VI曲线测试盲区问题

2019-08-13杨宇明

设备管理与维修 2019年7期

杨宇明

（北京正达时代电子技术有限公司，北京 100083）

0 引言

实际电路维修中会有这样的场景，老李对一好一坏2块电路板进行VI曲线对比测试，每一个器件都逐一对比，但没有发现问题。出现这种情况的原因主要有2个：①器件存在故障，但管脚阻抗特性无变化，VI曲线测试没有作用；②器件存在故障，管脚阻抗特性有明显变化。但是，老李遇到的却是VI曲线测试盲区的问题。

VI曲线测试盲区是指VI曲线无法反映器件的特性或量值。比如，电路结点中有PN结，VI曲线反映的只是一个电容。明明是一个10 kΩ电阻，VI曲线反映的竟然是短路。VI曲线测试盲区问题比较突出，经常漏检电路信息和漏检器件故障。由于缺乏系统性研究，VI曲线测试盲区问题存在许多知识空白。下面结合理论分析和实践经验，系统总结VI曲线测试盲区问题的成因和形式。北京正达时代电子技术有限公司电路板维修中心经历过不少实测案例，5cVI曲线也带来思路启发，对于本研究有很大帮助。

1 VI曲线测试盲区问题的成因

1.1 VI曲线测试

在电路的2个结点之间施加1个一定幅度和频率的周期信号，在显示坐标上形成一条电流随电压变化的函数曲线，即VI曲线。VI曲线能反映器件管脚和电路结点相互之间的阻抗特性，适用于电路维修和器件检测。直接观察或两者对比VI曲线的过程称作VI曲线测试[1]。

图1中，上排从左至右分别为对电阻、正向PN结、电容进行VI曲线单独测试；下排从左至右分别为对正向PN结和电阻、电容和电阻、电容和正向PN结进行VI曲线对比测试。

1.2 VI曲线两轴测试盲区

VI曲线窗口x轴为电压，y轴为电流。当采用±4V·4mA窗口测试1 kΩ电阻时，VI曲线是一条±2 V区间的45°函数曲线。阻值越大，VI曲线越趋近x轴。阻值越小，VI曲线越趋近y轴（图 2）。

VI曲线测试灵敏度向两轴方向越来越低。比如：1 kΩ和2 kΩ（500 Ω）VI曲线差别明显，但是 10 kΩ 和大于 10 kΩ（更趋近 x轴）以及100 Ω和小于100 Ω（更趋近y轴）VI曲线差别不明显。当VI曲线重合于x轴或y轴，则无法进一步反映阻值变化。

VI曲线重合于坐标两轴，处于窗口边界，会形成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。显然更希望VI曲线出现在45°线区域，以便观察VI曲线形状或位置的细微变化。

图1 6个VI曲线测试窗口

1.3 VI曲线坐标系

图2 电阻VI曲线的变化规律

图3 10 kΩ坐标系中10 kΩ电阻VI曲线

在±4 V·4 mA 窗口中，45°线对应的是1 kΩ阻值。称作：VI曲线阻抗中值。±4 V·4 mA窗口特点是：4 V/4 mA=1 kΩ，因此简称1 kΩ坐标系。窗口45°线区域测试灵敏度最高。对于远离45°线区域的VI曲线，应另选适合的坐标系，使VI曲线尽量趋近45°线区域。这很像指针式万用表电阻挡量程的设置。

例如：10 kΩ电阻在 1 kΩ坐标系中是一条接近水平的VI曲线，不易分辨。换成10 kΩ坐标系，10 kΩ电阻出现在45°线区域（图3）。

±4 V·400 μA 窗口特点是 4 V/400 μA=10 kΩ，因此简称10 kΩ坐标系。VI曲线窗口电压和窗口电流的比值是VI曲线坐标系。例如，±8 V·8 mA 窗口是 1 kΩ 坐标系，±2 V·20 μA窗口是100 kΩ坐标系。

1.4 调整VI曲线坐标系

正达电路测试仪有5种坐标系，分别为100 Ω，1 kΩ，10 kΩ，100 kΩ，470 kΩ。为了使VI曲线处于最佳显示范围，调整坐标系的基本原则是：①VI曲线过于趋近x轴，应调高坐标系；②VI曲线过于趋近y轴，应调低坐标系。

调整坐标系其实就是在调整VI曲线测试信号源的内阻R（图4a）。被测器件与内阻R串联。一旦选择好内阻R后，内阻R不再改变，所以VI曲线电压和电流的变化仅由被测器件阻抗所决定。

根据串联电路分压特点不难理解：一旦选择1 kΩ坐标系后，例如±4 V·4 mA窗口，为什么测试1 kΩ电阻会形成一条±2 V·2 mA 区间 45°VI曲线（图 4b）。

电阻VI曲线变化范围是第1象限和第3象限以及坐标两轴，线端处于正电压/正电流最大值连线和负电压/负电流最大值连线。阻值越大，VI曲线越趋近x轴；阻值越小，VI曲线越趋近y轴。

图4 VI曲线测试原理

调整坐标系还有一个形象记忆法：VI曲线处于x轴可看成电压源，电压源特点是内阻小。要改变VI曲线趋势应调高坐标系。VI曲线处于y轴可看成电流源，电流源特点是内阻大。要改变VI曲线趋势应调低坐标系。VI曲线处于45°线可看成内阻与负载匹配的信号源，负载信号功率最大，VI曲线测试灵敏度也最高。

1.5 VI曲线最佳显示范围

VI曲线最佳显示范围是指测试灵敏度最高的区域，处于坐标系的0.3～3倍区域。以测试电阻为例。坐标系为100 Ω，1 kΩ，10 kΩ，100 kΩ，470 kΩ 时，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。通过调整坐标系，正达电路测试仪VI曲线最佳显示范围能够完整覆盖30 Ω～1.5 MΩ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一定的辨识度，但测试灵敏度向两轴方向逐渐降低，直至出现VI曲线两轴测试盲区。

以上关键词是“调整坐标系”，首先是“要调整”，其次是“会调整”。否则，不仅VI曲线无法处于最佳显示范围，还会出现VI曲线测试盲区。

1.6 造成VI曲线测试盲区的根本原因

VI曲线测试有5种坐标系，每一种坐标系只能覆盖部分区域的阻抗故障，无法用一个坐标系覆盖全部区域的阻抗故障。从总体而言，势必会形成测试盲区。这就是实际电路维修中的结点全域阻抗故障难题。

VI曲线两轴测试盲区只是现象，成因在于5种坐标系。另外，测试频率/扫描电压/扫描波形/扫描点数等因素也会影响某些类型器件的VI曲线测试灵敏度，但远无法和坐标系原因相比。

2 VI曲线测试盲区问题的形式

本文对电阻、电容、PN结（二极管）这3种常用器件VI曲线测试盲区进行归纳分析。VI曲线测试方式为：3种器件单独测试和3种器件两两并联测试，归纳为30种盲区形式。

需要重要说明的是：

（1）电路板上器件绝不止有这3种，电路结点并联关系也绝不只是两两并联。实际VI曲线测试盲区问题更复杂。分析这30种盲区形式，是为了明确思路、掌握方法。

（2）盲区形式必须明确是x轴测试盲区还是y轴测试盲区，这是消除盲区的方法依据。消除x轴测试盲区应调高坐标系，消除y轴测试盲区应调低坐标系。

（3）电路结点并联特点：并联后阻值比任何一个支路阻值都小。所以并联关系中阻值最小器件的VI曲线形状对结点VI曲线形状影响最大。这是分析并联结点VI曲线形状的基础。

2.1 VI曲线测试盲区[01]和[02]——电阻两轴测试盲区

【盲区01】：电阻x轴测试盲区。特点：水平开路形式VI曲线（图5b）。

【盲区02】：电阻y轴测试盲区。特点：垂直短路形式VI曲线（图 5f）。

问题[01]：测试200 kΩ电阻采用哪种坐标系？

应采用100 kΩ或470 kΩ坐标系。100 kΩ坐标系效果稍好一些。实践经验表明，电阻视觉可分辨极限大致为坐标系0.03～30倍，最佳显示范围处于坐标系0.3～3.0倍。例如：1 kΩ坐标系对电阻的视觉可分辨极限是30 Ω～30 kΩ之间，最佳显示范围是300 Ω～3 kΩ。

图5 5坐标系中电阻VI曲线

2.2 VI曲线测试盲区[03]和[04]——电容两轴测试盲区

【盲区03】：电容x轴测试盲区。特点：水平开路形式VI曲线（图 6b）。

【盲区04】：电容y轴测试盲区。特点：垂直短路形式VI曲线（图 6f）。

图6 5坐标系中电容VI曲线

问题[02]：为什么图6中没有标注容值？

电容VI曲线除受坐标系影响外，同测试频率因素密切相关。测试频率设置不同，电容VI曲线形状也不同。但是电容VI曲线形状在5坐标系中的变化趋势是确定的。坐标系由低到高，电容VI曲线由越趋近（或重合）x轴到越趋近（或重合）y轴变化。具体为：重合于x轴→环绕x轴椭圆形VI曲线→收缩为正圆形VI曲线→环绕y轴椭圆形VI曲线→重合于y轴。

问题[03]：为什么电容会形成闭合环形VI曲线？

电容特性：电流相位超前电压相位90°。因此对电容施加具有对称性的正弦波和三角波扫描波形时，会形成垂直于两轴的椭圆形或正圆形的闭合环形VI曲线稳态波形。

问题[04]：在同一个坐标系中，不同容值VI曲线如何变化？

Xc＝1／（2πfC），容抗和容值成反比。即：在同一个坐标系中，容值越小，VI曲线越趋近x轴；容值越大，VI曲线越趋近y轴。容值由小到大具体为：重合于x轴→环绕x轴椭圆形VI曲线→收缩为正圆形VI曲线→环绕y轴椭圆形VI曲线→重合于y轴。

2.3 PN结VI曲线

以正向PN结/反向PN结/双向PN结3个器件在5坐标系中VI曲线变化情况为例（图7～图9）。双向PN结虽然是并联结点，但由于是同种类型器件，所以看成一个器件。

问题[05]：为什么随着坐标系的增加，PN结VI曲线导通部分越趋近y轴？

PN结特性：PN结导通电流越大，导通压降越高。导通电流越小，导通压降越低。之间的浮动压差约为0.2 V。随着坐标系增加，PN结导通电流减小，所以导通压降也会减小。

问题[06]：PN结VI曲线盲区问题是不是最简单？

单独测试PN结VI曲线没有盲区，这点比电阻和电容简单。但是数字器件以及许多模拟器件管脚对地VI曲线几乎都是反向PN结和双向PN结形式VI曲线，这2种形式VI曲线遍布在电路板上。PN结VI曲线特点是：同一条VI曲线上既有导通特性，又有近似于断路的截止特性。因此PN结并联结点的盲区问题更加复杂。

图7 5坐标系中正向PN结VI曲线

图8 5坐标系中反向PN结VI曲线

图9 5坐标系中双向PN结VI曲线

2.4 VI曲线测试盲区[05]～[10]——电阻/电容并联结点两轴测试盲区

【盲区05】：电阻/电容并联结点x轴测试盲区①（两者处于x轴测试盲区）。特点：水平开路形式VI曲线（图10b）。

【盲区06】：电阻/电容并联结点x轴测试盲区②（电阻处于x轴测试盲区）。特点：电容形式VI曲线（图10c）。

【盲区07】：电阻/电容并联结点x轴测试盲区③（电容处于x轴测试盲区）。特点：电阻形式VI曲线（图10d）。

【盲区08】：电阻/电容并联结点y轴测试盲区①（两者处于y轴测试盲区）。特点：垂直短路形式VI曲线（图10e）。

【盲区09】：电阻/电容并联结点y轴测试盲区②（电阻处于y轴测试盲区）。特点：垂直短路形式VI曲线（图10e）。

【盲区10】：电阻/电容并联结点y轴测试盲区③（电容处于y轴测试盲区）。特点：垂直短路形式VI曲线（图10e）。

图10 电阻/电容并联结点两轴测试盲区

问题[07]：盲区[08]～[10]这3种情况VI曲线形状一样？

结点VI曲线形状由处于y轴测试盲区器件VI曲线形状决定。简单地说就是，不管是全都短路，还是只有一个器件短路，结果都是短路。后面还有这种盲区形式，不再赘述。

问题[08]：电容VI曲线为什么倾斜？

倾斜是电阻/电容并联结点（或单独故障电容）VI曲线典型形状（图10f）。由于是10 kΩ坐标系，根据电容VI曲线倾角，阻值约为5 kΩ。

2.5 VI曲线测试盲区[11]～[16]——电阻/PN结并联结点y轴测试盲区

【盲区11】：电阻/正向PN结并联结点y轴测试盲区①（电阻处于y轴测试盲区）。特点：垂直短路形式VI曲线。

【盲区12】：反向PN结。

【盲区13】：双向PN结。

【盲区14】：电阻/正向PN结并联结点y轴测试盲区②（电阻接近于y轴测试盲区）。特点：接近y轴电阻形式VI曲线（图11）。消除方法：调低坐标系（图12）。

【盲区15】：反向PN结。

【盲区16】：双向PN结。

问题[09]：盲区[14]～[16]这3种情况特殊在哪里？

盲区[14]～[16]这3种情况是较为复杂的盲区形式。电阻不处于y轴测试盲区，PN结本身没有测试盲区。但是两者并联后形成PN结y轴测试盲区。这是由于PN结导通特性重合于电阻VI曲线，PN结截止特性由于电路并联关系被电阻VI曲线“吃掉”。调低坐标系后，电阻趋于坐标45°线区域，电阻和PN结并联特性的VI曲线充分显现出来。后面的电容/PN结并联结点y轴测试盲区也有类似情况，电容不处于y轴测试盲区，接近于y轴，并联后形成PN结y轴测试盲区。

图11 电阻/PN结并联结点y轴测试盲区②

图12 消除电阻/PN结并联结点y轴测试盲区①和②

2.6 VI曲线测试盲区[17]～[22]——电容/PN结并联结点y轴测试盲区

【盲区17】：电容/正向PN结并联结点y轴测试盲区①（电容处于y轴测试盲区）。特点：垂直短路形式VI曲线。

【盲区18】：反向PN结。

【盲区19】：双向PN结。

【盲区20】：电容/正向PN结并联结点y轴测试盲区②（电容接近于y轴测试盲区）。特点：接近y轴电容形式VI曲线（图13）。消除方法：调低坐标系（图14）。

【盲区21】：反向PN结。

【盲区22】：双向PN结。

2.7 VI曲线测试盲区[23]～[26]——电阻/PN结并联结点x轴测试盲区

【盲区23】：电阻/正向PN结并联结点x轴测试盲区（电阻处于x轴测试盲区）。特点：正向PN结形式VI曲线（图15）。消除方法：调高坐标系（图16）。

【盲区24】：反向PN结。

【盲区25】：双向PN结。

图13 电容/PN结并联结点y轴测试盲区②

图14 消除电容/PN结并联结点y轴测试盲区①和②

图15 电阻/PN结并联结点x轴测试盲区

问题[10]：盲区[23]～[25]这3种情况的难点是什么？

盲区[23]～[25]这3种情况是较为烦人的盲区形式。由于电阻处于x轴测试盲区，又并联PN结，就只能够看到PN结特性的VI曲线。因为电阻VI曲线和PN结截止特性VI曲线重合在一起，另一部分电阻VI曲线被PN结导通特性“吃掉”。解决难点在于：电路板上到处都是PN结形式VI曲线，无法预知哪里并联了电阻。调高坐标系后，电阻和PN结并联特性的VI曲线充分显现出来。如果继续调高坐标系，图16会变为图11。此时：x轴测试盲区转化为y轴测试盲区。反之亦然。后面的电容/PN结并联结点x轴测试盲区也是类似情况。

图16 消除电阻/PN结并联结点x轴测试盲区

【盲区26】：电阻/双向PN结并联结点x轴测试盲区特例（电阻接近于x轴测试盲区）。特点：双向PN结形式VI曲线。消除方法：调高坐标系（图16）。

盲区[26]是盲区[25]的特例。电阻不处于x轴测试盲区，但接近于x轴测试盲区。由于双向PN结形式VI曲线正向和负向导通拐点之间截止区段的线段很短，难以发现存在电阻。后面的电容/PN结并联结点x轴测试盲区也有类似情况，电容接近于x轴测试盲区，并联后形成电容/双向PN结并联结点x轴测试盲区特例。

2.8 VI曲线测试盲区[27]～[30]——电容/PN结并联结点x轴测试盲区

【盲区27】：电容/正向PN结并联结点x轴测试盲区（电容处于x轴测试盲区）。特点：正向PN结形式VI曲线（图15）。消除方法：调高坐标系（图17）。

【盲区28】：反向PN结。

【盲区29】：双向PN结。

【盲区30】：电容/双向PN结并联结点x轴测试盲区特例（电容接近于x轴测试盲区）。特点：双向PN结形式VI曲线。盲区[30]是盲区[29]的特例。消除方法：调高坐标系（图17）。

2.9 x轴测试盲区和y轴测试盲区能够相互转化

从10 kΩ电阻在5坐标系中的变化规律可以看出，在100 Ω坐标系中，10 kΩ电阻处于x轴盲区；在10 kΩ坐标系中，10 kΩ电阻处于VI曲线最佳显示范围。进一步调高坐标系，在470 kΩ坐标系中，10 kΩ电阻转化为y轴盲区。反之亦然。阻容器件和PN结并联结点也有这种特性，因此在某些区间，x轴测试盲区和y轴测试盲区能够相互转化。

2.10 阻容/PN结实际盲区情况远多于30种盲区形式

比如：【盲区14】的表现形式，100 Ω电阻在1 kΩ坐标系、1 kΩ电阻在10 kΩ坐标系、10 kΩ电阻在100 kΩ坐标系，都是接近y轴电阻形式VI曲线。也就是说，出现这3种情况时（同属于1种盲区形式），看到的都是电阻VI曲线。结点上并联正向PN结（二极管），PN结断路或丢失，VI曲线均测不出。再如：【盲区25】的形式，如果并联的是200 kΩ电阻，200 kΩ电阻在100 Ω坐标系和1 kΩ坐标系都处于x轴测试盲区。在10 kΩ坐标系识别微弱，是盲区[25]的特例。采用这3种坐标系（同属于1种类型）看到的都只是双向PN结VI曲线，会漏掉200 kΩ电阻。

图17 消除电容/PN结并联结点x轴测试盲区

3 解决VI曲线测试盲区问题的思路和方案

消除VI曲线测试盲区问题的核心是调整坐标系。只有正确调整VI曲线坐标系，方可避免VI曲线测试盲区。可是在实际维修过程中，测试者有时不会调整。而且调整VI曲线坐标系极大降低了VI曲线测试效率，测试者也疏于调整。因而造成VI曲线测试盲区问题。

3.1 5cVI曲线鹰爪5线测试法

2018年6月，正达首创5cVI曲线鹰爪5线测试法（简称5cVI曲线），是破解VI曲线测试盲区问题的创新技术。在5cVI曲线窗口中，同时出现5种不同色彩的VI曲线。每1种色彩VI曲线代表1种坐标系，相当于5种坐标系叠加成一个窗口。其创新之处在于，无须调整坐标系。

单独测试时，测试窗口中出现5条VI曲线（5种色彩），既能够充分表现电路结点特征，也不会隐藏淹没并联器件。无论电路结点特征出现在哪个阻抗区域，必然有1条VI曲线（1种坐标系）处于最高灵敏度，不会漏检电路信息。

对比测试时，测试窗口中出现10条VI曲线（依旧是5种色彩，5条实线和5条虚线）。无论电路结点阻抗故障出现在哪个阻抗区域，必然有1对VI曲线（1条实线和1条虚线，1种坐标系）处于最高灵敏度，不会漏检器件故障。

3.2 VI曲线测试盲区问题实例分析

VI曲线测试盲区问题存在许多知识空白，也出现过一些错误认识。对错误认识加以分析，有助于加深对VI曲线测试盲区问题的理解。

曾有观点认为，2个反向PN结（即文中的双向PN结）并联1个15 kΩ电阻时，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。即这个电阻只能在0电压点附近（2个拐点之间，PN结电阻远大于15 kΩ）呈现出来，基本上不影响曲线形状。仔细观察，可发现零点附近曲线略有不同。但是由于这段曲线所占比例很小，可用于显示的点数更是有限，2条曲线整体形状相差不多，即故障被掩盖。因此称之为VI曲线零点电压测试盲点问题。同时认为，VI曲线测试无法发现15 kΩ电阻，必须改用专门的测试方法。

这就是上文中【盲区26】的测试实例。

（1）错误1：VI曲线测试无法发现15 kΩ电阻。

15 kΩ电阻在100 Ω坐标系中看不出，在1 kΩ坐标系中接近x轴，因此只有这2种情况会出现x轴测试盲区。不会调整或疏于调整坐标系，容易犯这种错误。

（2）错误2：电阻是否存在基本上不影响曲线的形状。

在10 kΩ坐标系中可以同时看出双向PN结和15 kΩ电阻。再调高坐标系，100 kΩ/470 kΩ这2种坐标系则是只能看出15 kΩ电阻，反而看不出双向PN结。x轴测试盲区转化为y轴测试盲区，电阻的存在彻底改变了曲线形状。不知道x轴/y轴盲区能够相互转化，容易犯这种错误。

（3）错误3：VI曲线“零点电压测试盲点问题”这个命名是正确的。

从曲线形状上来看，前面介绍的盲区[11]～[22]——电阻/电容和PN结并联结点y轴测试盲区全都出现在0电压点附近，也都堪称零点电压测试盲点问题。问题在于，y轴测试盲区和x轴测试盲区性质不同，解决问题方式也不同。15 kΩ电阻并联双向PN结（看不到15 kΩ电阻时）是x轴测试盲区，消除盲区方法是调高坐标系。同样方法如果用在盲区[11]～[22]，会适得其反，造成更大的盲区。不立足于两轴测试盲区，很容易犯这种错误。

针对【盲区26】实例，有一种方法。在另外一个小窗口中提取0.2V区间小信号VI曲线，通过调高坐标系，显现双向PN结2个拐点之间线段的电阻。但是这个方法只是对一部分x轴测试盲区有效，对y轴测试盲区无效。因为小窗口调低坐标系，0.2V区间无法反映PN结特性。

5cVI曲线实测：采用5cVI曲线测试这个盲区问题，VI曲线层次分明。100 Ω（绿线）和1kΩ（白线）坐标系，只能看到双向PN结；10 kΩ（黄线）坐标系，消除x轴测试盲区，双向PN结截止区段VI曲线趋近坐标45°线，15 kΩ电阻显现；100 kΩ（粉线）和470 kΩ（蓝线）坐标系，x轴测试盲区转化成为y轴测试盲区。此时只能看到15 kΩ电阻形式的VI曲线，反而看不到双向PN结（图18）。

可见，分析VI曲线测试盲区问题必须立足于两轴测试盲区，从坐标系这个视角看问题。否则，处理问题会顾此失彼。