ASA（VI曲线）测试技术及其实现
北京天惠维测电子公司 总工程师 韩熔
ASA(VI曲线)测试是电路在线维修测试仪上最重要的测试功能之一。本文简单的介绍了ASA测试的原理。主要围绕着故障检出率、测试可靠性、使用效率等方面，介绍了如何在电路维修测试仪上高水平地实现ASA测试技术。本文对评价在线维修测试仪产品、更好的掌握此项测试技术，有较大参考价值。
一、 ASA测试应用特点
Analog Signature Analysis(模拟特征分析)是一种广泛用于电子电路板的故障检测技术。具有以下应用特点：
1．不涉及电路原理，无需电路处于工作状态，所以可用于没有图纸资料，脱离设备（无需联机检测）的电路板的故障检测；
2． 不需给电路板加电，相对更安全；
3． 不涉及电路板上器件的功能，所以无论电路由什么类型的器件组成，数字的、模拟的、数模混合的、功能已知的、未知的（如专用、可编程）等等，均可测试；
4． 它是逐电路结点（器件管脚）进行测试的，基本上不受电路板上元器件封装的限制。
由于单个器件可以看成最简单的电路板电路，所以ASA技术也能够用于检测大规模、复杂或功能未知集成器件的好坏。事实上，由于条件所限， ASA是许多用户检测此类器件的唯一办法。另外，ASA用于检测分立元件功能好坏时，也有方便、直观等特点。
二、 ASA基本测试原理
就基本检测原理而言，ASA测试可以看成万用表检测法的自然延伸。
对于无图纸电路板，最常用的故障检测方法是这样的：先用万用表测出好电路板上器件管脚（实际是电路结点）对地电阻；然后与故障电路板上相应器件管脚的对地电阻进行比较，根据差异大小来判断该结点上有无故障。由结点到具体元器件需要人工确定。这种方法简单、易用且有效，许多人都用这种办法修好过复杂、昂贵的电路板。
影响这种办法的故障检出率的主要原因是,万用表只能检测在1.5V（万用表电池电压）下的电阻，而半导体器件引脚的对地电阻随电压变化——不同电压下的电阻未必相同。比如，某TTL器件管脚在2.5V有软击穿,产生较大漏流。这样的故障就不能被检测出来。
设想你有几十、或上百块万用表，每块表的电池电压都不一样——电压范围包括了器件的工作电压。对每一个管脚，都用这些表全部测试、对照一遍，这样，上面所说的故障就会被检测出来了。这就是ASA测试原理——在一个电压区间内、而不只是一个电压点下进行比较。
三、 基本ASA测试的实现方法
用测试仪产生一个变化的电压信号加在被测试对象上，同时记录不同电压下的电流。把随电压变化的电流在电压-电流座标系上表示出来，得到一条阻抗曲线。使用者通过比较好、坏电路板相应结点的阻抗曲线的形状差异，达到故障检测的目的。
理论表明，使用以正弦规律变化的电压信号（正弦波）的测试效果最好。事实也是如此，无论进口的、还是国产的此类测试仪，都用正弦波作为ASA测试的主要测试信号。
现在市场上的此类测试仪产品都和微机配合使用。测试仪产生正弦波测试信号；微机在专用测试软件控制下，接受用户指令、实现测试算法、按用户的要求控制测试仪施加测试信号、显示测试结果、存储测试数据。
下面从用户的实际使用要求出发，对如何得到方便、高效、实用的ASA测试功能，进行一些讨论。
四、 关于配接微机
微机软硬件的更新很快。从当前微机技术以及发展来看，测试仪的软硬件主要应该解决以下两个问题：
1． 测试软件应支持主流操作系统版本
自Win98后，Windows操作系统对外部设备的管理机制作了很大改动，使得Win98上的测试程序，不能自动升级到其后的系统版本上运行。鉴于Win98及以下的操作系统很快会完全退出使用，如果测试软件不能支持主流的操作系统版本，比如Windows XP,将会给用户以后使用带来麻烦。
2． 测试仪最好支持USB口
早期的测试仪采用在计算机内插卡的方式实现和计算机的配接。由于这种方式缺点较多，又转用并口（打印口）配接。但近年来更加先进的USB口得到了迅速普及。USB口速度快、更安全（允许带电插拔），会给用户的使用带来很大方便。另外，目前市场上带并口的笔记本电脑已经十分少见，并口在台式机上也许会很快消失——常用计算机外设，如打印机、扫描仪、数码产品都是USB口了。如果测试仪不支持USB口，会影响用户微机的换代更新。
五、 关于测试信号
对任何一种电子仪器，测试信号都是构成整个测试功能的基础。它的质量，基本决定着测试质量。
关于主测试信号——正弦波：
1． 幅度（峰-峰值）
为了保证测试效果，同时又不至于损伤被测器件，正弦幅度应大于被测器件引脚的实际工作电压，小于极限电压。由于不同元器件所需电压值不同，这就要求测试仪输出的正弦波幅度可调。
显然，可调的范围越宽、允许调整的步距越小（分档越多）越好。目前市场上多数测试仪的设置为±4V、±8V、±18V、±28V等几个挡，基本满足大部分电子电路板、电子元器件的检测要求。汇能测试仪的电压幅度从±1V--±28V，以0.5V步距可调，也就是分成了五十多个档。
2． 最大输出（短路）电流
将正弦波短路后所能流出的最大电流叫做最大输出电流：
最大输出电流=等于正弦峰值/输出电阻
目前多数国产测试仪的最大输出电流在十几毫安到二、三十毫安。据我们的经验，这适用于测试一般集成电路，比如74系列器件。如果考虑到测试功率更大一些的集成器件、大电容（上万微法）、大功率三极管等，最大输出电流应该更大一些。汇能测试仪的最大输出电流可达150mA。
3． 频率范围
频率范围越宽，越能更好地适应对容性、感性结点的测试。比如，对一、两万微法的电容，用汇能测试仪都能测出它的有效ASA曲线——从曲线上可以明显看出是否漏电、容量是否够。
4． 波形保真度（或失真度）
指实际产生的正弦波与理想正弦波的形状差异。非直流结点的ASA曲线形状不仅与频率相关，也与波形的形状相关。比如，电容的ASA曲线只在正弦波下是椭圆。
5． 关于正弦波产生中的问题
由于ASA测试通过曲线形状来判断故障，所以测试结果的一致性、可重复性十分重要。测试结果的一致性、可重复性由测试信号的稳定性保证。
目前市场上有的国产测试仪产生的测试信号，会随配接微机的速度、以及Windows操作系统的分时性而变。
比如，可这样观察Windows分时性对信号的影响：保持测试仪连续输出测试信号，用示波器持续观察，然后打开一个需要系统资源较多的任务，比如播放音乐，马上看到信号的形状完全变样；更简单的办法是测一个电容，比较播放音乐前后测到的ASA曲线即可发现。
其实，即使没有打开用户任务，也会有一些系统任务在后台不时运行着，同样会干扰测试。观察的时间稍微长一点就会发现。
这种情况多数是测试仪硬件设计的过于简单——测试仪没有独立的定时电路，测试信号的形状和频率发生了变化。
汇能测试仪的测试一致性很好。经军方有关单位检测，它生成的测试信号的频率准确度、波形失真度小于2%，并不随外部条件变化。
关于辅助测试信号——脉冲：
引入脉冲辅助测试信号，是为了使ASA测试能够很好地用于三端器件的测试。闸流管、MOS三极管、甚至继电器、电压调节器等都可以看成三端器件。
以闸流管为例。仅在它的阳极和阴极之间加ASA测试信号，只能发现两极之间是否短路、或有漏流，不能发现开路、或导通不良的故障。引入一个脉冲信号加在闸流管的控制极，控制管子在ASA测试期间出现导通、截止两种状态，就能对闸流管进行较为全面的检测。
不同的三端器件需要不同的控制方式。控制方式实际就是正弦波如何和脉冲匹配（同步）。
有的测试仪产品没有脉冲辅助测试信号。有的测试仪产品实现的比较简单。比如有一种国产测试仪上的三端测试信号实际上只是一个大小可设的直流电平，在ASA测试期间无变化，始终存在。
为了满足各种三端器件的不同测试要求，汇能测试仪上设置了八种脉冲和正弦波的匹配方式。相对于正弦波来说，脉冲的起始、结束位置；宽度、高度均可调整；支持单向触发、双向触发。详细情况请参阅有关产品说明。
六、 提高基本ASA测试的故障检出率
1．单端口vs多端口测试
所谓的单端口测试，通常指所有的电路结点（器件管脚）分别与电路板的“地”组成一个个的端口，ASA测试信号总是加在这些端口上进行测试。比如，在单端口的方式下，对一个有N个脚的器件，总共处理N条曲线。
但在使用中人们发现，有时候器件的两个管脚分别对地的曲线没有大的变化，但两个管脚之间的曲线变化很大，这种情况仍然属于器件故障，为了解决此类问题，发展了多端口测试方式。
所谓的多端口测试，是指对一个器件的任何两个管脚组成的端口，都要进行ASA测试。这样对一个有N个管脚的器件，最多处理NxN条曲线。
在汇能测试仪上，对多端口还分了三种情况考虑：
a．多端口对称：
当处理了2脚对3脚组成的端口后，如果还要处理3脚对2脚组成的端口，就叫做对称方式，否则称为非对称方式。这类似于用万用表，要不要调转表棒再测一次。
由于ASA使用正、负对称的交流测试信号，多数情况下，对同一端口调转信号后测到的曲线和原曲线是对称的，也就是说不能提供更多的故障信息。采用对称方式更多是为了方便分析故障。不过也存在不对称情况。
b．非对称含参考脚：
c．非对称不含参考脚：
所谓含参考脚指要测试1脚对1脚、2脚对2脚、......N脚对N脚组成的端口。这种端口测到的一定是条短路曲线，否则，可能存在其它问题，以该脚为基准测到的曲线不可信。就是说，含参考脚有利于提高测试可靠性。
2．自动、手动曲线灵敏度选择
ASA测试是依据两条曲线的形状差异来检测故障的，但是，测试数据的差异与把数据以曲线显示出来后，曲线之间的差异并不是一回事。用机械式万用表打个比方。指针越接近中央位置，同样大小的阻值变化引起的指针摆幅越大，也就是指针位置关于故障的灵敏度越高。
对于ASA曲线可以证明，在电压—电流坐标下（VI曲线），曲线的整体走势越接近45度，对故障的灵敏程度越高；如果测试曲线是一个封闭图形，如电容，曲线包围的面积越大，对故障的灵敏度越高。
影响曲线走势主要是测试信号的输出电阻。当选择的电阻值越接近被测结点的等效电阻值时，得到的曲线灵敏度越高。
汇能测试仪允许对任意一条曲线人工修改测试参数后重测。该特点可用于手工调整曲线灵敏度。但这种办法不仅麻烦——当曲线很多时很难逐一观察、调整，而且很多情况下，也很难直观判断什么样的曲线灵敏度更高一些。汇能测试仪具有自动计算曲线的灵敏度，自动选择灵敏度较高的曲线的功能。这称为ASA曲线灵敏度自动调整。
3． 按端口设置测试参数
并非同一个器件的所有管脚都适用于同样的测试参数。举个典型的例子：集电极开路器件的输出往往耐压较高，用于驱动数码管、继电器等，而输入都是标准电平，所以对于输出、输入的测试信号的幅度应该不同，才能达到全面检测的目的。
汇能测试仪有普通设置和特殊设置两个设置窗口。普通设置对所有的端口有效，而在特殊设置中可对少数特殊端口进行重设。特殊设置的优先级别高于普通设置。
在完成测试后，如果对测试结果不满意，还可以用鼠标选中不满意的曲线，打开该曲线的设置窗口，重设后重测该曲线。
七、 提高测试可靠性
测试可靠性指测试仪能够识别出可能导致误判的ASA曲线。
1．接触问题
在大多数情况下，端口之间不是开路的状态，但又不能完全排除这种情况。测到开路曲线的十分可能的原因是，器件管脚氧化、防锈涂层未打磨干净、测试探头磨损等原因导致的接触不良，所以在实际使用中，一旦发现开路曲线，都要进行确认——检查、处理，然后重测，以免得到虚假曲线。但当一次测试要处理成百上千条曲线时，依靠人工来找出开路曲线很不现实，因此，汇能测试仪设有判开路曲线的功能，在所有测到的曲线中，只要存在开路曲线，就给出提示信息，用户可以根据提示很容易找到它的所在。
2．曲线稳定性问题判稳定（过渡过程、mos器件、自激）
由于被测电路本身的原因，导致在同样的测试条件下，每次测到的曲线都不相同称之为曲线不稳定。由于ASA测试依靠曲线的重合度来发现故障，显然，不稳定曲线很容易导致误判，这要求测试仪能够识别并提示不稳定曲线。
经过长期实践，发现导致不稳定曲线的原因主要有以下三种：
a．自激导致的不稳定
产生自激的原因很好理解。电路结点的电特征千差万别，ASA测试将一个正弦波注入电路结点，某个结点的电特征正好在这个频率下引起自激是完全可能的。其实这也是ASA测试使用正弦波作为测试信号的原因——正弦波的谐波分量最少，导致自激的可能性最小。
自激曲线的现象是大面积散点，并且没有最终的稳定状态。更换测试信号频率即可消除自激。
b．过渡过程导致的不稳定
当结点的冲、放电常数相差较大时所导致。这种曲线的现象是当反复测试时，曲线逐步向一个稳定状态靠近，有一个最终的稳定状态。
c．测试MOS器件时的不稳定
前两种不稳定主要发生在电路板测试时，而这种不稳定主要发生在测试单独的MOS器件时。导致这种不稳定的原因是器件中的MOS晶体管随测试信号的不同开关过程。
这种不稳定的曲线的现象是曲线上下跳，似乎是两条稳定曲线轮流出现一样。测试时只要把器件的电源脚和地脚都接地就可消除。当然，在多端口测试方式下更难处理一些。
尽管对于每种不稳定现象都有解释和解决的办法，在使用中最重要的问题是要能够发现不稳定曲线，提示用户去处理。汇能测试仪已经解决了这个问题。只要在所有测试到的曲线中有一条是不稳定曲线，就会给出提示，用户可以根据提示很容易找到它的所在。
八、 改善人-机界面和使用效率
1．测试结果索引方式
当一次处理成百上千条曲线的时候，能否实现快速检索就会严重影响使用效率。使用中主要有以下三种检索要求：
a．迅速找到有问题的曲线，比如：开路、不稳定、超差曲线；
b．迅速找到某个端口的曲线；
c．迅速找到某个曲线所属的端口。
汇能测试仪对此作了精心设计，采取了以下措施：
a．将全部曲线分页。如果是单端口测试，所有曲线安排成一页；如果是多端口测试，与第一脚组成的端口的曲线为第一页，与第二脚组成的端口曲线为第二页等等。支持用户向上、向下翻页；
b．设置了总提示和页提示。如果所有页的曲线中有一根异常曲线，总提示就会给出有错的提示信息；如果错误在当前页，则会同时给出当前页有异常曲线的提示，这样，用户利用上、下翻页功能，能够很快找到有错误的页；
c．在每一页当中，在学习曲线时，会自动将异常曲线排列在前面，当然，也可以选择按管脚顺序排列曲线；在进行曲线比较时，则会自动将误差较大的比较结果排在前面，也就是支持按误差递减的排列顺序，当然也可以选择按误差递增的顺序、管脚顺序排列曲线；
d．当页数很多、每页中的曲线很多，远远超过显示器一屏的显示范围时，想要快速找到某个端口的曲线也会很费时间。比如，对一个40脚的器件做完多端口测试，要想看一下20脚和5脚组成的端口曲线，要经过多次操作，为此，汇能测试仪上专门设置了曲线的文本索引方式，只要在选择栏里用鼠标点一下20，第20页立即成为当前页，再点一下5，无需人工滚动屏幕，该端口的曲线就会自动滚动到合适位置显示出来，十分便捷。
2．三种曲线坐标
多数情况下，人们喜欢在电压-电流坐标上观察ASA曲线，但对有的测试结果，换一种坐标可能更容易理解，更容易把问题的本质暴露出来。这就好比几何中又有直角坐标系、又有极坐标系一样。汇能测试仪支持三种坐标：电压-电流坐标、时间-电压坐标和电压-电阻坐标。请参阅产品说明中给出的测试实例，会对此理解的更具体一些。
3．单曲线处理
当索引到所需曲线后，用鼠标双击曲线，测试仪将仅仅重测这条曲线，其它曲线不受影响。正像前面所提到的，还允许重新设置该曲线的测试参数后再测。有的测试仪不支持单曲线处理，或者不能够给不同的曲线设置不同的测试参数，或者当需要重测某条曲线时，必须把所有曲线全部重测一遍。使用效率低。
九、 其它辅助措施
1．曲线显示形式
汇能测试仪以点的方式——按实际测试数据显示曲线；也支持按线的方式——将测试点用线连接起来显示曲线。点的方式真实，线的方式醒目，用户可以按自己的要求随时切换；
2．单曲线/页显示
一屏显示一页所有的曲线。若曲线较多，需要用鼠标拖动滑动条滚屏；如果要将某条曲线放大，可以通过鼠标单击该曲线将它变为当前曲线，然后切换到单曲线显示，整个屏幕只显示一条曲线。
3．显示/隐藏坐标参数
当选择显示坐标参数时，测试每条曲线的正弦波的幅值和短路电流将显示在显示该曲线的坐标轴上。
4． 直接/间接比较测试
所谓的间接测试，是指先提取好的电路或器件的ASA曲线，存入计算机，然后再测试同样但有故障的电路板或器件，把两次测到的曲线同时显示出来，供判断故障。可以是测完好的立即测坏的；也可以是以后的任何时候。一般把第一步叫做建库。这是推荐使用的方法。
直接比较测试是指同时测试好坏两个电路板或器件，同时显示。有人叫做双板对比。
5．动态/静态测试
所谓动态测试是指反复测试一条曲线，直至人工停止为止。有人称之为自动巡检（似乎和巡检的原本含义不同）。
所谓静态测试是指仅测试指定次数。取最后一次测试结果。
