電路板路內測試維修儀的設計與使用

姚曉平

（江蘇聯合職業技術學院 南京工程分院，江蘇 南京211135）

電子技術的發展,可以說是隨著器件的發展而得以實現,為此確保器件的正確運行才能保證設備的功能正常。根據維修統計，設備發生故障的原因大部分是器件的端口故障（管腳接觸不良、短路、斷路等）、功能性故障等。現在經常是在無原理圖、怕開機會造成更大的故障、只能在原器件不離開電路板的情況下維修,以往憑借萬能表、示波器等簡易維修儀器和工具已很難對其進行故障診斷與維修。通過隔離方式路內對器件測試、比較、分析快速地找到故障點的要求越來越高。于是路內測試維修儀就此誕生，實踐證明用于維修電子設備具有廣闊的應用前景。

1 路內測試維修儀設計原理

1.1 設計思想來源

設一個質點(x.y)在平面內作簡諧運動，平面以兩個相互垂直的方向X軸和Y軸表示。質點在該平面上的運動軌跡方程可表示為:

將參量t消去,就得到該曲線的直角坐標方程為:

方程(3)是橢圓方程,由橢圓的性質可知,質點的運動軌跡可能是直線、圓或橢圓，由U1和U2的大小決定橢圓活動范圍。該橢圓最后實際形成的圖形，由相位差(ω2-ω1)來決定。

1)(ω2-ω1)=0 （或 π） 時,此時方程 (3)變為 Y/X=U2/U1（或-U2/U1），因此,質點的軌跡是一條直線。

2)(ω2-ω1)=±π/2,U1≠U2，此時方程(3)1。因此，質點的軌跡是橢圓。

3)(ω2-ω1)=±π/2，且 U1=U2=A,此時方程(3)變為 X2+Y2=A2,因此,質點的軌跡是圓。

利用示波器的X-Y功能，X通道和Y通道分別加上不同幅度和初相位的信號時，示波器屏幕上顯示簡單的封閉曲線，這就是李薩育圖形。當兩個方向的頻率具有簡單的整數比值的關系時，質點在X軸和Y軸上的相位和位移的不同，形成的圖形是在直線和橢圓中變化的曲線。

1.2 儀器設計依據

對于缺少原理圖、開機可能燒元件的電子設備我們如何維修我們立刻可以想到2種方法[1-2]。1)根據電路原理和信號走向，判斷可能的故障點；修理、試機、再修理。2)與好電路板做比較。在不通電情況下，提取電路板上器件的電器特征。經過比較好壞電路板上的對應元件電器特征，判斷器件有無故障，進行維修。這就是在線檢測設計儀器的依據。每種電子元件都有唯一的電壓--電流特性圖，給被測元件加上交流電壓信號，被測元件兩端便會產生壓降，用它去控制示波器的水平偏轉，用通過被測元件上的電流去控制示波器的垂直偏轉，它們的共同作用就可以在屏幕上形成電壓--電流關系圖線（VI曲線）。

根據以上方法，就是把過去常用的維修方案，從原理圖、聯機檢測找故障，變換為從原器件和完好的電路板出發。

1.3 儀器工作原理

本儀器是基于示波器顯示系統、儲存功能和接口功能、加裝了一個應用模塊而形成的電路維修測試儀,模塊內具有特殊的精密信號源、VI轉換器和擋位調整器等，利用驅動隔離技術對被檢測元件進行檢測并判斷好壞。具體如圖1所示。

圖1 儀器工作原理Fig.1 Instrument works

圖1 是本儀器的工作原理圖。圖中使用信號源作為驅動電壓源，信號類型、幅度、頻率可設定。測試時，信號源對被測器件施加一個安全使用范圍之內的交變電壓，經過VI轉換器對被測器件完成電壓到電流的轉換，在此信號的作用下產生電壓 --電流圖形，即VI曲線。

1.3.1 測試信號

信號源是本儀器的核心部件,它的穩定性和精度決定了最終的測量結果。經過多次的試驗，最終確定利用鎖相技術使得信號穩定，溫漂<15 ppm/℃，波形失真度<1%；波形采用正玄波、方波和脈沖波；頻率采用三種點頻：50、500、1 000 Hz和連續可調2種形式；幅度1～30 V間可調，利用VI轉換器使得經過被測器件的電流在安全范圍內,電流最大可達200 mA。具有二個測試通道，雙脈沖同步激勵器。具有量程自動掃描、通道交替、鎖定保護等功能。

在測試信號生成電路器件端口阻抗特性是電路固有特性，反映了電路正常與否，但需要外在的測試信號使該特性顯現出來，因此需要相應測試信號產生模塊。測試信號不同，相應VI曲線不同。正弦波主要從電壓幅度、輸出電流和頻率這3個指標影響VI曲線的形成。對不同的器件選擇不同的電壓和頻率。頻率最高可達1 MHz，頻率對電抗性元件的影響很大。對于電容或電感值較大的器件，我們對頻率的選擇是低頻；反之選用較高的頻率。

1.3.2 VI轉換器

保證經過被測器件的電流安全，有表頭顯示。通過轉換器用來和被測器件的阻抗進行匹配，均衡電壓的分配和調節器件上可以承受的電流，同時保護信號發生器和被測試對象等功能。

1.3.3 顯示、比較

為了減少成本，我們充分利用數字示波器的存儲和接口（RS232等）功能。將示波器測量的標準圖形存入儀器或電腦中，比較、判斷器件的好壞。

2 路內測試維修儀的使用

路內測試維修儀使用[3]，特別要注意2個方面的問題：1)要根據器件的實際工作特點，選擇最佳的頻率、電壓和電流；2)要測繪各種器件的VI曲線圖。VI曲線圖又有3類：1)單獨器件標準圖，2)在好的電路板上形成的器件圖，3)各種故障現象圖；只有對這些圖了然與胸，才能做出正確的判斷。經過上百次的對常用器件的單個器件、好板和壞板上3類VI曲線圖的測量，得到了一些規律，但限于篇幅，無法將所有圖形都列出,只介紹幾種特殊情況。

2.1 VI曲線分析

不同類型器件的VI曲線有所不同，基本曲線信號可分為3種:電阻、電容(電感)和晶體管特征信號曲線。若被測對象為電阻，則相應的VI曲線是一條直線。若被測對象為純電容（或電感），且測試信號為正弦電壓信號時，存在關系u(t)/i(t)=jxc=－j/2πfc。其中電流波形特征未改變，仍是正弦波，但相對電壓波形相位相差90°，因而VI曲線為橢圓，且橢圓形狀受測試參數(頻率f、電壓幅度V和限流電阻)的影響。但實際電路中，電容會出現少量漏電現象，其橢圓VI曲線會發生傾斜。純電抗曲線同電容基本一致，區別在于曲線方向，電容曲線隨時間順時針變化，電感曲線相反。二極管是最簡單的半導體器件，電壓電流關系為:i(t)=IS(eV(t)/0.026－1)，這是一個在電壓 －電流坐標上的指數方程。電壓沿正向增加時，電流按指數規律迅速上升；當電壓負向增加時，電流趨于負反向飽和電流IS。因此二極管VI曲線為一條類指數曲線。下面是測試實例。

電阻類VI曲線圖如圖2所示。

電容（電感）類VI曲線圖如圖3所示。

晶體管類VI曲線圖如圖4所示。

由圖2～圖4的圖形，簡單的分析就可以看出對于純線性元件組成的電路，VI曲線除了與電路板中器件的分布有關外，還和外部所加激勵信號的頻率、幅度和電流相關。在電路中，經常碰到的是電阻、電容、電感和晶體管的串聯、并聯的組合，也就是可以認為是純線性元件，阻抗的大小，VI曲線就是斜率不同的直線；另一類是線性元件和等效線性元件的組合，即有感性或者容性存在，這時VI曲線比較復雜，有直角、彎曲線、橢圓等。如果由于管腳之間的阻抗、感性或者容性發生了改變，經測試儀測量后就會發現VI曲線與好的電路板上相同點測試的VI曲線不同，由此，就可以發現故障元件了。

圖2 隨著阻值量的變大，直線的斜率變大,貼近水平基線Fig.2 With the amount of resistance becomes larger,the slope becomes larger,the level close to the baseline

圖3 隨著電容量（電感）的變大，橢圓開口變小Fig.3 As the capacitance(inductance)becomes large,small oval openings

圖4 二極管VI曲線Fig.4 Diode VI curve

2.2 維修應用

由圖2可以看到，當器件管腳二端阻抗為零,即短路狀態，儀器上顯示一條垂直線；當器件管腳二端阻抗為無窮大，即斷路狀態，儀器上顯示一條水平線。這二種現象是我們維修中碰到最多的，器件被燒斷了或短路了；電路板器件管腳虛焊，管腳對地之間阻值等效為無窮大，相應VI曲線就是平行于電壓軸的一條直線[4-6]。

對于晶體管、可控硅等三端器件的測試，采用正弦波和脈沖的同步匹配模式。先測試兩個極的元件端口特性。然后調整脈沖源的脈沖幅度、寬度測試三端器件的開關特性，如可控硅的導通角、IGBT、MOS管、晶體管的開關性、繼電器的動作、各類光耦的耦合特性等。

對于集成塊，因為其內部是電阻、電容、二極管等元件的綜合效應，通過實驗，只要測量輸入、輸出管腳對V+或V-管腳之間的波形就基本能判別集成塊的好壞。

還有一些現象就比較難判斷，經常稱為“虛斷”、“虛短”，只有在工作狀態時才能發現。如4069集成電路，它是6非門電路，其輸入輸出關系為當輸入高電平時輸出低電平。當輸入低電平時就可以測到有高電平輸出，但有沒有按照規定時間內有輸入就有輸出即時序問題就無法判斷了。類似于斷路、短路問題，我們認為是端口特征測試；對于高、低電平測量是功能測試；而時序問題就是性能測試了。本儀器可實現功能測試，是定性測量。

路內測試維修儀通過檢測電路板上每個元器件性能是否正常尋找電路板上故障點。通常在維修中，很難獲得設備或器件的相關功能說明、電路原理和各點參數值等詳細資料。應用該儀器提取VI曲線，進行比較、模擬分析，根據差異大小判斷有無故障，找到故障點實現修理的目的。

3 結束語

路內測試維修儀的應用，解決了故障電路板在不加電的情況下，可以診斷出故障元器件的位置，簡化了分析電路原理和追究信號來源的過程。在測試時，由測試儀在電路板上對器件以隔離方式施加交流信號進行檢測，提取VI曲線判斷器件的好壞，而無需將元件從電路板上取出。對電子設備和系統維修有很好的應用,故障修復快，修理成本小，可以達到元件級維修。與傳統的修理儀器和工具比修復率高，是維修工具的最佳選擇。降低了維修人員的要求。

[1]牛海斌．基于VI曲線的在線測試的研究與實現[D].西安：西安電子科技大學，2008.

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