電路板路內(nèi)測(cè)試維修儀的設(shè)計(jì)與使用

姚曉平

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南京工程分院，江蘇 南京211135）

電子技術(shù)的發(fā)展,可以說(shuō)是隨著器件的發(fā)展而得以實(shí)現(xiàn),為此確保器件的正確運(yùn)行才能保證設(shè)備的功能正常。根據(jù)維修統(tǒng)計(jì)，設(shè)備發(fā)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(xiàn)在經(jīng)常是在無(wú)原理圖、怕開(kāi)機(jī)會(huì)造成更大的故障、只能在原器件不離開(kāi)電路板的情況下維修,以往憑借萬(wàn)能表、示波器等簡(jiǎn)易維修儀器和工具已很難對(duì)其進(jìn)行故障診斷與維修。通過(guò)隔離方式路內(nèi)對(duì)器件測(cè)試、比較、分析快速地找到故障點(diǎn)的要求越來(lái)越高。于是路內(nèi)測(cè)試維修儀就此誕生，實(shí)踐證明用于維修電子設(shè)備具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 路內(nèi)測(cè)試維修儀設(shè)計(jì)原理

1.1 設(shè)計(jì)思想來(lái)源

設(shè)一個(gè)質(zhì)點(diǎn)(x.y)在平面內(nèi)作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，平面以?xún)蓚€(gè)相互垂直的方向X軸和Y軸表示。質(zhì)點(diǎn)在該平面上的運(yùn)動(dòng)軌跡方程可表示為:

將參量t消去,就得到該曲線(xiàn)的直角坐標(biāo)方程為:

方程(3)是橢圓方程,由橢圓的性質(zhì)可知,質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡可能是直線(xiàn)、圓或橢圓，由U1和U2的大小決定橢圓活動(dòng)范圍。該橢圓最后實(shí)際形成的圖形，由相位差(ω2-ω1)來(lái)決定。

1)(ω2-ω1)=0 （或 π） 時(shí),此時(shí)方程 (3)變?yōu)?Y/X=U2/U1（或-U2/U1），因此,質(zhì)點(diǎn)的軌跡是一條直線(xiàn)。

2)(ω2-ω1)=±π/2,U1≠U2，此時(shí)方程(3)1。因此，質(zhì)點(diǎn)的軌跡是橢圓。

3)(ω2-ω1)=±π/2，且 U1=U2=A,此時(shí)方程(3)變?yōu)?X2+Y2=A2,因此,質(zhì)點(diǎn)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(hào)時(shí)，示波器屏幕上顯示簡(jiǎn)單的封閉曲線(xiàn)，這就是李薩育圖形。當(dāng)兩個(gè)方向的頻率具有簡(jiǎn)單的整數(shù)比值的關(guān)系時(shí)，質(zhì)點(diǎn)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(xiàn)和橢圓中變化的曲線(xiàn)。

1.2 儀器設(shè)計(jì)依據(jù)

對(duì)于缺少原理圖、開(kāi)機(jī)可能燒元件的電子設(shè)備我們?nèi)绾尉S修我們立刻可以想到2種方法[1-2]。1)根據(jù)電路原理和信號(hào)走向，判斷可能的故障點(diǎn)；修理、試機(jī)、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(jīng)過(guò)比較好壞電路板上的對(duì)應(yīng)元件電器特征，判斷器件有無(wú)故障，進(jìn)行維修。這就是在線(xiàn)檢測(cè)設(shè)計(jì)儀器的依據(jù)。每種電子元件都有唯一的電壓--電流特性圖，給被測(cè)元件加上交流電壓信號(hào)，被測(cè)元件兩端便會(huì)產(chǎn)生壓降，用它去控制示波器的水平偏轉(zhuǎn)，用通過(guò)被測(cè)元件上的電流去控制示波器的垂直偏轉(zhuǎn)，它們的共同作用就可以在屏幕上形成電壓--電流關(guān)系圖線(xiàn)（VI曲線(xiàn)）。

根據(jù)以上方法，就是把過(guò)去常用的維修方案，從原理圖、聯(lián)機(jī)檢測(cè)找故障，變換為從原器件和完好的電路板出發(fā)。

1.3 儀器工作原理

本儀器是基于示波器顯示系統(tǒng)、儲(chǔ)存功能和接口功能、加裝了一個(gè)應(yīng)用模塊而形成的電路維修測(cè)試儀,模塊內(nèi)具有特殊的精密信號(hào)源、VI轉(zhuǎn)換器和擋位調(diào)整器等，利用驅(qū)動(dòng)隔離技術(shù)對(duì)被檢測(cè)元件進(jìn)行檢測(cè)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(hào)源作為驅(qū)動(dòng)電壓源，信號(hào)類(lèi)型、幅度、頻率可設(shè)定。測(cè)試時(shí)，信號(hào)源對(duì)被測(cè)器件施加一個(gè)安全使用范圍之內(nèi)的交變電壓，經(jīng)過(guò)VI轉(zhuǎn)換器對(duì)被測(cè)器件完成電壓到電流的轉(zhuǎn)換，在此信號(hào)的作用下產(chǎn)生電壓 --電流圖形，即VI曲線(xiàn)。

1.3.1 測(cè)試信號(hào)

信號(hào)源是本儀器的核心部件,它的穩(wěn)定性和精度決定了最終的測(cè)量結(jié)果。經(jīng)過(guò)多次的試驗(yàn)，最終確定利用鎖相技術(shù)使得信號(hào)穩(wěn)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(diǎn)頻：50、500、1 000 Hz和連續(xù)可調(diào)2種形式；幅度1～30 V間可調(diào)，利用VI轉(zhuǎn)換器使得經(jīng)過(guò)被測(cè)器件的電流在安全范圍內(nèi),電流最大可達(dá)200 mA。具有二個(gè)測(cè)試通道，雙脈沖同步激勵(lì)器。具有量程自動(dòng)掃描、通道交替、鎖定保護(hù)等功能。

在測(cè)試信號(hào)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(cè)試信號(hào)使該特性顯現(xiàn)出來(lái)，因此需要相應(yīng)測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生模塊。測(cè)試信號(hào)不同，相應(yīng)VI曲線(xiàn)不同。正弦波主要從電壓幅度、輸出電流和頻率這3個(gè)指標(biāo)影響VI曲線(xiàn)的形成。對(duì)不同的器件選擇不同的電壓和頻率。頻率最高可達(dá)1 MHz，頻率對(duì)電抗性元件的影響很大。對(duì)于電容或電感值較大的器件，我們對(duì)頻率的選擇是低頻；反之選用較高的頻率。

1.3.2 VI轉(zhuǎn)換器

保證經(jīng)過(guò)被測(cè)器件的電流安全，有表頭顯示。通過(guò)轉(zhuǎn)換器用來(lái)和被測(cè)器件的阻抗進(jìn)行匹配，均衡電壓的分配和調(diào)節(jié)器件上可以承受的電流，同時(shí)保護(hù)信號(hào)發(fā)生器和被測(cè)試對(duì)象等功能。

1.3.3 顯示、比較

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

2 路內(nèi)測(cè)試維修儀的使用

路內(nèi)測(cè)試維修儀使用[3]，特別要注意2個(gè)方面的問(wèn)題：1)要根據(jù)器件的實(shí)際工作特點(diǎn)，選擇最佳的頻率、電壓和電流；2)要測(cè)繪各種器件的VI曲線(xiàn)圖。VI曲線(xiàn)圖又有3類(lèi)：1)單獨(dú)器件標(biāo)準(zhǔn)圖，2)在好的電路板上形成的器件圖，3)各種故障現(xiàn)象圖；只有對(duì)這些圖了然與胸，才能做出正確的判斷。經(jīng)過(guò)上百次的對(duì)常用器件的單個(gè)器件、好板和壞板上3類(lèi)VI曲線(xiàn)圖的測(cè)量，得到了一些規(guī)律，但限于篇幅，無(wú)法將所有圖形都列出,只介紹幾種特殊情況。

2.1 VI曲線(xiàn)分析

不同類(lèi)型器件的VI曲線(xiàn)有所不同，基本曲線(xiàn)信號(hào)可分為3種:電阻、電容(電感)和晶體管特征信號(hào)曲線(xiàn)。若被測(cè)對(duì)象為電阻，則相應(yīng)的VI曲線(xiàn)是一條直線(xiàn)。若被測(cè)對(duì)象為純電容（或電感），且測(cè)試信號(hào)為正弦電壓信號(hào)時(shí)，存在關(guān)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(duì)電壓波形相位相差90°，因而VI曲線(xiàn)為橢圓，且橢圓形狀受測(cè)試參數(shù)(頻率f、電壓幅度V和限流電阻)的影響。但實(shí)際電路中，電容會(huì)出現(xiàn)少量漏電現(xiàn)象，其橢圓VI曲線(xiàn)會(huì)發(fā)生傾斜。純電抗曲線(xiàn)同電容基本一致，區(qū)別在于曲線(xiàn)方向，電容曲線(xiàn)隨時(shí)間順時(shí)針變化，電感曲線(xiàn)相反。二極管是最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體器件，電壓電流關(guān)系為:i(t)=IS(eV(t)/0.026－1)，這是一個(gè)在電壓 －電流坐標(biāo)上的指數(shù)方程。電壓沿正向增加時(shí)，電流按指數(shù)規(guī)律迅速上升；當(dāng)電壓負(fù)向增加時(shí)，電流趨于負(fù)反向飽和電流IS。因此二極管VI曲線(xiàn)為一條類(lèi)指數(shù)曲線(xiàn)。下面是測(cè)試實(shí)例。

電阻類(lèi)VI曲線(xiàn)圖如圖2所示。

電容（電感）類(lèi)VI曲線(xiàn)圖如圖3所示。

晶體管類(lèi)VI曲線(xiàn)圖如圖4所示。

由圖2～圖4的圖形，簡(jiǎn)單的分析就可以看出對(duì)于純線(xiàn)性元件組成的電路，VI曲線(xiàn)除了與電路板中器件的分布有關(guān)外，還和外部所加激勵(lì)信號(hào)的頻率、幅度和電流相關(guān)。在電路中，經(jīng)常碰到的是電阻、電容、電感和晶體管的串聯(lián)、并聯(lián)的組合，也就是可以認(rèn)為是純線(xiàn)性元件，阻抗的大小，VI曲線(xiàn)就是斜率不同的直線(xiàn)；另一類(lèi)是線(xiàn)性元件和等效線(xiàn)性元件的組合，即有感性或者容性存在，這時(shí)VI曲線(xiàn)比較復(fù)雜，有直角、彎曲線(xiàn)、橢圓等。如果由于管腳之間的阻抗、感性或者容性發(fā)生了改變，經(jīng)測(cè)試儀測(cè)量后就會(huì)發(fā)現(xiàn)VI曲線(xiàn)與好的電路板上相同點(diǎn)測(cè)試的VI曲線(xiàn)不同，由此，就可以發(fā)現(xiàn)故障元件了。

圖2 隨著阻值量的變大，直線(xiàn)的斜率變大,貼近水平基線(xiàn)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(kāi)口變小Fig.3 As the capacitance(inductance)becomes large,small oval openings

圖4 二極管VI曲線(xiàn)Fig.4 Diode VI curve

2.2 維修應(yīng)用

由圖2可以看到，當(dāng)器件管腳二端阻抗為零,即短路狀態(tài)，儀器上顯示一條垂直線(xiàn)；當(dāng)器件管腳二端阻抗為無(wú)窮大，即斷路狀態(tài)，儀器上顯示一條水平線(xiàn)。這二種現(xiàn)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(duì)地之間阻值等效為無(wú)窮大，相應(yīng)VI曲線(xiàn)就是平行于電壓軸的一條直線(xiàn)[4-6]。

對(duì)于晶體管、可控硅等三端器件的測(cè)試，采用正弦波和脈沖的同步匹配模式。先測(cè)試兩個(gè)極的元件端口特性。然后調(diào)整脈沖源的脈沖幅度、寬度測(cè)試三端器件的開(kāi)關(guān)特性，如可控硅的導(dǎo)通角、IGBT、MOS管、晶體管的開(kāi)關(guān)性、繼電器的動(dòng)作、各類(lèi)光耦的耦合特性等。

對(duì)于集成塊，因?yàn)槠鋬?nèi)部是電阻、電容、二極管等元件的綜合效應(yīng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，只要測(cè)量輸入、輸出管腳對(duì)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(xiàn)象就比較難判斷，經(jīng)常稱(chēng)為“虛斷”、“虛短”，只有在工作狀態(tài)時(shí)才能發(fā)現(xiàn)。如4069集成電路，它是6非門(mén)電路，其輸入輸出關(guān)系為當(dāng)輸入高電平時(shí)輸出低電平。當(dāng)輸入低電平時(shí)就可以測(cè)到有高電平輸出，但有沒(méi)有按照規(guī)定時(shí)間內(nèi)有輸入就有輸出即時(shí)序問(wèn)題就無(wú)法判斷了。類(lèi)似于斷路、短路問(wèn)題，我們認(rèn)為是端口特征測(cè)試；對(duì)于高、低電平測(cè)量是功能測(cè)試；而時(shí)序問(wèn)題就是性能測(cè)試了。本儀器可實(shí)現(xiàn)功能測(cè)試，是定性測(cè)量。

路內(nèi)測(cè)試維修儀通過(guò)檢測(cè)電路板上每個(gè)元器件性能是否正常尋找電路板上故障點(diǎn)。通常在維修中，很難獲得設(shè)備或器件的相關(guān)功能說(shuō)明、電路原理和各點(diǎn)參數(shù)值等詳細(xì)資料。應(yīng)用該儀器提取VI曲線(xiàn)，進(jìn)行比較、模擬分析，根據(jù)差異大小判斷有無(wú)故障，找到故障點(diǎn)實(shí)現(xiàn)修理的目的。

3 結(jié)束語(yǔ)

路內(nèi)測(cè)試維修儀的應(yīng)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(jiǎn)化了分析電路原理和追究信號(hào)來(lái)源的過(guò)程。在測(cè)試時(shí)，由測(cè)試儀在電路板上對(duì)器件以隔離方式施加交流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，提取VI曲線(xiàn)判斷器件的好壞，而無(wú)需將元件從電路板上取出。對(duì)電子設(shè)備和系統(tǒng)維修有很好的應(yīng)用,故障修復(fù)快，修理成本小，可以達(dá)到元件級(jí)維修。與傳統(tǒng)的修理儀器和工具比修復(fù)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(xiàn)的在線(xiàn)測(cè)試的研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2008.

[2]張建鋒.基于A(yíng)SA電路在線(xiàn)測(cè)試的研究與實(shí)現(xiàn)[D]．南京：東南大學(xué)，2003.

[3]鄭偉正等 基于隔離技術(shù)的器件在線(xiàn)功能測(cè)試方法 [J].研究科學(xué)技術(shù)與工程,2010(21):5269-5273.ZHENG Wei-zheng.The device online function testing method based on isolation technique[J].Science Technology and Engineering,2010(21):5269-5273.

[4]楊宇明.在線(xiàn)電路維修測(cè)試儀及應(yīng)用［J］.設(shè)備管理與維修2008(7):24-26.YANG Yu-ming.Online repair circuit tester and its application[J].Equipment management and repair,2008(7):24-26.

[5]董軍偉.一種故障在線(xiàn)隔離技術(shù)在電子裝備測(cè)試中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2013（2）:294-296,302.DONG Jun-wei.Application of an online fault isolation technology in the electronic equipment test[J].Computer measurement and control,2013（2）:294-296,302.

[6]王在淵.在線(xiàn)電路測(cè)試儀在裝備維修中的應(yīng)用[J].火力與指揮控制,2008(33):60-62.WANG Zai-yuan.Application of in circuit tester in equipment repair[J].Fire control and command,2008(33):60-62.