ASA測試應用特點及電路在線維修測試儀的設計

ASA（VI曲線）測試是最重要、最常用的電路在線維修測試技術之一。目前市場上的各種電路在線維修測試儀產(chǎn)品上都具有基于該技術的測試功能。由于各家對此項技術在應用中的問題了解的程度不同，或受技術水平高低所限，導致不同產(chǎn)品上此項測試功能差異頗大，最終是使用效果明顯不同。

本文從實際應用角度，討論了影響ASA（VI曲線）測試的故障檢出率、測試可靠性、使用效率等方面的問題，并且以匯能測試儀為例，介紹了一些如何解決的辦法。本文不僅對電路在線維修測試儀設計，而且對更具體地評價、更好地使用此項測試功能有較大參考價值。

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)?；旌系摹⒐δ芤阎?、未知的（如專用、可編程）等等，均可測試；

4． 它是逐電路結(jié)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。

二、 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：先測出好板上器件管腳（實際是電路結(jié)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(jié)點上有無故障。由結(jié)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。

三、 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(jié)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(jié)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。

四、 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(zhuǎn)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，在臺式機上也許會很快消失——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。

五、 關于測試信號

對任何一種電子儀器，測試信號都是構(gòu)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：

a．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(jié)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(jié)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(jié)果的一致性、可重復性十分重要。測試結(jié)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。

目前市場上有的國產(chǎn)測試儀測試信號穩(wěn)定性差的主要表現(xiàn)是，信號頻率和形狀隨配接微機的速度、微機的運行狀況變化。

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。

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?qū)ú涣嫉墓收稀Ｒ胍粋€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(jié)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。

六、 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(zhuǎn)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(zhuǎn)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)。

七、 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(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)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。

f． 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(qū)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(jié)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。

八、 提高測試可靠性

實際使用中，大致有以下原因?qū)е虏荒艿玫秸鎸嵉墓?jié)點曲線，從而引起故障誤判。測試可靠性指測試儀能夠識別出不真實的ASA曲線的能力。

1．接觸問題

接觸問題是影響故障判斷的常見問題之一。當測試到開路曲線的時侯，其實很可能是由于接觸問題——器件管腳氧化、防銹涂層未打磨干凈、測試探頭磨損等原因所引起的，所以在實際使用中，一旦發(fā)現(xiàn)開路曲線，都要再次確認——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(xiàn)實，因此，匯能測試儀設有自動判斷開路曲線的功能，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(jù)提示很容易找到它的所在。

2．曲線穩(wěn)定性問題

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(wěn)定。導致不穩(wěn)定曲線的原因主要有以下三種：

a．自激導致的不穩(wěn)定

電路結(jié)點的電特征千差萬別，ASA測試將一個正弦波注入電路結(jié)點，某個結(jié)點正好在這個頻率下出現(xiàn)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(xiàn)象是大面積散點，并且沒有最終的穩(wěn)定狀態(tài)。更換測試信號頻率即可消除。

b．過渡過程導致的不穩(wěn)定

當結(jié)點的充、放電常數(shù)相差較大時所導致。這種曲線的現(xiàn)象是當反復測試時，曲線逐步向一個穩(wěn)定狀態(tài)靠近，有一個最終的穩(wěn)定狀態(tài)。

c．測試MOS器件時的不穩(wěn)定

前兩種不穩(wěn)定主要發(fā)生在電路板測試時，而這種不穩(wěn)定主要發(fā)生在測試單獨的MOS器件時。導致這種不穩(wěn)定的原因是器件中的MOS晶體管隨測試信號上升、下降的開關過程不同。

這種不穩(wěn)定的現(xiàn)象是曲線上下跳，似乎是兩條穩(wěn)定曲線輪流出現(xiàn)一樣。測試時只要把器件的電源腳和地腳都接地就可消除。

不穩(wěn)定曲線容易導致誤判。但當一次測試要處理成百上千條曲線時，依靠人工來發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定曲線很不現(xiàn)實，因此，匯能測試儀設有自動判斷曲線是否穩(wěn)定的功能，在所有測到的曲線中，只要存在不穩(wěn)定曲線，就給出提示信息，用戶可以根據(jù)提示很容易找到它的所在，然后按上述方式處理、重測即可。

九、 改善人-機界面和使用效率

1．測試結(jié)果索引方式

當一次處理成百上千條曲線的時候，能否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．迅速找到異常曲線，比如：開路、不穩(wěn)定、比較超差曲線；

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，用戶可首先根據(jù)總體示確定是否存在問題曲線，如果有，再利用上、下翻頁功能，很快找到有錯誤的頁；

c．頁內(nèi)曲線排列方式

在學習曲線時，有兩種曲線排列方式：

1） 先異常、后正常排列方式；

由于學習時主要關心異常曲線，所以通常使用這種方式，將異常曲線排列在前面，便于處理；

2） 管腳順序排列方式

在曲線比較時，支持三種曲線排列方式

3） 按誤差減小的順序

自動將誤差較大的比較結(jié)果排在前面。由于比較時主要關心超差曲線，所以通常使用這種方式，將誤差大的曲線排列在前面，便于處理；

4） 按誤差增加的順序

自動將誤差較小的比較結(jié)果排在前面

5） 按管腳順序排列曲線

d．由曲線索引端口

先通過上下翻頁找到與所需管腳組成的曲線頁（單端口方式只有一個曲線頁）。若（管腳）曲線較多，超出了一屏的顯示范圍，可以用鼠標拖動滑動條滾屏，把所需曲線滾到可顯示區(qū)域；

e．由端口索引曲線

對一個40腳的器件做完多端口測試，如何能迅速找到某個端口的曲線，比如由20腳和5腳組成的端口曲線呢？按端口索引曲線專門用于解決這類問題。打開端口索引窗口，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，無需再用鼠標拖動滾動條，該端口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(shù)情況下，在電壓-電流坐標上觀察ASA曲線，但對有的測試結(jié)果，換一種坐標可能更容易理解，更容易把問題的本質(zhì)暴露出來。這就好比幾何中有直角坐標系、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(chǎn)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(shù)后再測。

有的測試儀不支持單曲線重測，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。還有的不能給不同的曲線設置不同的測試參數(shù)，這就不能完全滿足使用要求。

十、 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(shù)據(jù)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

為了詳細觀察曲線，可以從頁顯示切換到單曲線顯示，即整個屏幕只顯示一條曲線。

3．顯示/隱藏坐標參數(shù)

當選擇顯示坐標參數(shù)時，測試每條曲線的正弦波的幅值和短路電流將出現(xiàn)在顯示該曲線的坐標軸上。

g． 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?？梢允菧y完好的立即測壞的；也可以是以后的任何時候再對懷疑有故障的電路板進行比較。一般把第一步叫做學習或建庫。由于這種方式下自動保留測試標準——對好板的測試結(jié)果，無需總有好板，所以一般推薦使用這種方法。

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。這種方式不保留測試結(jié)果。

5．動態(tài)/靜態(tài)測試

所謂動態(tài)測試是指反復測試一條曲線，反復顯示最新測試結(jié)果，測試儀一直在動作之中，直至人工停止為止，所以叫動態(tài)測試。有人稱之為自動巡檢。動態(tài)測試可以觀察到各種不穩(wěn)定曲線。

所謂靜態(tài)測試是指僅測試指定次數(shù)，顯示最后一次測試結(jié)果。用戶看到的曲線是靜止的，所以叫靜態(tài)測試。

6．求取平均曲線

該功能通常用于為大量的相同被測試對象（比如測試一批相同器件）建立更高質(zhì)量的標準曲線庫。用戶可以先測試多個器件，得到多個曲線文件，然后利用該功能把多個曲線文件平均成一個曲線文件，作為以后的測試比較標準。

ASA的技術原理并不復雜，然而，要把ASA測試實現(xiàn)成一個強大、高效的測試功能卻并不簡單。以上是作者多年從事此項工作的一些經(jīng)驗、體會。不當之處，敬請指正。

責任編輯：gt