电路板故障检测技术ASA（VI）曲线测试简析

 　  Analog Signature Analysis(模拟特征分析)是一种广泛应用于电子电路板的故障检测技术。具有以下特点：

　　1．不涉及电路原理，无需电路处于工作状态，所以可用于没有图纸资料，脱离设备（无需联机检测）的电路板的故障检测；

　　2．测试时不需给电路板加电，相对更安全；

　　3．不涉及电路板上器件的功能，所以无论电路由什么类型的器件组成，包括数字的、模拟的、数模混合的、功能已知的、未知的（如专用、可编程）等等，均可测试；

　　4．它是逐电路结点（器件管脚）进行测试的，基本上不受电路板上元器件封装的限制。

　　由于单个器件可以看成最简单的电路板电路，所以ASA技术也能够用于检测电子元器件的好坏。尤其是它不涉及器件功能，不受器件封装限制，成为许多用户检测大规模、复杂或功能未知集成器件好坏的唯一手段。

　　ASA用于检测分立元件功能好坏时，还有方便、直观等特点。

　　一、ASA基本原理

　　就基本检测原理而言，ASA测试可以看成万用表检测法的自然延伸。

　　对于无电路原理图纸、脱离了设备的电路板，最常用的万用表故障检测法是这样的：先测出好PCB板上器件管脚（实际是电路结点）的对地电阻；然后与故障板上相应器件管脚的对地电阻进行比较，根据差异大小来判断该结点上有无故障。由结点到具体元器件需要人工确定。许多人都用这种办法修好过复杂、昂贵的电路板。

　　这种办法除了对使用者要求较高，效率低之外，影响其故障检出率的主要原因是,万用表只能检测在1.5V（万用表电池电压）下的阻抗值，而半导体器件引脚的阻抗是随测试电压的变化而变化的——不同测试电压下的阻抗未必相同。比如，某TTL器件管脚在2.5V有软击穿,产生较大漏流。这样的故障就检测不出来。

　　ASA测试是在一个电压区间内、而不只是一个电压点下进行测试比较。可以这样理解ASA测试——设想你有几十、或上百块万用表，每块表的电池电压都不一样——电压范围包括了被测器件的工作电压。对每一个管脚，都用这些表全部测试、对照一遍，上面所说的故障就会被检测出来了。

　　除了故障检出率相当高之外，ASA测试在维修检测中广受欢迎的另两个原因是：

　　1．测试效率很高。以汇能测试仪为例。对一个40脚器件，在每个引脚上测128个电压点，测试时间不到1秒；

　　2．从好板上提取的测试数据可存入计算机中（即建立板库），作为以后进行检测的参照标准，反复使用。

　　二、基本ASA测试的实现方法

　　用测试仪产生一个变化的电压信号加在被测试对象上，同时记录不同电压下的电流。把随电压变化的电流在电压-电流座标系上表示出来，得到一条（阻抗）曲线。使用者通过比较好、坏电路板相应结点的曲线的形状差异，进行故障判断。

　　理论和实践都表明，使用以正弦规律变化的电压信号（正弦波）的测试效果最好。所以无论进口的、还是国产的此类测试仪，都用正弦波作为主要测试信号。

　　鉴于微机的普及，为了降低开发难度和产品成本，目前的此类测试仪产品多数都和微机配合使用。测试仪产生正弦波测试信号；微机在专用测试软件控制下，接受用户指令、实现测试算法、按用户的要求控制测试仪施加测试信号、显示测试结果、存储测试数据。

　　下面从实际使用要求出发，对如何得到高效、实用的ASA测试功能，进行一些讨论。

　　三、关于配接微机

　　从当前微机技术以及发展来看，测试仪的软硬件应该：

　　1．测试软件应支持主流操作系统版本

　　自Win98后，Windows操作系统对外部设备的管理机制作了很大改动。在Win98上运行的测试程序，不能自动升级到其后的系统版本上运行。鉴于Win98及以下的操作系统很快会完全退出使用，如果测试软件不能支持主流的操作系统版本，比如Windows XP,将会给用户以后使用带来麻烦。

　　2．测试仪最好支持USB口

　　早期的测试仪采用在计算机内插卡的方式实现和计算机的配接。由于这种方式缺点较多，又转用并口（打印口）配接。但近年来速度快、更安全（允许带电插拔）的USB口得到了迅速普及，目前市场上带并口的笔记本电脑已经十分少见，在台式机上也许会逐渐消失——常用计算机外设，如打印机、扫描仪、数码产品都是USB口了。如果测试仪不支持USB口，会影响用户微机的换代更新。

　　四、关于测试信号

　　对任何一种电子仪器，测试信号都是构成整个测试功能的基础。它的质量，基本决定着测试仪的测试质量。

　　1．关于主测试信号——正弦波：

　　为了保证测试效果，同时又不至于损伤被测器件，正弦幅度应大于被测器件引脚的实际工作电压，小于其极限电压。由于不同元器件所需电压值不同，这就要求测试仪输出的正弦波幅度可调。

　　显然，可调的范围越宽、允许调整的步距越小（分档越多）越好。目前市场上比较低档的测试仪产品一般有±4V、±8V、±18V、±28V等几个档；汇能测试仪的电压幅度从±1V--±28V，以0.5V步距可调，也就是分成了五十多个档，能更好地满足对更多种类的电子电路板、电子元器件的检测要求。

　　b． 最大输出（短路）电流

　　将正弦波短路后所能流出的最大电流叫做最大输出电流：

　　最大输出电流=等于正弦峰值/输出电阻

　　目前多数国产测试仪的最大输出电流在十几毫安到二、三十毫安。据我们的经验，这适用于测试一般集成电路，比如74系列器件。如果考虑到测试功率更大一些的集成器件、大电容（上万微法）、大功率三极管等，最大输出电流应该更大一些。汇能测试仪的最大输出电流可达150mA。

　　c．频率范围

　　频率范围越宽，越能更好地适应对容性、感性结点的测试。比如，用汇能测试仪能测出一、两万微法电容的有效ASA曲线——曲线不会蜕化成一条短路线，从曲线上可以明显看出是否漏电、容量是否够。

　　d． 保真度（或失真度）

　　指实际产生的正弦波与理想正弦波的形状差异。非直流结点的ASA曲线形状不仅与频率相关，也与波形的形状相关。比如，电容的ASA曲线只在正弦波下是椭圆。

　　e． 关于正弦波产生中的问题

　　由于ASA测试通过曲线形状来判断故障，所以测试结果的一致性、可重复性十分重要。测试结果的一致性、可重复性由测试信号的稳定性——频率准确度和波形保真度保证。

　　比如，可这样观察微机运行状况对测试信号的影响——保持测试仪连续输出测试信号，用示波器持续观察，然后打开另一个任务，比如播放音乐，就会看到测试信号的形状变化；更简单的办法是测一个电容。如果电容的ASA曲线在播放音乐前后有所不同，就说明微机的运行状况对测试信号有影响。这会导致使用者的误判。

　　即使没有打开用户任务，也会有系统任务在后台时起时停，同样会影响测试信号。观察时间长一点就能发现。

　　就作者对这种测试仪的了解，导致这种现象的原因是由于硬件过于简单——测试仪没有独立的定时（CPU）电路造成的。

　　汇能测试仪完全不存在这种问题。最近经军检，它的测试信号的频率准确度、波形失真度均小于2%，不随外部条件变化。当然，汇能测试仪的硬件也相对更复杂一些。

　　2．关于辅助测试信号——脉冲：

　　引入脉冲辅助测试信号，是为了使ASA测试能够更好地用于三端器件的测试。闸流管、MOS三极管、甚至继电器、电压调节器等都可以看成三端器件。

　　以闸流管为例。仅在它的阳极和阴极之间加ASA测试信号，只能发现两极之间是否短路、或有漏流，不能发现开路、或导通不良的故障。引入一个脉冲信号加在闸流管的控制极，控制管子在ASA测试期间出现导通、截止两种状态，就能对闸流管进行较为全面的检测。

　　不同的三端器件需要不同的控制方式——正弦波和脉冲匹配（同步）形式。

　　有的测试仪产品没有脉冲辅助测试信号。有的实现的比较简单。比如某种国产测试仪上的三端测试信号，实际上仅是一个大小可设的直流电平，和ASA测试信号没有同步关系。

　　汇能测试仪为了更好地满足各种三端器件的不同测试要求，共设置了八种脉冲和正弦波的匹配方式。相对于正弦波来说，脉冲的起始、结束位置及宽度、高度均可调整；支持单向触发、双向触发。详细情况请参阅有关产品说明。

　　五、关于测试通道数

　　测试信号的好坏决定了测试质量，测试通道的多少主要影响测试效率。使用要求不同，对通道数的多少要求也不同。主要有以下三种：

　　1．在线测试：目前对多于80个管脚的器件，基本上没有能配合使用的测试夹，所以80个通道基本满足使用要求；

　　2．电路板端口测试：通过转接板以及板上的相应电路板插座，把测试通道引到电路板各插脚，然后进行单/多端口测试。通常160个通道即可满足大多数使用要求;

　　3．超大规模集成电路离线测试：对于各种超大规模器件，除了ASA测试，一般用户几乎没有其它测试手段。这种测试和电路板端口测试相似，只不过转接板上是器件插座而不是电路板插座。这种情况需要的通道数依器件脚数而定。

　　需要特别说明的是，这里仅讨论测试信号和测试通道数对ASA测试的影响。一般的电路在线维修测试仪都有多种功能，其它功能也会用到这些硬件资源。比如汇能测试上的电路板网络测试也要求较多的通道数。

　　六、提高基本ASA测试的故障检出率

　　1．单端口测试vs多端口测试

　　所谓的单端口测试，通常指所有的电路结点（器件管脚）分别与电路板的“地”组成一个个的端口，ASA测试信号总是加在这些端口上进行测试。在单端口的方式下，对一个有N个脚的器件，总共处理N条曲线。

　　所谓的多端口测试，是指对一个器件的任何两个管脚组成的端口，都要进行ASA测试。在多端口的方式下，对一个有N个管脚的器件，最多处理N×N条曲线。多端口测试易于检测两个管脚分别对地的曲线没有大的变化，但两个管脚之间的曲线变化很大的故障。

　　在汇能测试仪上，对多端口还分了三种情况考虑：

　　a．多端口对称：

　　当处理了2脚对3脚组成的端口后，如果还要处理3脚对2脚组成的端口，就叫做对称方式。这类似于用万用表测试时，调转表棒再测一次。否则称为非对称方式。

　　由于ASA使用正、负对称的交流测试信号，多数情况下，对同一端口调转信号后测到的曲线和原曲线是对称的，也就是说不能提供更多的故障信息。采用对称方式更多是为了方便故障分析，提高使用效率。不过也存在不对称情况。

　　b．非对称含参考脚：

　　c．非对称不含参考脚：

　　所谓含参考脚指要测试1脚对1脚、2脚对2脚、......N脚对N脚组成的端口。正常情况下，这种端口曲线一定是条短路曲线，否则，可能存在其它问题，所有与该脚组成的端口曲线不可信。就是说，含参考脚有利于提高测试可靠性。

　　2．自动、手动曲线灵敏度选择

　　ASA测试是依据两条曲线的形状差异来检测故障的，但是，测试数据的差异，与把数据以曲线的形式显示出来后，曲线之间的差异并不成正比。用机械式万用表打个比方。指针越接近中央位置，同样比例的阻值变化引起的指针摆幅越大，也就是指针位置关于故障的灵敏度越高。

　　对于ASA曲线可以证明，在电压—电流坐标下（VI曲线），曲线的整体走势越接近45度，对故障的灵敏程度越高；如果测试曲线是一个封闭图形，如电容，曲线包围的面积越大，对故障的灵敏度越高。

　　为了得到较高灵敏度的曲线，可以调整测试信号的输出电阻。输出电阻值越接近被测结点的等效电阻值，得到的曲线灵敏度越高。

　　汇能测试仪允许手动/自动选择较高灵敏度曲线。手动选择试利用测试软件允许按端口设置测试参数的特点，对任意一条曲线可以修改测试参数后重测，由使用者判断、选择灵敏度较高的曲线。手动调整的缺点是麻烦，当曲线很多时很难逐一观察、选择，另外当曲线形状不规则时，往往很难直观判断什么样的曲线灵敏度更高一些；自动调整是用算法自动选择灵敏度较高的曲线。自动选择所需的测试时间相对较长一些。

　　3．按端口设置测试参数、重测

　　并非同一个器件的所有管脚都适用于同样的测试参数。举个典型的例子：集电极开路器件的输出往往耐压较高，多用于驱动数码管、继电器等，而输入一般是标准电平，所以对于输出、输入的测试信号的幅度应该不同，才能达到全面检测的目的。

　　汇能测试仪有普通设置和特殊设置两个设置窗口。普通设置对所有的端口有效，而在特殊设置中可对少数特殊端口进行重设。特殊设置的优先级别高于普通设置。

　　在完成测试后，如果对测试结果不满意，还可以利用单曲线处理功能，用鼠标选中不满意的曲线，打开该曲线的设置窗口，重设后重测该曲线。