VI曲線測試盲區問題

楊宇明

（北京正達時代電子技術有限公司，北京 100083）

0 引言

實際電路維修中會有這樣的場景，老李對一好一壞2塊電路板進行VI曲線對比測試，每一個器件都逐一對比，但沒有發現問題。出現這種情況的原因主要有2個：①器件存在故障，但管腳阻抗特性無變化，VI曲線測試沒有作用；②器件存在故障，管腳阻抗特性有明顯變化。但是，老李遇到的卻是VI曲線測試盲區的問題。

VI曲線測試盲區是指VI曲線無法反映器件的特性或量值。比如，電路結點中有PN結，VI曲線反映的只是一個電容。明明是一個10 kΩ電阻，VI曲線反映的竟然是短路。VI曲線測試盲區問題比較突出，經常漏檢電路信息和漏檢器件故障。由于缺乏系統性研究，VI曲線測試盲區問題存在許多知識空白。下面結合理論分析和實踐經驗，系統總結VI曲線測試盲區問題的成因和形式。北京正達時代電子技術有限公司電路板維修中心經歷過不少實測案例，5cVI曲線也帶來思路啟發，對于本研究有很大幫助。

1 VI曲線測試盲區問題的成因

1.1 VI曲線測試

在電路的2個結點之間施加1個一定幅度和頻率的周期信號，在顯示坐標上形成一條電流隨電壓變化的函數曲線，即VI曲線。VI曲線能反映器件管腳和電路結點相互之間的阻抗特性，適用于電路維修和器件檢測。直接觀察或兩者對比VI曲線的過程稱作VI曲線測試[1]。

圖1中，上排從左至右分別為對電阻、正向PN結、電容進行VI曲線單獨測試；下排從左至右分別為對正向PN結和電阻、電容和電阻、電容和正向PN結進行VI曲線對比測試。

1.2 VI曲線兩軸測試盲區

VI曲線窗口x軸為電壓，y軸為電流。當采用±4V·4mA窗口測試1 kΩ電阻時，VI曲線是一條±2 V區間的45°函數曲線。阻值越大，VI曲線越趨近x軸。阻值越小，VI曲線越趨近y軸（圖 2）。

VI曲線測試靈敏度向兩軸方向越來越低。比如：1 kΩ和2 kΩ（500 Ω）VI曲線差別明顯，但是 10 kΩ 和大于 10 kΩ（更趨近 x軸）以及100 Ω和小于100 Ω（更趨近y軸）VI曲線差別不明顯。當VI曲線重合于x軸或y軸，則無法進一步反映阻值變化。

VI曲線重合于坐標兩軸，處于窗口邊界，會形成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。顯然更希望VI曲線出現在45°線區域，以便觀察VI曲線形狀或位置的細微變化。

圖1 6個VI曲線測試窗口

1.3 VI曲線坐標系

圖2 電阻VI曲線的變化規律

圖3 10 kΩ坐標系中10 kΩ電阻VI曲線

在±4 V·4 mA 窗口中，45°線對應的是1 kΩ阻值。稱作：VI曲線阻抗中值。±4 V·4 mA窗口特點是：4 V/4 mA=1 kΩ，因此簡稱1 kΩ坐標系。窗口45°線區域測試靈敏度最高。對于遠離45°線區域的VI曲線，應另選適合的坐標系，使VI曲線盡量趨近45°線區域。這很像指針式萬用表電阻擋量程的設置。

例如：10 kΩ電阻在 1 kΩ坐標系中是一條接近水平的VI曲線，不易分辨。換成10 kΩ坐標系，10 kΩ電阻出現在45°線區域（圖3）。

±4 V·400 μA 窗口特點是 4 V/400 μA=10 kΩ，因此簡稱10 kΩ坐標系。VI曲線窗口電壓和窗口電流的比值是VI曲線坐標系。例如，±8 V·8 mA 窗口是 1 kΩ 坐標系，±2 V·20 μA窗口是100 kΩ坐標系。

1.4 調整VI曲線坐標系

正達電路測試儀有5種坐標系，分別為100 Ω，1 kΩ，10 kΩ，100 kΩ，470 kΩ。為了使VI曲線處于最佳顯示范圍，調整坐標系的基本原則是：①VI曲線過于趨近x軸，應調高坐標系；②VI曲線過于趨近y軸，應調低坐標系。

調整坐標系其實就是在調整VI曲線測試信號源的內阻R（圖4a）。被測器件與內阻R串聯。一旦選擇好內阻R后，內阻R不再改變，所以VI曲線電壓和電流的變化僅由被測器件阻抗所決定。

根據串聯電路分壓特點不難理解：一旦選擇1 kΩ坐標系后，例如±4 V·4 mA窗口，為什么測試1 kΩ電阻會形成一條±2 V·2 mA 區間 45°VI曲線（圖 4b）。

電阻VI曲線變化范圍是第1象限和第3象限以及坐標兩軸，線端處于正電壓/正電流最大值連線和負電壓/負電流最大值連線。阻值越大，VI曲線越趨近x軸；阻值越小，VI曲線越趨近y軸。

圖4 VI曲線測試原理

調整坐標系還有一個形象記憶法：VI曲線處于x軸可看成電壓源，電壓源特點是內阻小。要改變VI曲線趨勢應調高坐標系。VI曲線處于y軸可看成電流源，電流源特點是內阻大。要改變VI曲線趨勢應調低坐標系。VI曲線處于45°線可看成內阻與負載匹配的信號源，負載信號功率最大，VI曲線測試靈敏度也最高。

1.5 VI曲線最佳顯示范圍

VI曲線最佳顯示范圍是指測試靈敏度最高的區域，處于坐標系的0.3～3倍區域。以測試電阻為例。坐標系為100 Ω，1 kΩ，10 kΩ，100 kΩ，470 kΩ 時，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。通過調整坐標系，正達電路測試儀VI曲線最佳顯示范圍能夠完整覆蓋30 Ω～1.5 MΩ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一定的辨識度，但測試靈敏度向兩軸方向逐漸降低，直至出現VI曲線兩軸測試盲區。

以上關鍵詞是“調整坐標系”，首先是“要調整”，其次是“會調整”。否則，不僅VI曲線無法處于最佳顯示范圍，還會出現VI曲線測試盲區。

1.6 造成VI曲線測試盲區的根本原因

VI曲線測試有5種坐標系，每一種坐標系只能覆蓋部分區域的阻抗故障，無法用一個坐標系覆蓋全部區域的阻抗故障。從總體而言，勢必會形成測試盲區。這就是實際電路維修中的結點全域阻抗故障難題。

VI曲線兩軸測試盲區只是現象，成因在于5種坐標系。另外，測試頻率/掃描電壓/掃描波形/掃描點數等因素也會影響某些類型器件的VI曲線測試靈敏度，但遠無法和坐標系原因相比。

2 VI曲線測試盲區問題的形式

本文對電阻、電容、PN結（二極管）這3種常用器件VI曲線測試盲區進行歸納分析。VI曲線測試方式為：3種器件單獨測試和3種器件兩兩并聯測試，歸納為30種盲區形式。

需要重要說明的是：

（1）電路板上器件絕不止有這3種，電路結點并聯關系也絕不只是兩兩并聯。實際VI曲線測試盲區問題更復雜。分析這30種盲區形式，是為了明確思路、掌握方法。

（2）盲區形式必須明確是x軸測試盲區還是y軸測試盲區，這是消除盲區的方法依據。消除x軸測試盲區應調高坐標系，消除y軸測試盲區應調低坐標系。

（3）電路結點并聯特點：并聯后阻值比任何一個支路阻值都小。所以并聯關系中阻值最小器件的VI曲線形狀對結點VI曲線形狀影響最大。這是分析并聯結點VI曲線形狀的基礎。

2.1 VI曲線測試盲區[01]和[02]——電阻兩軸測試盲區

【盲區01】：電阻x軸測試盲區。特點：水平開路形式VI曲線（圖5b）。

【盲區02】：電阻y軸測試盲區。特點：垂直短路形式VI曲線（圖 5f）。

問題[01]：測試200 kΩ電阻采用哪種坐標系？

應采用100 kΩ或470 kΩ坐標系。100 kΩ坐標系效果稍好一些。實踐經驗表明，電阻視覺可分辨極限大致為坐標系0.03～30倍，最佳顯示范圍處于坐標系0.3～3.0倍。例如：1 kΩ坐標系對電阻的視覺可分辨極限是30 Ω～30 kΩ之間，最佳顯示范圍是300 Ω～3 kΩ。

圖5 5坐標系中電阻VI曲線

2.2 VI曲線測試盲區[03]和[04]——電容兩軸測試盲區

【盲區03】：電容x軸測試盲區。特點：水平開路形式VI曲線（圖 6b）。

【盲區04】：電容y軸測試盲區。特點：垂直短路形式VI曲線（圖 6f）。

圖6 5坐標系中電容VI曲線

問題[02]：為什么圖6中沒有標注容值？

電容VI曲線除受坐標系影響外，同測試頻率因素密切相關。測試頻率設置不同，電容VI曲線形狀也不同。但是電容VI曲線形狀在5坐標系中的變化趨勢是確定的。坐標系由低到高，電容VI曲線由越趨近（或重合）x軸到越趨近（或重合）y軸變化。具體為：重合于x軸→環繞x軸橢圓形VI曲線→收縮為正圓形VI曲線→環繞y軸橢圓形VI曲線→重合于y軸。

問題[03]：為什么電容會形成閉合環形VI曲線？

電容特性：電流相位超前電壓相位90°。因此對電容施加具有對稱性的正弦波和三角波掃描波形時，會形成垂直于兩軸的橢圓形或正圓形的閉合環形VI曲線穩態波形。

問題[04]：在同一個坐標系中，不同容值VI曲線如何變化？

Xc＝1／（2πfC），容抗和容值成反比。即：在同一個坐標系中，容值越小，VI曲線越趨近x軸；容值越大，VI曲線越趨近y軸。容值由小到大具體為：重合于x軸→環繞x軸橢圓形VI曲線→收縮為正圓形VI曲線→環繞y軸橢圓形VI曲線→重合于y軸。

2.3 PN結VI曲線

以正向PN結/反向PN結/雙向PN結3個器件在5坐標系中VI曲線變化情況為例（圖7～圖9）。雙向PN結雖然是并聯結點，但由于是同種類型器件，所以看成一個器件。

問題[05]：為什么隨著坐標系的增加，PN結VI曲線導通部分越趨近y軸？

PN結特性：PN結導通電流越大，導通壓降越高。導通電流越小，導通壓降越低。之間的浮動壓差約為0.2 V。隨著坐標系增加，PN結導通電流減小，所以導通壓降也會減小。

問題[06]：PN結VI曲線盲區問題是不是最簡單？

單獨測試PN結VI曲線沒有盲區，這點比電阻和電容簡單。但是數字器件以及許多模擬器件管腳對地VI曲線幾乎都是反向PN結和雙向PN結形式VI曲線，這2種形式VI曲線遍布在電路板上。PN結VI曲線特點是：同一條VI曲線上既有導通特性，又有近似于斷路的截止特性。因此PN結并聯結點的盲區問題更加復雜。

圖7 5坐標系中正向PN結VI曲線

圖8 5坐標系中反向PN結VI曲線

圖9 5坐標系中雙向PN結VI曲線

2.4 VI曲線測試盲區[05]～[10]——電阻/電容并聯結點兩軸測試盲區

【盲區05】：電阻/電容并聯結點x軸測試盲區①（兩者處于x軸測試盲區）。特點：水平開路形式VI曲線（圖10b）。

【盲區06】：電阻/電容并聯結點x軸測試盲區②（電阻處于x軸測試盲區）。特點：電容形式VI曲線（圖10c）。

【盲區07】：電阻/電容并聯結點x軸測試盲區③（電容處于x軸測試盲區）。特點：電阻形式VI曲線（圖10d）。

【盲區08】：電阻/電容并聯結點y軸測試盲區①（兩者處于y軸測試盲區）。特點：垂直短路形式VI曲線（圖10e）。

【盲區09】：電阻/電容并聯結點y軸測試盲區②（電阻處于y軸測試盲區）。特點：垂直短路形式VI曲線（圖10e）。

【盲區10】：電阻/電容并聯結點y軸測試盲區③（電容處于y軸測試盲區）。特點：垂直短路形式VI曲線（圖10e）。

圖10 電阻/電容并聯結點兩軸測試盲區

問題[07]：盲區[08]～[10]這3種情況VI曲線形狀一樣？

結點VI曲線形狀由處于y軸測試盲區器件VI曲線形狀決定。簡單地說就是，不管是全都短路，還是只有一個器件短路，結果都是短路。后面還有這種盲區形式，不再贅述。

問題[08]：電容VI曲線為什么傾斜？

傾斜是電阻/電容并聯結點（或單獨故障電容）VI曲線典型形狀（圖10f）。由于是10 kΩ坐標系，根據電容VI曲線傾角，阻值約為5 kΩ。

2.5 VI曲線測試盲區[11]～[16]——電阻/PN結并聯結點y軸測試盲區

【盲區11】：電阻/正向PN結并聯結點y軸測試盲區①（電阻處于y軸測試盲區）。特點：垂直短路形式VI曲線。

【盲區12】：反向PN結。

【盲區13】：雙向PN結。

【盲區14】：電阻/正向PN結并聯結點y軸測試盲區②（電阻接近于y軸測試盲區）。特點：接近y軸電阻形式VI曲線（圖11）。消除方法：調低坐標系（圖12）。

【盲區15】：反向PN結。

【盲區16】：雙向PN結。

問題[09]：盲區[14]～[16]這3種情況特殊在哪里？

盲區[14]～[16]這3種情況是較為復雜的盲區形式。電阻不處于y軸測試盲區，PN結本身沒有測試盲區。但是兩者并聯后形成PN結y軸測試盲區。這是由于PN結導通特性重合于電阻VI曲線，PN結截止特性由于電路并聯關系被電阻VI曲線“吃掉”。調低坐標系后，電阻趨于坐標45°線區域，電阻和PN結并聯特性的VI曲線充分顯現出來。后面的電容/PN結并聯結點y軸測試盲區也有類似情況，電容不處于y軸測試盲區，接近于y軸，并聯后形成PN結y軸測試盲區。

圖11 電阻/PN結并聯結點y軸測試盲區②

圖12 消除電阻/PN結并聯結點y軸測試盲區①和②

2.6 VI曲線測試盲區[17]～[22]——電容/PN結并聯結點y軸測試盲區

【盲區17】：電容/正向PN結并聯結點y軸測試盲區①（電容處于y軸測試盲區）。特點：垂直短路形式VI曲線。

【盲區18】：反向PN結。

【盲區19】：雙向PN結。

【盲區20】：電容/正向PN結并聯結點y軸測試盲區②（電容接近于y軸測試盲區）。特點：接近y軸電容形式VI曲線（圖13）。消除方法：調低坐標系（圖14）。

【盲區21】：反向PN結。

【盲區22】：雙向PN結。

2.7 VI曲線測試盲區[23]～[26]——電阻/PN結并聯結點x軸測試盲區

【盲區23】：電阻/正向PN結并聯結點x軸測試盲區（電阻處于x軸測試盲區）。特點：正向PN結形式VI曲線（圖15）。消除方法：調高坐標系（圖16）。

【盲區24】：反向PN結。

【盲區25】：雙向PN結。

圖13 電容/PN結并聯結點y軸測試盲區②

圖14 消除電容/PN結并聯結點y軸測試盲區①和②

圖15 電阻/PN結并聯結點x軸測試盲區

問題[10]：盲區[23]～[25]這3種情況的難點是什么？

盲區[23]～[25]這3種情況是較為煩人的盲區形式。由于電阻處于x軸測試盲區，又并聯PN結，就只能夠看到PN結特性的VI曲線。因為電阻VI曲線和PN結截止特性VI曲線重合在一起，另一部分電阻VI曲線被PN結導通特性“吃掉”。解決難點在于：電路板上到處都是PN結形式VI曲線，無法預知哪里并聯了電阻。調高坐標系后，電阻和PN結并聯特性的VI曲線充分顯現出來。如果繼續調高坐標系，圖16會變為圖11。此時：x軸測試盲區轉化為y軸測試盲區。反之亦然。后面的電容/PN結并聯結點x軸測試盲區也是類似情況。

圖16 消除電阻/PN結并聯結點x軸測試盲區

【盲區26】：電阻/雙向PN結并聯結點x軸測試盲區特例（電阻接近于x軸測試盲區）。特點：雙向PN結形式VI曲線。消除方法：調高坐標系（圖16）。

盲區[26]是盲區[25]的特例。電阻不處于x軸測試盲區，但接近于x軸測試盲區。由于雙向PN結形式VI曲線正向和負向導通拐點之間截止區段的線段很短，難以發現存在電阻。后面的電容/PN結并聯結點x軸測試盲區也有類似情況，電容接近于x軸測試盲區，并聯后形成電容/雙向PN結并聯結點x軸測試盲區特例。

2.8 VI曲線測試盲區[27]～[30]——電容/PN結并聯結點x軸測試盲區

【盲區27】：電容/正向PN結并聯結點x軸測試盲區（電容處于x軸測試盲區）。特點：正向PN結形式VI曲線（圖15）。消除方法：調高坐標系（圖17）。

【盲區28】：反向PN結。

【盲區29】：雙向PN結。

【盲區30】：電容/雙向PN結并聯結點x軸測試盲區特例（電容接近于x軸測試盲區）。特點：雙向PN結形式VI曲線。盲區[30]是盲區[29]的特例。消除方法：調高坐標系（圖17）。

2.9 x軸測試盲區和y軸測試盲區能夠相互轉化

從10 kΩ電阻在5坐標系中的變化規律可以看出，在100 Ω坐標系中，10 kΩ電阻處于x軸盲區；在10 kΩ坐標系中，10 kΩ電阻處于VI曲線最佳顯示范圍。進一步調高坐標系，在470 kΩ坐標系中，10 kΩ電阻轉化為y軸盲區。反之亦然。阻容器件和PN結并聯結點也有這種特性，因此在某些區間，x軸測試盲區和y軸測試盲區能夠相互轉化。

2.10 阻容/PN結實際盲區情況遠多于30種盲區形式

比如：【盲區14】的表現形式，100 Ω電阻在1 kΩ坐標系、1 kΩ電阻在10 kΩ坐標系、10 kΩ電阻在100 kΩ坐標系，都是接近y軸電阻形式VI曲線。也就是說，出現這3種情況時（同屬于1種盲區形式），看到的都是電阻VI曲線。結點上并聯正向PN結（二極管），PN結斷路或丟失，VI曲線均測不出。再如：【盲區25】的形式，如果并聯的是200 kΩ電阻，200 kΩ電阻在100 Ω坐標系和1 kΩ坐標系都處于x軸測試盲區。在10 kΩ坐標系識別微弱，是盲區[25]的特例。采用這3種坐標系（同屬于1種類型）看到的都只是雙向PN結VI曲線，會漏掉200 kΩ電阻。

圖17 消除電容/PN結并聯結點x軸測試盲區

3 解決VI曲線測試盲區問題的思路和方案

消除VI曲線測試盲區問題的核心是調整坐標系。只有正確調整VI曲線坐標系，方可避免VI曲線測試盲區。可是在實際維修過程中，測試者有時不會調整。而且調整VI曲線坐標系極大降低了VI曲線測試效率，測試者也疏于調整。因而造成VI曲線測試盲區問題。

3.1 5cVI曲線鷹爪5線測試法

2018年6月，正達首創5cVI曲線鷹爪5線測試法（簡稱5cVI曲線），是破解VI曲線測試盲區問題的創新技術。在5cVI曲線窗口中，同時出現5種不同色彩的VI曲線。每1種色彩VI曲線代表1種坐標系，相當于5種坐標系疊加成一個窗口。其創新之處在于，無須調整坐標系。

單獨測試時，測試窗口中出現5條VI曲線（5種色彩），既能夠充分表現電路結點特征，也不會隱藏淹沒并聯器件。無論電路結點特征出現在哪個阻抗區域，必然有1條VI曲線（1種坐標系）處于最高靈敏度，不會漏檢電路信息。

對比測試時，測試窗口中出現10條VI曲線（依舊是5種色彩，5條實線和5條虛線）。無論電路結點阻抗故障出現在哪個阻抗區域，必然有1對VI曲線（1條實線和1條虛線，1種坐標系）處于最高靈敏度，不會漏檢器件故障。

3.2 VI曲線測試盲區問題實例分析

VI曲線測試盲區問題存在許多知識空白，也出現過一些錯誤認識。對錯誤認識加以分析，有助于加深對VI曲線測試盲區問題的理解。

曾有觀點認為，2個反向PN結（即文中的雙向PN結）并聯1個15 kΩ電阻時，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。即這個電阻只能在0電壓點附近（2個拐點之間，PN結電阻遠大于15 kΩ）呈現出來，基本上不影響曲線形狀。仔細觀察，可發現零點附近曲線略有不同。但是由于這段曲線所占比例很小，可用于顯示的點數更是有限，2條曲線整體形狀相差不多，即故障被掩蓋。因此稱之為VI曲線零點電壓測試盲點問題。同時認為，VI曲線測試無法發現15 kΩ電阻，必須改用專門的測試方法。

這就是上文中【盲區26】的測試實例。

（1）錯誤1：VI曲線測試無法發現15 kΩ電阻。

15 kΩ電阻在100 Ω坐標系中看不出，在1 kΩ坐標系中接近x軸，因此只有這2種情況會出現x軸測試盲區。不會調整或疏于調整坐標系，容易犯這種錯誤。

（2）錯誤2：電阻是否存在基本上不影響曲線的形狀。

在10 kΩ坐標系中可以同時看出雙向PN結和15 kΩ電阻。再調高坐標系，100 kΩ/470 kΩ這2種坐標系則是只能看出15 kΩ電阻，反而看不出雙向PN結。x軸測試盲區轉化為y軸測試盲區，電阻的存在徹底改變了曲線形狀。不知道x軸/y軸盲區能夠相互轉化，容易犯這種錯誤。

（3）錯誤3：VI曲線“零點電壓測試盲點問題”這個命名是正確的。

從曲線形狀上來看，前面介紹的盲區[11]～[22]——電阻/電容和PN結并聯結點y軸測試盲區全都出現在0電壓點附近，也都堪稱零點電壓測試盲點問題。問題在于，y軸測試盲區和x軸測試盲區性質不同，解決問題方式也不同。15 kΩ電阻并聯雙向PN結（看不到15 kΩ電阻時）是x軸測試盲區，消除盲區方法是調高坐標系。同樣方法如果用在盲區[11]～[22]，會適得其反，造成更大的盲區。不立足于兩軸測試盲區，很容易犯這種錯誤。

針對【盲區26】實例，有一種方法。在另外一個小窗口中提取0.2V區間小信號VI曲線，通過調高坐標系，顯現雙向PN結2個拐點之間線段的電阻。但是這個方法只是對一部分x軸測試盲區有效，對y軸測試盲區無效。因為小窗口調低坐標系，0.2V區間無法反映PN結特性。

5cVI曲線實測：采用5cVI曲線測試這個盲區問題，VI曲線層次分明。100 Ω（綠線）和1kΩ（白線）坐標系，只能看到雙向PN結；10 kΩ（黃線）坐標系，消除x軸測試盲區，雙向PN結截止區段VI曲線趨近坐標45°線，15 kΩ電阻顯現；100 kΩ（粉線）和470 kΩ（藍線）坐標系，x軸測試盲區轉化成為y軸測試盲區。此時只能看到15 kΩ電阻形式的VI曲線，反而看不到雙向PN結（圖18）。

可見，分析VI曲線測試盲區問題必須立足于兩軸測試盲區，從坐標系這個視角看問題。否則，處理問題會顧此失彼。

3.3 5cVI曲線測試3種器件并聯結點實例

上面總結的30種盲區形式中，最多的是器件兩兩并聯。圖19是一幅5cVI曲線實測圖，圖中結點包括電容、電阻和反向PN結3種器件，充分展現5cVI曲線的測試優勢。結合坐標系，觀察5cVI曲線電容圖形的傾角，可以看出電阻阻值。

4 結語

通過對VI曲線測試盲區問題理論分析，5cVI曲線必然是一種有效方法。5cVI曲線實踐應用，也充分證明這一點。5cVI曲線是理論指導實踐的一個生動案例。

圖18 5cVI曲線消除VI曲線測試盲區實例

圖19 5cVI曲線測試3種器件并聯結點實例