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1、节点特征分析NSA技术培训教材目录1 电子装置故障诊断综述2 特征分析SA技术概貌l 物理特征及其最佳表述方式特征图ST3 特征图示ST的基本原理与技术要素4 特征图示ST相关仪器概况l 廉价实用的“多用特征图示仪”5 特征分析SA基础知识l 四种典型特征6 特征分析SA基本方法l 比较法l 经验法7 用ST功能进行电路诊断和元件测试71 扫描幅度Vp的选择72 限流电阻Rs的选择73 扫描频率Fs的选择74 使用NST的一般方法和原则75 典型示范1电子装置故障诊断综述 电子产品的故障排除是个复杂的问题，往往是让人头疼。大批量的生产过程可以使用昂贵的大型自动化在线测试设备，但仍然有一些特殊故
2、障需要人来处理；在产品开发、售后维修和小批量生产过程中，更须水平相当的技术人员凭借一大堆各式各样的测试设备和必要的技术资料，采用“师傅带徒弟”的传统方法处理电子故障问题。电路诊断有三大要素：测试设备、技术资料和知识经验。首先，就测试设备而言，世上没有能解决一切问题的“全天候”仪器，要用各种各样的仪器设备来应付不同的问题。但是随着科技的发展，电子产品日益多元化，要用的测试设备越趋向多样化。其次，由于一些厂家“保密”的需要，技术资料难以得到。第三，有经验的工程师更是“难觅”。因此，“传统的方法”受到挑战，一些新型测试手段应运而生，它们尽力解决以下新型问题： 电路图等相关资料难以得到； 技术人员缺乏
3、经验； 大批量生产中的特殊故障急需排除； 对廉价实用的“不加电在线测试”的迫切需求； 更进一步的联网自动检测的期盼。综观电路诊断的方法，有“加电测试”与“不加电测试”两种不同的方式。所谓“加电测试”是指接通被测对象的电源，用电压表、示波器、逻辑分析仪以及相关的信号源进行测试。这里又有“静态测试”与“动态测试”之分。“静态测试”较为简便，仅靠电压表就可胜任，也无须过高的技术水平，但只能作电路静态工作点的分析。尽管如此，不少故障靠“静态测试”就可查出。“动态测试”能力很强，但必须有较强仪器阵容、较高技术水平以及详尽图纸资料的有力支持。所谓“不加电测试”是不对被测对象加电，用欧姆表（多用表）等廉价简
4、便的测试工具，靠相应的知识和经验，对电路节点的“阻抗特性”进行分析的简便测试。显然，“不加电测试”的能力有限，然而，却因为它廉价简便，成为绝大多数技术人员的首选。正因为如此，书市上出现了不少用多用表诊断家电等电子产品的专著，由此可见“不加电测试”应用之广。着力于“不加电测试”技术的研究，意义重大。目前，重要的问题在于，怎样提高“不加电测试”的效力。经分析研究，我们认为，“不加电测试”的能力有限在于，目前多数人的测试手段，即各种类型的多用表并不能施行完整意义的“阻抗特性”测试，因为它们只能测定其中的直流电阻。好在全新的手段已经诞生，本教材推荐的“特征分析”SA技术可弥补这种不足，实施真正的“阻抗
5、特性”测试，使人们能增强“不加电测试”的能力。2 特征分析SA技术概貌特征分析顾名思义是以某种特征为依据来诊断电路，问题在于用什么来作为“特征”。电路由元件组成。元件之间的交点就是图论中所述的节点。失常的电路必定产出了某些失常的节点。查找失常的节点，分析失常的原因，判明故障元件与错误连接，是电路诊断的有效方法。正常的节点应该有其鲜明的特性表征。某种足以判明节点正常与否的特性表征就可当作该节点的特征Signature。对节点的特征进行分析来查找电路故障的方法，就是SA（Signature Analysis），即“特征分析” 技术。特征分析SA有两种：物理特征的分析和逻辑特征的分析。逻辑特征是数字
6、逻辑电路节点独有的特性表征。它是节点逻辑过程正常与否的表征。它不仅仅与该节点自己的物理状态相关，而且与相应系统的总体逻辑过程息息相关。逻辑特征是用特征字（Signature Word）标识的。SW（Signature Word）是该节点的逻辑序列之压缩结果四位16进制数字，即一个“字”（ Word）。这种数“字”就是数字电路节点的逻辑特征。美国HP公司首创了逻辑特征测试仪器Signature Analyser 与Signature Multi-meter。作为该公司的标准，HP相关产品中都已配置了测试驱动程序，产品电路图的相关节点上标有各自的特征字SW，以便用上述仪器进行诊断测试。国内外还有一
7、些厂商也生产此类仪器。因为它们的应用必须有能在被测对象中运行的驱动程序来配合，所以有很大的局限性。与此相反，物理特征的分析却没有这方面的局限，甚至于被测对象无须加电。由于Signature Analyser已被此类仪器作为名称，物理特征分析便被有的人称为ASA（Analog Signature Analysis），以示区别。本教材所述SA技术只涉及电路节点的物理特征的分析。物理特征及其最佳表述方式特征图ST物理特征是电路节点物理状态正常与否的表征，它只与该节点自身的阻抗特性相关。无论模拟电路或数字电路，电路中的每个节点都应有各自的物理特征。物理特征的分析，有人称之为ASA（Analog Sig
8、nature Analysis），即“模拟特征分析”。我们认为，称其为NSA（Nodal Signature Analysis），即“节点特征分析”更为合适。此外，也有人称其为“V-I曲线分析”。无论怎样叫它，物理特征都是以特征图（Signature Trace）作为标识。ST（Signature Trace）即特征图，是目前所知最简洁、最直观的方式，即最好的表述方式。ST其实就是该节点的电压-电流关系曲线，即该节点的阻抗特性曲线。我们就是用这种曲线图作为电路节点的物理特征。ST（Signature Trace）也可解释为特征图示，是仪器设备的一种测试功能。ST功能就是测试电路节点的物理特征并
9、将测试结果以曲线图的方式描绘出来。ST功能既适用于模拟电路，也适用于数字电路；既适用于分立元件，也适用于集成电路。3 特征图示ST的基本原理与技术要素特征图示ST用于实施电路节点的特征分析SA。ST的工作原理如下图所示。电路节点的特征分析，即SA是一种在线的（In-Circuit）、不加电的(Power off)故障诊断技术。它以正弦扫描电压通过一限流电阻对被测对象产生激励，引发电路节点上的响应，即电流依电压的变化而变化。对选定的电路节点，激励条件确定时，其响应即Signature是唯一确定的；响应即Signature如有变异，意味着电路节点特性的变异，这必定是电路元件损伤或电路结构变化（短路
10、或断线）所致。这种测试理念与方法有助于技术人员找出已经损伤或即将损伤的元件。仪器的特征图示功能ST可以产生这种激励并采测电路节点上的响应，测得数据以曲线形式即Signature显示在CRT或LCD显示器上。电路节点的阻抗特性是电路的固有特性，不会依外部条件而改变，但是，特征图ST却会因激励条件的不同而显现不同。激励条件取决于正弦扫描信号参数和限流电阻数值。因此，电路节点的特征图ST必然是扫描幅度Vs、扫描频率Fs与限流电阻Rs三者的函数，即：ST = ST（Vs，Fs，Rs）这就是说，扫描幅度Vs、扫描频率Fs与限流电阻Rs是影响特征图ST的三个基本要素。测试时，须对三者选择合适的数值，以得到
11、尽可能明显适用的特征图ST。4 特征图示ST相关仪器概况采用SA技术的电路诊断仪器设备，有专用设备和兼备设备两类。美国的HUNTRON公司是最早的专用设备制造商，从单独的台式仪器到自动化的工作站有一系列的产品。已有三十多年历史。随后，TEKTRONIX公司推出了具有ST功能的示波器前端附件TR210。前几年，FLUKE公司在其新型图形多用表867B型GMM中加入了具有ST功能的“元件测试”功能。英国的Polar Instruments公司生产ST专用设备。此外，国内外的一些集成电路在线测试仪中附加了称为“V-I测试”的ST功能。他们中包括“海洋仪器”等两三家北京的民营仪器制造商。上述产品价格都
12、很昂贵，在ST专用设备中，价格最低的示波器附件TR210售价也要14800元。那些兼备ST功能的集成电路在线测试仪则需数万乃至拾几万元。附带ST功能的FLUKE 867B型GMM最便宜，也要卖七八千元。这些昂贵的设备很难让特征分析SA技术“平民化”。l 廉价实用的“多用特征图示仪”GM128A型多用特征图示仪Signature Trace Multimeter是具有较强ST功能的一种新型多用表。它是一种廉价实用的便携式智能数字多用表。它在普通数字多用表的基础上增加了“电压示波”、“逻辑示波”、“晶体管特性图示”、“特征图示ST”等四种图形功能，数据可存储可传输。其专利技术与强劲软件使昂贵的SA
13、技术得以“平民化”。GM128A Signature Trace Multimeter售价千元，性能价格比很高。GM128A型多用特征图示仪是兼备型的ST测试工具，将传统多用表的电压、电流、电阻测量功能和“电压示波”、 “晶体管特性图示”、 “逻辑示波”、 “逻辑探头”、“频率测量”等等集于一身，最适于维修人员现场使用。5 特征分析SA基础知识l 四种典型特征所有的电路节点特征（Signature）都是由电阻、电容、电感和二极管（P-N结）等四种基本元件的典型特征构成的。理解这些基本的典型特征，可以简化复杂特征的分析。因为任何复杂的器件或电路都是这四种元件的组合，它们的特征图中必定包含这四种典
14、型特征的“痕迹”。在ST仪器的显示屏上（图1），将电压显示在水平方向，电流显示在垂直方向。开路时没有电流，画出一水平线（图2）。短路时电流最大，画出一垂直线（图3）。电阻是电压与电流的比率常数，它的特征图就是一条倾斜的直线（图4），倾斜角度正比于电阻值。开路时的水平线（图2）与短路时垂直线（图3），其实是电阻特征图的两个特例。同一被测电阻选用仪器内部限流电阻的不同量程，呈现出不一样的特征图（图5），说明了选择合适的限流电阻量程十分必要。原则上应选用最接近被测电阻值的限流量程。电容是“惯性元件”，会引起电流对电压的“超前”，即产生所谓的“相移”，因此，它的特征图是一个轴长正比于电容量的椭圆或圆（
15、图6）。电容对频率十分敏感，选用不同的测试频率会得到不一样的特征图（图7）。对测试频率Fs的选择，以图形鲜明为准。电感是另一种“惯性元件”，会引起电流对电压的“滞后”，它的特征图是一个轴长正比于电感量的倾斜椭圆（图8）。图形的倾斜说明它有数值可观的导线电阻，倾斜程度与此电阻成正比。由于电感中的电阻通常较小，测试时应选小的Rs量程。电感同样对频率敏感，对测试频率Fs的选择，以图形鲜明为准。二极管是最简单的半导体器件，它单向导电，这种特性使其特征图成为正交的“折线”：与水平轴重合的水平线表示反向电流为零，垂直线表示大于导通电压（硅管为0.6V）的正电压作用下电流很大（图9）。复杂或合成的特征，是这
16、四种基本典型特征的组合。例如，集成电路是晶体管（二极管的化合物）、电阻、电容构成的。从集成电路显示出的特征就是合成的特征。这些器件内置双向保护电路，显示的特征图ST中间是水平线，其两端连着上下两条垂直线（图10）。这种特征图很典型，被称为“椅子图”。普通的齐纳二极管也将显示一个“椅子图”，其第一个垂线折拐点为0.6V（硅器件的导通电压），第二个折拐点为齐纳二极管的额定电压（图11）。由于电阻和电容的存在会导致集成电路特征图的变化。例如CMOS集成电路内部的电容导致它们的特征“椅子图”背部呈现一个“环形”（图12）。以下是一些常见的故障特征：1、在二极管或“椅子图”上直线部分的弯曲或拐角变圆使我
17、们可以看到漏电流的存在（图13）。2、特征图中的间隙指示电流通路有中断存在。3、在完好的器件特征图中不应该出现的斜线部分指出有损坏的元件。4、在特征图中电容性的“环形”的跳动、尺寸改变或形状的变化指出其电介质可能存在问题。6 特征分析SA基本方法这里有两种基本的SA方法：首先，大量普遍使用的是“比较法”。这里你必须能访问一个已知完好的参考对象。第二，是“经验法”。依靠你的知识经验等等，侦测期望的特征。我们将分别介绍每种方法，首先是最吸引人的比较法，大概有95% 的情况要用到它。l 比较法这种方法是用一个已知完好的参考对象与被测对象进行对比。完好的参考对象可能是下述的其中之一：一、 同类产品之间
18、；二、 相同的电路板组件之间；三、 同一电路板组件上相同的电路单元或电路通道之间；四、 一个器件或集成电路上相同的单元或通道，如74HC14的六个反相器相互之间；五、 CPU、RAM、ROM、接口芯片等大规模集成电路的数据/地址总线上每条线之间；六、 事先测得并存储在仪器内或保存在其它电脑中的“标样”。在缺乏资料与经验的情况下，这种方法十分有用。l 经验法这种方法是凭借自己对被测电路的理解和经验，加上前述四种典型特征图的基础知识，来分析测得的特征图，以判断好坏。经验是学习并积累起来的。要善于将测得的特征图保存在仪器中作为“标样”，并及时转存于电脑的“标样库”中，编号整理，以备后用。如同用多用表
19、的电阻挡来检查修理各种家用电器时一样，会有许多技巧，需要人们去探索积累。只要多用善用多交流，SA技术和ST功能一定会成为您的得力帮手。请留意下边的叙述中所涉及的技巧和经验。7 用ST功能进行电路诊断和元件测试在第3章中已经指出，扫描幅度Vs、扫描频率Fs与限流电阻Rs是影响特征图ST的三个基本要素。测试时，须对三者选择合适的数值，以得到尽可能明显适用的特征图ST。这一章先讲一下它们的选用原则，然后介绍使用NST的一般方法、原则和典型范例。71 扫描幅度Vs的选择各厂家的ST仪器设备对Vs的量程设置各不相同。在GM128A中有低（L）、中（M）、高（H）三个量程可选。三个量程的激励信号峰值分别为
20、0.25V、3V、15V，对绝大多数测试需求已可满足。绝大多数情况下，在测试由集成电路、晶体管、电阻、电容等构成的电路时先选用峰值为3V的M量程。如果检查高于3V的稳压管等器件时，应选用峰值为15V的H量程。若要“滤去”P-N结的影响，或测试某种电感时，则应选用峰值为0.25V的L量程。初用者，可以在各个量程上试探性的测一下。各种情况效果不同，但不会造成损坏。下面，图14所示的范例，足以展示Vs的变化对特征图ST的影响。72 限流电阻Rs的选择各厂家的ST仪器设备对Rs的量程设置也各不相同。在GM128A中限流电阻Rs有100K、10K、1K、250W、10W（仅限于Vs =0.25V）等五种
21、可选量程。原则上，选用最接近被测节点间估计阻抗值的Rs。前述的图5就是一个例子。无法作出估计时，可由大到小进行试探，以图形明显适用为佳。测电感时，先选10W（Vs =0.25V）进行试探，必要时再加大Rs。若要显现小电容的表现，应选择100K等较大的Rs（同时选用较高的频率），必要时可作适当调整。73 扫描频率Fs的选择扫描频率Fs对“电抗性”元件的影响很大，对“电阻性”元件影响甚微。如果被测对象中存在电容、电感等“电抗性” 元件，就需要选择适当的Fs，以求最佳的特征图形。在GM128A特征多用表中，扫描频率Fs有4.8KHz、2.4KHz、200Hz、20Hz和2Hz等五种可选量程。原则上，
22、电容或电感较大时选用较低的频率Fs，反之选用较高的频率Fs。总之，通过试探以图形明显适用为准。测试集成电路通常使用较低的频率Fs。使用较高的频率量程可能会因IC中存在的电容导致特征图中出现环形。下面，图15所示的图形，足以展示Vs、Fs、Rs三者的变化对特征图ST产生的影响。在这里顺便提一下，特征分析法与特征图示仪器在“电工学”和“电子线路”教学中的演示作用。从以上的讲述不难看出，SA与ST对电路工作的初学者是非常直观的教学手段。通过它们可以加深对电路元件特性的认识，使人们对电压、电流与阻抗三者的关系有更全面更深刻的理解。74 使用NST的一般方法和原则NST，即节点特征图示仪器的主要功能是电
23、路诊断，其次才是元件测试。这里着重讲述用NST进行电路诊断的一般方法和原则。NST 的使用与普通多用表一样简便。它们都是以“不加电”的“在线测试”来找毛病，但效果大不相同。普通多用表只能测得电阻，而NST则可测的完整的阻抗特性，由此获取更多更全面的电路信息。相信前面的讲述已经使你有了这种印象。NST适合于所有的电路、器件与各种封装形式。无论模拟电路还是数字电路，无论分立元件还是集成电路，无论直插式还是贴片式，只要有端口有引线，就能用上NST。NST的使用，并不苛求使用者有较高的技术水平与较完备的技术资料。即便缺乏专业知识、没有经验甚至没有任何技术资料，都不会妨碍你使用NST进行电路诊断。相反，
24、通过NST的使用，你能获得知识和经验。在电路诊断过程中，最麻烦的莫过于查找集成电路，尤其是引脚很多的IC中的毛病。然而，经验指出，在一个有缺陷的IC中许多毛病出现在它的输入/输出区域，往往表现在IC的外部端子上，这就是所谓的“端口型故障”。而端口上总会有特征显现，因此，许多IC的缺点可通过节点特征分析显现出来。事实上，大多数电子电路中展示了P-N结独有的特征图形。无论多么复杂，在IC中数量众多的器件的结构都基于这种简单的P-N结。同时我们将发现，不管引脚的数量有多大，在IC中仅仅只有少量几种明显不同的特征图形。因此，是有规律可循的。许多数字电路含有成组的信号总线，用来并行地传送数据或信号（例如
25、，CPU、ROM、RAM、I/O接口等大规模集成电路的数据/地址总线）。这些总线上的每条信号线通常显示同样的特征。在测试复杂的IC 时，这种安排很适合于使用NST的比较法。具体地说，每一次完整的NST测试过程，大体上要作三件事，即三个步骤：第一、 调整仪器选择量程；第二、 连线目标探测节点；第三、 得出结果分析判别。首先，NST的量程选择涉及Vs、Fs、Rs三个参数，前面已有详细叙述。简而言之，大多数情况下，在测试由集成电路、晶体管、电阻、电容等构成的电路时Vs先选用峰值为3V的M量程，测试频率Fs为20Hz，限流电阻Rs为10KW或1KW。然后，依实测情况分别进行调整。其次，测试引线与普通多
26、用表一样，通常只用红黑两条。在NST仪器上，将带探针的红色测试线插入 “+”插孔，带“鳄鱼夹”或探针的黑色测试线插入 “-COM”插孔。黑色引线应该与被测电路的公共参考点相连，通常就连电路的接地端。用红色的探针触及被测节点，即可观测期望的特征。如有必要电源端也可以是参考点，以校验特征是否正确类似。在某些情况下，你可能看见不稳定的特征图，此时，试着把地线和电源一起与黑色的-COM 引线相连。除了红黑两条不可缺少的测试线，还有一条“OUT”引线或许对你有用。从“OUT”插孔可输出“闸门”信号。在线测试可控硅、MOS场效应管、晶体三极管、光电耦合器或其它三端电子开关时，可用它作为触发/控制电平。下一
27、节“典型示范”中会以实例作介绍。在解读特征图时，请注意来自不同功厂商的同类 ICs 之间在特征上的差别，或许它门使用了不同的生产工艺。在认定器件失效之前，先将可疑端点的特征与同一器件的其它端点的特征进行比较。绝大多数电路故障是“端口型故障”，尤其是使用后发生的，基本上属于此类。其共同点是处于最接近外部的端口上。因此，建议采取“先外后里，由大到小”的测试策略。当诊断修理一个完整的电路模块时，例如插件式电路板，按下列次序检验特征：边缘连接器其它连接器大的 ICs小的 ICs 其它元件。甚至于，首先检验被测设备的电源插头上的特征图，也许就能发现问题。因为电源变压器次级侧的短路会“反射”耦合到与插头相
28、连的初级侧，引起特征图的变异。对此，后边将有例举。至此，有关NSA与NST的介绍即将结束。接下来，介绍一些测试实例，以期抛砖引玉。我们相信，这种用起来同多用表一样简便，却能多用表所不能的特征图示仪器，只要价格低廉，一定广为采用。为此，附录中，将对廉价实用的“GM128A多用特征图示仪”作较全面的介绍。75 典型示范例1， 从一个仪器面板的测试插孔中得到的特征图看到了仪器内部输入通道的IC损坏例2， ADuC812的Vref端损坏例3， 变压器的二次侧的短路引起的特征图形的变化例4， 用“GATE”OUT在线测试4463型MOSFET例5， 典型的器件74HC14在线测试的好坏特征图形的照片例6，可编程器件CPLD-LC4064在线测试的好坏特征图形的照片例7，GM128A中的U9-集成模拟开关ADG411第10脚上好坏两种特征图11
