5cVI曲線鷹爪5線測試法

楊宇明，張廣宇

（1.北京正達時代電子技術有限公司，北京 100083；2.機械工程信息研究院，北京 100037）

0 引言

圖1窗口中的VI曲線形態奇特，有別于當前國內外電路測試儀VI曲線顯示形式。這就是北京正達時代電子技術有限公司經過深入研究，2018年6月首創應用5cVI曲線鷹爪5線測試法。測試時，5種坐標系（5種色彩曲線）疊加在同一個窗口。

圖1 5cVI曲線鷹爪5線測試法

鷹爪5線測試法（Eagle Claw 5-Curve Test Way）簡稱5cVI曲線。測試形態像鷹爪，測試效果像鷹爪，5線是基本特征。無論結點阻抗故障出現在任何區域，5cVI曲線都能夠如同鷹爪一般以最高靈敏度進行捕捉，一切阻抗故障全不會漏檢。

1 VI曲線測試和VI曲線阻抗中值

1.1 什么是VI曲線測試

在電路2結點之間施加1個一定幅度和頻率的周期信號，在顯示坐標上形成1條電流隨電壓變化的函數曲線，即VI曲線。VI曲線的形狀由被測結點之間的阻抗特性所決定。例如：電阻兩端的VI曲線是1條經過坐標原點的直線。二極管兩端的VI曲線是PN結反向截止與正向導通特性的反映。參照圖2，以1 kΩ坐標系窗口為例，二極管VI曲線（音線）和1 kΩ電阻VI曲線（銀線）對比。

器件故障經常會伴隨管腳之間阻抗特性的改變。通過比較好壞電路板（或器件）上相同結點之間的VI曲線，可以發現阻抗特性發生改變的結點，從而確定故障器件。直接觀察或兩者對比VI曲線的過程稱作VI曲線測試。

1.2 什么是VI曲線阻抗中值（坐標系）

在±8 V，8 mA顯示坐標下，1 kΩ 和 2 kΩ（或500Ω）的VI曲線差別明顯，而 8 kΩ和>8 kΩ（更趨近 x軸）的VI曲線以及100Ω和約100Ω（更趨近y軸）的VI曲線差別不明顯（圖 3），以1kΩ坐標系窗口為例，測試靈敏度向兩軸方向越來越低。VI曲線越趨近x軸或y軸，對阻抗差異的區分能力越差，靈敏度越低。一旦VI曲線重合于x軸或y軸，將無法進一步反映被測器件管腳阻抗特性變化。因此，當比較2條VI曲線時，應避免VI曲線過于趨近x軸或y軸，盡量使其趨近45°線區域，以便觀察VI曲線形狀或位置的細微變化。

在VI曲線窗口中，45°函數曲線對應的阻值被稱作阻抗中值。例如：在±8 V，8 mA窗口中，45°線對應的是1 kΩ阻值，即阻抗中值是1 kΩ。這個窗口簡稱1 kΩ坐標系。阻抗中值附近（即45°線區域）的測試靈敏度最高。對于遠離45°線區域的VI曲線，應另選一種阻抗中值（坐標系），使VI曲線盡量趨近45°線區域。這一點非常類似于指針式萬用表的電阻擋量程設置。

圖2 普通VI曲線窗口處于1種坐標系

圖3 VI曲線測試靈敏度變化規律

正達測試儀具有5種阻抗中值（坐標系），分別為100Ω，1 kΩ，10 kΩ，100 kΩ，470 kΩ。調整阻抗中值（坐標系）的一般原則：當VI曲線過于趨近x軸時，應選擇更大一擋的阻抗中值；當VI曲線過于趨近y軸時，應選擇更小一擋的阻抗中值。以便VI曲線處于最佳顯示范圍。

VI曲線最佳顯示范圍是指電路結點阻抗變化能夠引起VI曲線發生明顯變化的區域，即靈敏度最高的區域，位于阻抗中值0.3～3倍區域。阻抗中值為100Ω，1 kΩ，10 kΩ，100 kΩ，470 kΩ 時，VI曲線 5 種坐標系的最佳顯示范圍分別為（30～300）Ω，300 Ω～3 kΩ，（3～30）kΩ，（30～300）kΩ，150 kΩ～1.5 MΩ。通過調整阻抗中值（坐標系），正達測試儀VI曲線的最佳顯示范圍能夠完整覆蓋30Ω～1.5 MΩ的全部區域。無遺漏、無死角。VI曲線在最佳顯示范圍之外區域也具有辨識度，但靈敏度向兩軸方向會逐漸降低，直至無法辨識。另外，測試頻率和掃描電壓等因素也會影響VI曲線測試靈敏度，但遠無法和阻抗中值因素相比。

2 結點全域阻抗故障難題

由于VI曲線窗口具有多種坐標系，因此單就每一個窗口而言，只能覆蓋部分區域的阻抗故障，都無法在一個窗口中覆蓋全部區域的阻抗故障，勢必形成測試盲區。這就是結點全域阻抗故障難題。

2.1 VI曲線零點電壓測試盲點問題

有人撰文提出，2個反向PN結（二極管）又并聯1個15 kΩ電阻時，由于在PN結正負向導通之后導通電阻很小，完全淹沒了15 kΩ電阻——電阻是否存在基本不影響VI曲線形狀；這個15 kΩ電阻只能在VI曲線測試時0電壓點附近（2拐點之間，PN結電阻遠>15 kΩ）才能呈現出來。但是有15 kΩ電阻的VI曲線和無15 kΩ電阻的VI曲線形狀相差不多——故障會被掩蓋。電路測試儀不能發現這個問題，必須采用其他測試方法。這就是所謂的VI曲線零點電壓測試盲點問題。

由于2個反向PN結（二極管）截止區段阻值很大，又并聯1個15 kΩ電阻，根據并聯關系，該區段阻值約等于15 kΩ。此時如果在100Ω和1 kΩ坐標系下測試VI曲線，由于15 kΩ電阻遠大于這2個坐標系的阻抗中值，必然重合或趨近于x軸，混同于2個反向PN結（二極管）截止區段，無法發現。如果2塊電路板對比VI曲線，好電路板上只有單純的2個反向PN結，而故障板上還存在15 kΩ電阻，在100Ω和1 kΩ坐標系下這個故障會被漏掉，出現測試盲點（圖4左）。

如果在10 kΩ坐標系下測試VI曲線，問題會顯現。15 kΩ電阻接近于10 kΩ阻抗中值所處的45°線位置，與單純2個反向PN結截止區段的VI曲線不同（圖4右）。可以想象在100 kΩ和470 kΩ坐標系下測試的情形，由于15 kΩ電阻遠約100 kΩ和470 kΩ阻抗中值，在100 kΩ坐標系下VI曲線更趨近于y軸，近似于和x軸垂直。在470 kΩ坐標系下VI曲線重合于y軸，完全和x軸垂直。2個反向PN結又并聯1個15 kΩ電阻，在100Ω坐標系出現x軸測試盲區，淹沒15 kΩ電阻（圖4左）；在10 kΩ坐標系消除盲區，15 kΩ電阻顯現（圖4右）。可見，有人提出這個關于盲點的具體問題有積極意義。但由于對電路測試儀使用方法不熟悉，做出電路測試儀不能發現這個問題的結論是錯誤的。

圖4 改變阻抗中值（坐標系）消除x軸測試盲區

2.2 VI曲線零點電壓測試盲點的電容問題

由于電路板上存在電容，在測試過程中可能會出現VI曲線電容盲點。例如在1 kΩ坐標系下測試VI曲線，好壞電路板在0電壓點附近都是一個閉合電容VI曲線。使用人容易忽視，出現電容盲點（圖5左）。這就是所謂的VI曲線零點電壓測試盲點的電容問題。但是如果換成100Ω坐標系，盲點就會消失。好電路板上還存在2個反向PN結，而壞電路板上沒有（圖5右）。2個反向PN結又并聯1個電容，在1 kΩ坐標系出現y軸測試盲區，只出現電容閉合曲線（圖5左）；在100Ω坐標系消除盲區，在電容閉合曲線兩端又出現2個反向PN結上下導通曲線（圖5右）。

2.3 關于VI曲線兩軸測試盲區

當VI曲線趨近于或重合于兩軸時，便進入當前坐標系下的窗口邊界，形成兩軸測試盲區。VI曲線兩軸測試盲區又分為x軸測試盲區和y軸測試盲區。例如在100Ω坐標系下，10 kΩ電阻和水平開路VI曲線沒區別，看不出存在10 kΩ電阻，這就是x軸測試盲區。應換成10 kΩ坐標系。再如在10 kΩ坐標系下，100Ω電阻和垂直短路VI曲線沒區別，看不出存在100Ω電阻，這就是y軸測試盲區。應換成100Ω坐標系。

VI曲線兩軸測試盲區有多種表現形式，是最根本的問題。實質上，所謂的VI曲線零點電壓測試盲點問題就是x軸測試盲區。而所謂的VI曲線零點電壓測試盲點的電容問題就是y軸測試盲區。兩者都是VI曲線兩軸測試盲區的具體實例。根據調整阻抗中值（坐標系）一般原則：當VI曲線過于趨近x軸時，應選擇更大一擋的阻抗中值。所以前者要調高阻抗中值，使重合于x軸的15 kΩ電阻遠離x軸；當VI曲線過于趨近y軸時，應選擇更小一擋的阻抗中值。所以后者必須調低阻抗中值，使趨近于y軸的2個反向PN結遠離y軸。

圖5 改變阻抗中值（坐標系）消除y軸測試盲區

2.4 關于結點全域阻抗故障難題

VI曲線窗口只能覆蓋部分區域的阻抗故障，存在兩軸測試盲區。使用人通常不了解電路結點實際情況，無法預判阻抗故障的大致范圍。加之一些人對電路測試儀使用方法不熟悉或存在嫌麻煩圖省事的心理，沒有選擇最恰當的阻抗中值（坐標系），因而出現各種盲點。

VI曲線測試中遇到的各種盲點問題，以及最根本的VI曲線兩軸測試盲區，正是VI曲線結點全域阻抗故障難題。如果只是糾結于測試盲點的具體實例，沒有抓住兩軸測試盲區這個根本問題，不能夠從結點全域阻抗故障這個視角看問題，只見樹木，不見森林，處理問題時會顧此失彼。

2.5 力求破解結點全域阻抗故障難題

北京正達時代電子技術有限公司力求破解結點全域阻抗故障難題，關注過一些國外同行設備，發現這是一個普遍存在的難題。

為尋求破解這個難題的有效方法，正達測試儀率先采用雙窗口測試。由于正達測試儀VI曲線探棒巡檢窗口既可以通過集成界面打開，也可以再通過快捷鍵打開另一個窗口，2個窗口測試參數可以獨立設置。因此采用單探棒測試時，可以將2個窗口都設置為探棒1，并設置不同阻抗中值（坐標系）。例如1號窗口在100Ω坐標系下，2號窗口在10 kΩ坐標系下。在測試1個結點時，屏幕上同時出現2個窗口2條VI曲線，該結點在不同坐標系下的測試結果同時顯示。采用雙探棒對比測試時，可以將2個窗口都設置為雙探棒。并設置不同阻抗中值（坐標系）。例如1號窗口在

100Ω坐標系下，2號窗口在10 kΩ坐標系下。在比較2個結點時，屏幕上同時出現2個窗口4條VI曲線，2個結點在不同坐標系下的比較結果同時顯示。

將雙窗口分別設置為100Ω坐標系和10 kΩ坐標系，覆蓋結點阻抗故障區域相對合理，是在實踐中總結出的最佳組合。但依然會存在VI曲線測試盲區。

3 正達首創5cVI曲線鷹爪5線測試法

面對結點全域阻抗故障難題，必須突破頭腦中業已形成的固有思維。1個VI曲線窗口只處于1種坐標系下，只能顯示1條VI曲線（單獨測試）或2條VI曲線（對比測試）。這是VI曲線的普通顯示形式，國內外電路測試儀都是如此。很難想象1個VI曲線窗口同時處于5種坐標系下，能夠同時顯示出5條VI曲線（單獨測試）或10條VI曲線（對比測試）。

這一切被正達測試儀率先突破，這就是正達首創5cVI曲線鷹爪5線測試法。5cVI曲線的出現，為破解結點全域阻抗故障難題，進而徹底消除VI曲線測試盲區提供一種巧妙實用的中國方案。

3.1 銳利的鷹爪

在1個5cVI曲線窗口中，會同時出現5種不同色彩代表5種阻抗中值（坐標系）的VI曲線，這相當于將5種坐標系疊加成1個窗口。5種坐標系可以單選（即原先的探棒巡檢功能）、自由組合疊加或5種全部疊加。測試形態像鷹爪，測試效果像鷹爪。

單獨測試電路結點時，能夠充分表現結點特征，不會隱藏淹沒并聯在電路結點上的任何器件。無論結點特征出現在哪個阻抗區域，5cVI曲線始終都能夠保證必然有1條VI曲線（1種坐標系）處于最高靈敏度。

例如原先在最常用的1 kΩ坐標系下測試電路結點，只表現為1個100Ω電阻的VI曲線。使用人就會誤以為電路結點上只存在1個電阻（圖6左）。而采用5cVI曲線測試這個電路結點，可以看到該結點并不是1個單純的100Ω電阻，并聯了1個反向PN結（二極管）。這個反向PN結被100Ω坐標系發現。這就是1個典型的VI曲線y軸測試盲區。1 kΩ坐標系只能夠發現100Ω電阻，而10 kΩ/100 kΩ/470 kΩ這3種坐標系表現出的都是垂直短路VI曲線，這3條線重合成1條線，連100Ω電阻也沒有發現（圖6右）。普通VI曲線1kΩ坐標系只看出電路結點存在1個100Ω電阻，出現y軸測試盲區（圖6左）；5cVI曲線消除盲區，100Ω坐標系的綠色曲線發現結點上還并聯1個反向PN結（圖6右）。

圖6 5cVI曲線單獨測試電路結點消除測試盲區

1 kΩ坐標系一直是最常用的，如果對電路測試儀使用經驗不足，過去電路結點上一旦出現上述情況必然無法發現，從而隱藏淹沒并聯在電路結點上的其他器件。現在問題陡然變得簡單了，電路結點上的點滴信息，會被5cVI曲線這只銳利鷹爪輕易捕獲。

3.2 5彩的鷹爪

對比測試電路結點時，在同1個5cVI曲線窗口中會出現10條VI曲線。能夠無遺漏檢測電路結點故障，不會漏掉結點上的任何變化。無論結點阻抗故障出現在哪個區域，5cVI曲線始終能夠保證必然有1對（2條）VI曲線（1種坐標系）處于最高靈敏度。

例如原先在最常用的1 kΩ坐標系下對比測試2塊電路板上相同結點，均表現為1個反向PN結（二極管）VI曲線。2塊電路板結點VI曲線完全相同，相對誤差僅為0.4%，使用人就會誤以為電路結點上只存在1個反向PN結，看不出絲毫問題（圖7左）。而采用5cVI曲線比較這2個電路結點，可以看到兩板上這2個結點都不是1個單純的反向PN結，各自都并聯了1個電容。這就是1個典型的VI曲線x軸測試盲區。在470 kΩ坐標系下相對誤差達到5.0%，說明2個電容值存在差異（圖7右）。

普通VI曲線1 kΩ坐標系對比測試時只看出2個電路結點都是1個反向PN結，2條曲線完全重合，得出2個結點一致的結論。出現x軸測試盲區（圖7左）；5cVI曲線消除盲區，多個坐標系都看到結點上還并聯有電容。其中470 kΩ坐標系的實線和虛線不重合，相對誤差最大，達到5%。說明電容值不同，2個結點存在差異（圖7右）。

圖7 5cVI曲線對比測試電路結點消除測試盲區

5cVI曲線對比測試過程中，配合系統聲音提示，使用人可以不看屏幕只專注電路板結點對比，既能夠減少疲勞，又能夠極大提高測試效率。還可以單獨顯示最大誤差1對（2條）VI曲線，也可以任選1種或幾種阻抗中值（坐標系）對比測試。阻抗故障無遺漏。

1個窗口中的10條VI曲線如果采用10種色彩，對人的視覺會是個嚴重挑戰。5cVI曲線巧妙地通過線條疏密關系，使得10條VI曲線依舊只有5種色彩。解決了這個看似不大但又著實被困擾了一段時間的問題。最大誤差的1對VI曲線不等同于最能夠說明問題。比如：最大誤差1對VI曲線有時只是反映VI曲線正向特性變化大，而反映負向特性變化效果更好的，反而是誤差相對小一些的VI曲線。有研究興趣的使用者，應養成善于觀察5cVI曲線這只5彩鷹爪的工作習慣。

3.3 巨大的鷹爪

從理論到實踐都充分證明：由于在1個5cVI曲線窗口中同時疊加5種坐標系，最佳顯示范圍能夠完整覆蓋30Ω～1.5 MΩ全部區域，無遺漏、無死角。因此無須調整阻抗中值（坐標系），即可完全消除VI曲線兩軸測試盲區這個根本問題。即使是對電路測試儀使用方法不熟悉的使用者或存在嫌麻煩圖省事心理的使用者，也能夠消除兩軸測試盲區，輕松避開各種VI曲線測試盲點。

例如5cVI曲線對比測試時，如果2個結點10條VI曲線兩兩完全相同，則可以很放心地確定這2個結點阻抗特性一定完全相同（圖8左）。反之，只要5cVI曲線對比測試時報錯，則可以確定這2個結點阻抗特性一定存在差異。再回到前文曾提到的2個反向PN結（二極管）又并聯1個15 kΩ電阻的所謂VI曲線零點電壓測試盲點問題（x軸測試盲區）。對2個反向PN結的電路結點和2個反向PN結又并聯1個15 kΩ電阻的電路結點進行5cVI曲線對比測試，在10 kΩ/100 kΩ/470 kΩ這3種坐標系下都能夠發現問題。其中470 kΩ坐標系下VI曲線相對誤差最大，達到13.3%故障被發現（圖8右）。可見，任何盲點的具體問題在5cVI曲線鷹爪5線測試法面前都不再是問題。

由于不存在測試盲區，5cVI曲線能夠無遺漏檢測結點故障，無需懷疑測試結論的可靠性。只要5cVI曲線對比完全相同，2個結點阻抗特性必然完全相同（圖8左）；只要5cVI曲線對比不完全相同，2個結點阻抗特性必然不同（圖8右）。

同時要特別指出的是：VI曲線測試不是萬能的測試手段，本身存在無法克服的局限性。這是因為器件功能故障并非一定出現管腳阻抗特性改變，對集成運放、AD/DA等器件來說尤為突出。另外，器件動態性能故障管腳阻抗特性不發生改變更是一種常態。因此應這樣講：除非故障器件管腳阻抗特性沒有改變。否則只要出現管腳阻抗特性改變，這個故障器件難逃5cVI曲線這只巨大鷹爪。

4 雙窗口5cVI曲線

雙窗口5cVI曲線是正達測試儀VI曲線探棒巡檢雙窗口測試的延續。不同于原雙窗口測試每個窗口只處于1種坐標系下，雙窗口5cVI曲線能夠同時疊加5種坐標系。這有2個好處。

4.1 2人同時獨立進行5cVI曲線測試

例如從正達測試儀VI1端子引出1只測試探棒。從VI2端子引出另外1只測試探棒。分別打開集成界面和快捷鍵的5cVI曲線窗口。將集成界面設置為探棒1。將快捷鍵界面設置為探棒2。張工可以使用從VI1端子引出的探棒1測試A電路板，注視1號窗口中的5cVI曲線。李工可以使用從VI2端子引出的探棒2測試B電路板，注視2號窗口中的5cVI曲線。張工和李工正在同時使用同一臺正達測試儀，各自獨立進行5cVI曲線測試。這種操作不但適合于人員比較多的維修公司，還適合于師傅帶徒弟。1臺正達測試儀支持2個人同時各自使用，正達測試儀價值翻倍（圖9）。電腦屏幕中，左邊窗口為張工在測試A電路板上的某個電路結點。右邊窗口為李工在測試B電路板上的某個電路結點。2人同時獨立測試。

圖8 5cVI曲線對比測試電路結點測試結論可靠性

圖9 5cVI曲線2個人同時獨立測試電路結點

4.2 將單窗口5cVI曲線拆分成雙窗口

例如單獨測試電路結點時，從正達測試儀VI1端子引出1只測試探棒。分別打開集成界面和快捷鍵的5cVI曲線窗口。將雙窗口都設置為探棒1.可以在兩個窗口中分別顯示3條VI曲線（阻抗中值100Ω/10 kΩ/470 kΩ間隔選取）和2條VI曲線（阻抗中值1 kΩ/100 kΩ間隔選取）。將單窗口5cVI曲線拆分成雙窗口之后，5cVI曲線視覺效果更佳。同理，對比測試電路結點時，從正達測試儀VI1和VI2端子各引出1只測試探棒。將雙窗口都設置為雙探棒。可以在2個窗口中分別顯示6條VI曲線和4條VI曲線，阻抗中值也是間隔選取（圖10）。對比5cVI曲線時，1個窗口中會出現5種色彩10條VI曲線。拆分成雙窗口后，電腦屏幕中，左邊窗口中出現3種色彩6條曲線，右邊窗口中出現2種色彩4條曲線。視覺效果更佳。

5 創新是第一動力

北京正達時代電子技術有限公司在電路板維修和元器件篩選領域深耕20余年，主要團隊成員在這一領域從業30余年。作為著名的檢測儀器廠商和電路板維修中心，正達最了解業界的實際應用難題，不斷著力推出針對性的解決方案。

圖10 5cVI曲線將單窗口拆分成雙窗口

虛心面對與國外同行先進測試技術的差距，但是任何差距都不能動搖正達堅持自主創新的決心。從正達測試儀早期推出的模擬器件型號識別、雙極性電源高性能模擬開關器件功能測試、集成運放全面功能測試，再到對>40管腳數字器件功能測試、AD/DA器件功能測試、數字器件第三狀態TST（Third State Test，第三狀態測試）方案，光耦器件TST方案，模擬多路復用器TST方案等，全都是國內外首創，全都是實實在在解決電路維修實際難題的重要測試功能。首創5cVI曲線鷹爪5線測試法，再一次為破解電路維修技術難題提供一種中國方案，也是正達原創測試技術再一次展示力量。