，提取曲线越方便，提取的速度越快。 2 5 5 最大短路电流 最大短路电流是指在最大驱动电压时，被测节点阻抗为零( 相当于直接短路) ， 从测试端流入该节点的电流。在测试非功率元件和I C 芯片时，最大短路电流一般 不超过l O 蒯，而且扫描电压幅度越高，相应最大短路电流越小，以保证测试安全。 但如果希望将该测试方法用于功率元器件如晶闸管等的测试，最大短路电流 控制在l O 加4 以下就显得太小，所以一般测试仪还需要提供一档具有大的短路电流 基于曲线的在线测试的研究与实现 ( 1 0 0 1 5 0 批1 ) ，这样基本可以满足大部分用户的需求。只是切记不要使用此档测 试小功率器件，以免损坏器件。 2 5 6 采集分辨率 采集分辨率指在整个驱动电压幅度内取多少个测试点，在驱动电压幅度一定 时，取点越多，两点间电压差就越小，获取的曲线就越光滑，测试的结果就越 准确。现在多数的测试仪在各种扫描电压及扫描频率下均取1 2 8 个测试点。 2 6 本章小结 在本章中首先讲述了V I 曲线测试方法的由来和原理，然后说明了如何在实验 室情况下用普通的仪器来完成对v I 曲线测试方法的验证，接下来通过理论的计算 分析详细的说明了频率对v I 曲线测试结果的影响，最后在介绍了常见器件的V I 曲 线的形状的基础上详细叙述了v I 曲线测试的主要测试参数及其含义。 第三章曲线扩展测试 1 9 第三章曲线扩展测试 V I 曲线测试除了基本的节点曲线测试外，还可以有很多其它的扩展测试功能， 下面就对其进行详细的阐述。 3 1 三端器件功能测试 “三端器件”指各种可控硅、M O s 型和双极型三极管，以及可以等效为三端 器件的光电耦合器、互感器等。三端器件的应用相当广泛，但是这类器件中除了 双极型三极管可以看成两个相互连接的P N 结，可以用V I 曲线分别检查两个结特性 是否完好之外，其它三端器件无法直接用V I 曲线测试得到满意结果。 3 1 1 三端器件测试原理 比如，用v I 曲线来测试一个单向晶闸管( 设驱动电压是标准的正弦波) 。若栅极 没有触发电平，可控硅不导通，呈现出很大阻抗，往往和开路曲线没有差别，所 以无法判断它是正常或有开路故障。 在可控硅的栅极引入一个与驱动电压信号同步的触发脉冲，使可控硅在测试 过程中出现截止导通两种状态，便可以解决这个问题。对于一个单向晶闸管，可 以使用图3 1 所示触发脉冲。可控硅在触发导通后，阻抗极小，接近短路。因而其 V I 曲线显示图( 如图3 2 ) 上出现一段与电流轴接近平行的竖直线，其偏离电流轴 的距离代表可控硅的导通压降。 I 八 万、： r V 图3 1 辅助脉冲信号 2 0 基于曲线的在线测试的研究与实现 图3 2 晶闸管V I 曲线 3 1 2 驱动电压与触发脉冲要求 上面以单向晶闸管为例说明了如何对三端器件进行测试。当然不同类型的三 端器件，对驱动电压信号与触发脉冲之间的同步关系以及触发脉冲本身可能有不 同的要求。所以在提供辅助的测试脉冲时不但能选择与驱动电压的同步方式，还 要能够选择脉冲的幅值、宽度、个数等参数。 3 1 3 其它三端器件测试 耍矩l ( b )( c ) 图3 3 各类可等效三端器件 图3 3 是常见的几种可以等效为三端器件进行测试的器件。 图3 3 a 可以为三极管，M 0 s F E T 等等三端器件，在瑞施加脉冲信号，驱动电 压旌加在b 上，c 接地即可测试。图3 3 b 是光电耦合器件，图3 3 c 是互感器类器件， 它们的测试方法如下：将b 点与d 点短接后接地，a 点接触发脉冲，c 点接扫描信号， 即可将其等效为三端器件进行测试。 3 2 曲线测试技巧 当然在具体的V I 测试中有时也是需要一定技巧的，通过应用一些特殊的测试 方式可以测量到一些有用的参数结果。 第三章曲线扩展测试 3 2 1 三极管放大倍数测试 图3 4 三极管放大倍数测试不惹图 对于图3 4 的情形，如果在a 端施加已知幅值的脉冲，从而可以近似得到从a 端 流入三极管的电流，在d 端施加固定的驱动电压，然后通过测量得到的电流，通过 计算就可以知道三极管的电流放大倍数。 对于电压放大倍数的计算就更简单了，直接将测量到的b 点的电压幅值除以a 点脉冲的电压幅值就可以了。 实际上结合图2 3 和图3 3 a 可以知道真实的测试电路如图3 4 ，图3 4 中的电阻就 相对于图2 3 中的限流电阻。 3 2 2 导通电压测量 脉冲与扫描信号的配合方式，要依据被测器件的工作原理加以选择，使用的 好可以得到很多有用的测量结果。 在对晶闸管测试中可先将脉冲幅度选得较低，得到其截止曲线，然后再以很 小的增量增加脉冲信号幅值得到导通曲线，在刚导通时候的脉冲幅值就是此晶闸 管的导通开启电压。 3 2 3 使用上拉电阻查找总线故障 对于数字器件和集成电路，V I 曲线测试同样有效。在线功能测试虽可通过对 逻辑功能进行检验而判别出故障器件，但它受到器件库容量大小的限制。测试