5cVI曲线鹰爪5线测试法

杨宇明，张广宇

（1.北京正达时代电子技术有限公司，北京 100083；2.机械工程信息研究院，北京 100037）

0 引言

图1窗口中的VI曲线形态奇特，有别于当前国内外电路测试仪VI曲线显示形式。这就是北京正达时代电子技术有限公司经过深入研究，2018年6月首创应用5cVI曲线鹰爪5线测试法。测试时，5种坐标系（5种色彩曲线）叠加在同一个窗口。

图1 5cVI曲线鹰爪5线测试法

鹰爪5线测试法（Eagle Claw 5-Curve Test Way）简称5cVI曲线。测试形态像鹰爪，测试效果像鹰爪，5线是基本特征。无论结点阻抗故障出现在任何区域，5cVI曲线都能够如同鹰爪一般以最高灵敏度进行捕捉，一切阻抗故障全不会漏检。

1 VI曲线测试和VI曲线阻抗中值

1.1 什么是VI曲线测试

在电路2结点之间施加1个一定幅度和频率的周期信号，在显示坐标上形成1条电流随电压变化的函数曲线，即VI曲线。VI曲线的形状由被测结点之间的阻抗特性所决定。例如：电阻两端的VI曲线是1条经过坐标原点的直线。二极管两端的VI曲线是PN结反向截止与正向导通特性的反映。参照图2，以1 kΩ坐标系窗口为例，二极管VI曲线（音线）和1 kΩ电阻VI曲线（银线）对比。

器件故障经常会伴随管脚之间阻抗特性的改变。通过比较好坏电路板（或器件）上相同结点之间的VI曲线，可以发现阻抗特性发生改变的结点，从而确定故障器件。直接观察或两者对比VI曲线的过程称作VI曲线测试。

1.2 什么是VI曲线阻抗中值（坐标系）

在±8 V，8 mA显示坐标下，1 kΩ 和 2 kΩ（或500Ω）的VI曲线差别明显，而 8 kΩ和>8 kΩ（更趋近 x轴）的VI曲线以及100Ω和约100Ω（更趋近y轴）的VI曲线差别不明显（图 3），以1kΩ坐标系窗口为例，测试灵敏度向两轴方向越来越低。VI曲线越趋近x轴或y轴，对阻抗差异的区分能力越差，灵敏度越低。一旦VI曲线重合于x轴或y轴，将无法进一步反映被测器件管脚阻抗特性变化。因此，当比较2条VI曲线时，应避免VI曲线过于趋近x轴或y轴，尽量使其趋近45°线区域，以便观察VI曲线形状或位置的细微变化。

在VI曲线窗口中，45°函数曲线对应的阻值被称作阻抗中值。例如：在±8 V，8 mA窗口中，45°线对应的是1 kΩ阻值，即阻抗中值是1 kΩ。这个窗口简称1 kΩ坐标系。阻抗中值附近（即45°线区域）的测试灵敏度最高。对于远离45°线区域的VI曲线，应另选一种阻抗中值（坐标系），使VI曲线尽量趋近45°线区域。这一点非常类似于指针式万用表的电阻挡量程设置。

图2 普通VI曲线窗口处于1种坐标系

图3 VI曲线测试灵敏度变化规律

正达测试仪具有5种阻抗中值（坐标系），分别为100Ω，1 kΩ，10 kΩ，100 kΩ，470 kΩ。调整阻抗中值（坐标系）的一般原则：当VI曲线过于趋近x轴时，应选择更大一挡的阻抗中值；当VI曲线过于趋近y轴时，应选择更小一挡的阻抗中值。以便VI曲线处于最佳显示范围。

VI曲线最佳显示范围是指电路结点阻抗变化能够引起VI曲线发生明显变化的区域，即灵敏度最高的区域，位于阻抗中值0.3～3倍区域。阻抗中值为100Ω，1 kΩ，10 kΩ，100 kΩ，470 kΩ 时，VI曲线 5 种坐标系的最佳显示范围分别为（30～300）Ω，300 Ω～3 kΩ，（3～30）kΩ，（30～300）kΩ，150 kΩ～1.5 MΩ。通过调整阻抗中值（坐标系），正达测试仪VI曲线的最佳显示范围能够完整覆盖30Ω～1.5 MΩ的全部区域。无遗漏、无死角。VI曲线在最佳显示范围之外区域也具有辨识度，但灵敏度向两轴方向会逐渐降低，直至无法辨识。另外，测试频率和扫描电压等因素也会影响VI曲线测试灵敏度，但远无法和阻抗中值因素相比。

2 结点全域阻抗故障难题

由于VI曲线窗口具有多种坐标系，因此单就每一个窗口而言，只能覆盖部分区域的阻抗故障，都无法在一个窗口中覆盖全部区域的阻抗故障，势必形成测试盲区。这就是结点全域阻抗故障难题。

2.1 VI曲线零点电压测试盲点问题

有人撰文提出，2个反向PN结（二极管）又并联1个15 kΩ电阻时，由于在PN结正负向导通之后导通电阻很小，完全淹没了15 kΩ电阻——电阻是否存在基本不影响VI曲线形状；这个15 kΩ电阻只能在VI曲线测试时0电压点附近（2拐点之间，PN结电阻远>15 kΩ）才能呈现出来。但是有15 kΩ电阻的VI曲线和无15 kΩ电阻的VI曲线形状相差不多——故障会被掩盖。电路测试仪不能发现这个问题，必须采用其他测试方法。这就是所谓的VI曲线零点电压测试盲点问题。

由于2个反向PN结（二极管）截止区段阻值很大，又并联1个15 kΩ电阻，根据并联关系，该区段阻值约等于15 kΩ。此时如果在100Ω和1 kΩ坐标系下测试VI曲线，由于15 kΩ电阻远大于这2个坐标系的阻抗中值，必然重合或趋近于x轴，混同于2个反向PN结（二极管）截止区段，无法发现。如果2块电路板对比VI曲线，好电路板上只有单纯的2个反向PN结，而故障板上还存在15 kΩ电阻，在100Ω和1 kΩ坐标系下这个故障会被漏掉，出现测试盲点（图4左）。

如果在10 kΩ坐标系下测试VI曲线，问题会显现。15 kΩ电阻接近于10 kΩ阻抗中值所处的45°线位置，与单纯2个反向PN结截止区段的VI曲线不同（图4右）。可以想象在100 kΩ和470 kΩ坐标系下测试的情形，由于15 kΩ电阻远约100 kΩ和470 kΩ阻抗中值，在100 kΩ坐标系下VI曲线更趋近于y轴，近似于和x轴垂直。在470 kΩ坐标系下VI曲线重合于y轴，完全和x轴垂直。2个反向PN结又并联1个15 kΩ电阻，在100Ω坐标系出现x轴测试盲区，淹没15 kΩ电阻（图4左）；在10 kΩ坐标系消除盲区，15 kΩ电阻显现（图4右）。可见，有人提出这个关于盲点的具体问题有积极意义。但由于对电路测试仪使用方法不熟悉，做出电路测试仪不能发现这个问题的结论是错误的。

图4 改变阻抗中值（坐标系）消除x轴测试盲区

2.2 VI曲线零点电压测试盲点的电容问题

由于电路板上存在电容，在测试过程中可能会出现VI曲线电容盲点。例如在1 kΩ坐标系下测试VI曲线，好坏电路板在0电压点附近都是一个闭合电容VI曲线。使用人容易忽视，出现电容盲点（图5左）。这就是所谓的VI曲线零点电压测试盲点的电容问题。但是如果换成100Ω坐标系，盲点就会消失。好电路板上还存在2个反向PN结，而坏电路板上没有（图5右）。2个反向PN结又并联1个电容，在1 kΩ坐标系出现y轴测试盲区，只出现电容闭合曲线（图5左）；在100Ω坐标系消除盲区，在电容闭合曲线两端又出现2个反向PN结上下导通曲线（图5右）。

2.3 关于VI曲线两轴测试盲区

当VI曲线趋近于或重合于两轴时，便进入当前坐标系下的窗口边界，形成两轴测试盲区。VI曲线两轴测试盲区又分为x轴测试盲区和y轴测试盲区。例如在100Ω坐标系下，10 kΩ电阻和水平开路VI曲线没区别，看不出存在10 kΩ电阻，这就是x轴测试盲区。应换成10 kΩ坐标系。再如在10 kΩ坐标系下，100Ω电阻和垂直短路VI曲线没区别，看不出存在100Ω电阻，这就是y轴测试盲区。应换成100Ω坐标系。

VI曲线两轴测试盲区有多种表现形式，是最根本的问题。实质上，所谓的VI曲线零点电压测试盲点问题就是x轴测试盲区。而所谓的VI曲线零点电压测试盲点的电容问题就是y轴测试盲区。两者都是VI曲线两轴测试盲区的具体实例。根据调整阻抗中值（坐标系）一般原则：当VI曲线过于趋近x轴时，应选择更大一挡的阻抗中值。所以前者要调高阻抗中值，使重合于x轴的15 kΩ电阻远离x轴；当VI曲线过于趋近y轴时，应选择更小一挡的阻抗中值。所以后者必须调低阻抗中值，使趋近于y轴的2个反向PN结远离y轴。

图5 改变阻抗中值（坐标系）消除y轴测试盲区

2.4 关于结点全域阻抗故障难题

VI曲线窗口只能覆盖部分区域的阻抗故障，存在两轴测试盲区。使用人通常不了解电路结点实际情况，无法预判阻抗故障的大致范围。加之一些人对电路测试仪使用方法不熟悉或存在嫌麻烦图省事的心理，没有选择最恰当的阻抗中值（坐标系），因而出现各种盲点。

VI曲线测试中遇到的各种盲点问题，以及最根本的VI曲线两轴测试盲区，正是VI曲线结点全域阻抗故障难题。如果只是纠结于测试盲点的具体实例，没有抓住两轴测试盲区这个根本问题，不能够从结点全域阻抗故障这个视角看问题，只见树木，不见森林，处理问题时会顾此失彼。

2.5 力求破解结点全域阻抗故障难题

北京正达时代电子技术有限公司力求破解结点全域阻抗故障难题，关注过一些国外同行设备，发现这是一个普遍存在的难题。

为寻求破解这个难题的有效方法，正达测试仪率先采用双窗口测试。由于正达测试仪VI曲线探棒巡检窗口既可以通过集成界面打开，也可以再通过快捷键打开另一个窗口，2个窗口测试参数可以独立设置。因此采用单探棒测试时，可以将2个窗口都设置为探棒1，并设置不同阻抗中值（坐标系）。例如1号窗口在100Ω坐标系下，2号窗口在10 kΩ坐标系下。在测试1个结点时，屏幕上同时出现2个窗口2条VI曲线，该结点在不同坐标系下的测试结果同时显示。采用双探棒对比测试时，可以将2个窗口都设置为双探棒。并设置不同阻抗中值（坐标系）。例如1号窗口在

100Ω坐标系下，2号窗口在10 kΩ坐标系下。在比较2个结点时，屏幕上同时出现2个窗口4条VI曲线，2个结点在不同坐标系下的比较结果同时显示。

将双窗口分别设置为100Ω坐标系和10 kΩ坐标系，覆盖结点阻抗故障区域相对合理，是在实践中总结出的最佳组合。但依然会存在VI曲线测试盲区。

3 正达首创5cVI曲线鹰爪5线测试法

面对结点全域阻抗故障难题，必须突破头脑中业已形成的固有思维。1个VI曲线窗口只处于1种坐标系下，只能显示1条VI曲线（单独测试）或2条VI曲线（对比测试）。这是VI曲线的普通显示形式，国内外电路测试仪都是如此。很难想象1个VI曲线窗口同时处于5种坐标系下，能够同时显示出5条VI曲线（单独测试）或10条VI曲线（对比测试）。

这一切被正达测试仪率先突破，这就是正达首创5cVI曲线鹰爪5线测试法。5cVI曲线的出现，为破解结点全域阻抗故障难题，进而彻底消除VI曲线测试盲区提供一种巧妙实用的中国方案。

3.1 锐利的鹰爪

在1个5cVI曲线窗口中，会同时出现5种不同色彩代表5种阻抗中值（坐标系）的VI曲线，这相当于将5种坐标系叠加成1个窗口。5种坐标系可以单选（即原先的探棒巡检功能）、自由组合叠加或5种全部叠加。测试形态像鹰爪，测试效果像鹰爪。

单独测试电路结点时，能够充分表现结点特征，不会隐藏淹没并联在电路结点上的任何器件。无论结点特征出现在哪个阻抗区域，5cVI曲线始终都能够保证必然有1条VI曲线（1种坐标系）处于最高灵敏度。

例如原先在最常用的1 kΩ坐标系下测试电路结点，只表现为1个100Ω电阻的VI曲线。使用人就会误以为电路结点上只存在1个电阻（图6左）。而采用5cVI曲线测试这个电路结点，可以看到该结点并不是1个单纯的100Ω电阻，并联了1个反向PN结（二极管）。这个反向PN结被100Ω坐标系发现。这就是1个典型的VI曲线y轴测试盲区。1 kΩ坐标系只能够发现100Ω电阻，而10 kΩ/100 kΩ/470 kΩ这3种坐标系表现出的都是垂直短路VI曲线，这3条线重合成1条线，连100Ω电阻也没有发现（图6右）。普通VI曲线1kΩ坐标系只看出电路结点存在1个100Ω电阻，出现y轴测试盲区（图6左）；5cVI曲线消除盲区，100Ω坐标系的绿色曲线发现结点上还并联1个反向PN结（图6右）。

图6 5cVI曲线单独测试电路结点消除测试盲区

1 kΩ坐标系一直是最常用的，如果对电路测试仪使用经验不足，过去电路结点上一旦出现上述情况必然无法发现，从而隐藏淹没并联在电路结点上的其他器件。现在问题陡然变得简单了，电路结点上的点滴信息，会被5cVI曲线这只锐利鹰爪轻易捕获。

3.2 5彩的鹰爪

对比测试电路结点时，在同1个5cVI曲线窗口中会出现10条VI曲线。能够无遗漏检测电路结点故障，不会漏掉结点上的任何变化。无论结点阻抗故障出现在哪个区域，5cVI曲线始终能够保证必然有1对（2条）VI曲线（1种坐标系）处于最高灵敏度。

例如原先在最常用的1 kΩ坐标系下对比测试2块电路板上相同结点，均表现为1个反向PN结（二极管）VI曲线。2块电路板结点VI曲线完全相同，相对误差仅为0.4%，使用人就会误以为电路结点上只存在1个反向PN结，看不出丝毫问题（图7左）。而采用5cVI曲线比较这2个电路结点，可以看到两板上这2个结点都不是1个单纯的反向PN结，各自都并联了1个电容。这就是1个典型的VI曲线x轴测试盲区。在470 kΩ坐标系下相对误差达到5.0%，说明2个电容值存在差异（图7右）。

普通VI曲线1 kΩ坐标系对比测试时只看出2个电路结点都是1个反向PN结，2条曲线完全重合，得出2个结点一致的结论。出现x轴测试盲区（图7左）；5cVI曲线消除盲区，多个坐标系都看到结点上还并联有电容。其中470 kΩ坐标系的实线和虚线不重合，相对误差最大，达到5%。说明电容值不同，2个结点存在差异（图7右）。

图7 5cVI曲线对比测试电路结点消除测试盲区

5cVI曲线对比测试过程中，配合系统声音提示，使用人可以不看屏幕只专注电路板结点对比，既能够减少疲劳，又能够极大提高测试效率。还可以单独显示最大误差1对（2条）VI曲线，也可以任选1种或几种阻抗中值（坐标系）对比测试。阻抗故障无遗漏。

1个窗口中的10条VI曲线如果采用10种色彩，对人的视觉会是个严重挑战。5cVI曲线巧妙地通过线条疏密关系，使得10条VI曲线依旧只有5种色彩。解决了这个看似不大但又着实被困扰了一段时间的问题。最大误差的1对VI曲线不等同于最能够说明问题。比如：最大误差1对VI曲线有时只是反映VI曲线正向特性变化大，而反映负向特性变化效果更好的，反而是误差相对小一些的VI曲线。有研究兴趣的使用者，应养成善于观察5cVI曲线这只5彩鹰爪的工作习惯。

3.3 巨大的鹰爪

从理论到实践都充分证明：由于在1个5cVI曲线窗口中同时叠加5种坐标系，最佳显示范围能够完整覆盖30Ω～1.5 MΩ全部区域，无遗漏、无死角。因此无须调整阻抗中值（坐标系），即可完全消除VI曲线两轴测试盲区这个根本问题。即使是对电路测试仪使用方法不熟悉的使用者或存在嫌麻烦图省事心理的使用者，也能够消除两轴测试盲区，轻松避开各种VI曲线测试盲点。

例如5cVI曲线对比测试时，如果2个结点10条VI曲线两两完全相同，则可以很放心地确定这2个结点阻抗特性一定完全相同（图8左）。反之，只要5cVI曲线对比测试时报错，则可以确定这2个结点阻抗特性一定存在差异。再回到前文曾提到的2个反向PN结（二极管）又并联1个15 kΩ电阻的所谓VI曲线零点电压测试盲点问题（x轴测试盲区）。对2个反向PN结的电路结点和2个反向PN结又并联1个15 kΩ电阻的电路结点进行5cVI曲线对比测试，在10 kΩ/100 kΩ/470 kΩ这3种坐标系下都能够发现问题。其中470 kΩ坐标系下VI曲线相对误差最大，达到13.3%故障被发现（图8右）。可见，任何盲点的具体问题在5cVI曲线鹰爪5线测试法面前都不再是问题。

由于不存在测试盲区，5cVI曲线能够无遗漏检测结点故障，无需怀疑测试结论的可靠性。只要5cVI曲线对比完全相同，2个结点阻抗特性必然完全相同（图8左）；只要5cVI曲线对比不完全相同，2个结点阻抗特性必然不同（图8右）。

同时要特别指出的是：VI曲线测试不是万能的测试手段，本身存在无法克服的局限性。这是因为器件功能故障并非一定出现管脚阻抗特性改变，对集成运放、AD/DA等器件来说尤为突出。另外，器件动态性能故障管脚阻抗特性不发生改变更是一种常态。因此应这样讲：除非故障器件管脚阻抗特性没有改变。否则只要出现管脚阻抗特性改变，这个故障器件难逃5cVI曲线这只巨大鹰爪。

4 双窗口5cVI曲线

双窗口5cVI曲线是正达测试仪VI曲线探棒巡检双窗口测试的延续。不同于原双窗口测试每个窗口只处于1种坐标系下，双窗口5cVI曲线能够同时叠加5种坐标系。这有2个好处。

4.1 2人同时独立进行5cVI曲线测试

例如从正达测试仪VI1端子引出1只测试探棒。从VI2端子引出另外1只测试探棒。分别打开集成界面和快捷键的5cVI曲线窗口。将集成界面设置为探棒1。将快捷键界面设置为探棒2。张工可以使用从VI1端子引出的探棒1测试A电路板，注视1号窗口中的5cVI曲线。李工可以使用从VI2端子引出的探棒2测试B电路板，注视2号窗口中的5cVI曲线。张工和李工正在同时使用同一台正达测试仪，各自独立进行5cVI曲线测试。这种操作不但适合于人员比较多的维修公司，还适合于师傅带徒弟。1台正达测试仪支持2个人同时各自使用，正达测试仪价值翻倍（图9）。电脑屏幕中，左边窗口为张工在测试A电路板上的某个电路结点。右边窗口为李工在测试B电路板上的某个电路结点。2人同时独立测试。

图8 5cVI曲线对比测试电路结点测试结论可靠性

图9 5cVI曲线2个人同时独立测试电路结点

4.2 将单窗口5cVI曲线拆分成双窗口

例如单独测试电路结点时，从正达测试仪VI1端子引出1只测试探棒。分别打开集成界面和快捷键的5cVI曲线窗口。将双窗口都设置为探棒1.可以在两个窗口中分别显示3条VI曲线（阻抗中值100Ω/10 kΩ/470 kΩ间隔选取）和2条VI曲线（阻抗中值1 kΩ/100 kΩ间隔选取）。将单窗口5cVI曲线拆分成双窗口之后，5cVI曲线视觉效果更佳。同理，对比测试电路结点时，从正达测试仪VI1和VI2端子各引出1只测试探棒。将双窗口都设置为双探棒。可以在2个窗口中分别显示6条VI曲线和4条VI曲线，阻抗中值也是间隔选取（图10）。对比5cVI曲线时，1个窗口中会出现5种色彩10条VI曲线。拆分成双窗口后，电脑屏幕中，左边窗口中出现3种色彩6条曲线，右边窗口中出现2种色彩4条曲线。视觉效果更佳。

5 创新是第一动力

北京正达时代电子技术有限公司在电路板维修和元器件筛选领域深耕20余年，主要团队成员在这一领域从业30余年。作为著名的检测仪器厂商和电路板维修中心，正达最了解业界的实际应用难题，不断着力推出针对性的解决方案。

图10 5cVI曲线将单窗口拆分成双窗口

虚心面对与国外同行先进测试技术的差距，但是任何差距都不能动摇正达坚持自主创新的决心。从正达测试仪早期推出的模拟器件型号识别、双极性电源高性能模拟开关器件功能测试、集成运放全面功能测试，再到对>40管脚数字器件功能测试、AD/DA器件功能测试、数字器件第三状态TST（Third State Test，第三状态测试）方案，光耦器件TST方案，模拟多路复用器TST方案等，全都是国内外首创，全都是实实在在解决电路维修实际难题的重要测试功能。首创5cVI曲线鹰爪5线测试法，再一次为破解电路维修技术难题提供一种中国方案，也是正达原创测试技术再一次展示力量。