電路的本性與性狀分析

1、電路特征儀強(qiáng)效通用的原由電路性狀分析張文張煜東(電路特征儀推廣站, 518000)摘要：電學(xué)參數(shù)應(yīng)分為電路參數(shù)與電信（電能與信號）參數(shù)兩類，質(zhì)量能量須分明。對電路本身的研究不足，測試手段欠缺，其學(xué)術(shù)地位被擠，應(yīng)當(dāng)提起重視！電子制造業(yè)的實(shí)質(zhì)就是電路制造。要想實(shí)施精確制造，推進(jìn)技術(shù)文明，加強(qiáng)電路性狀分析的研究，推進(jìn)電路儀器的創(chuàng)新，勢在必行！電路的本性，即原始屬性包括兩個(gè)方面：限量特性與滯變特性。滯變特性的研究，被忽略，有待深入。電路（系統(tǒng)）分析也應(yīng)是兩個(gè)方面：電路的能態(tài)分析與電路的性狀分析。電路特征儀是以電路性狀分析為理論依據(jù)的、“能所不能、不可替代”的電路儀器新門類。它有一系列產(chǎn)品與配套設(shè)施，等

2、待人們來開發(fā)；它的應(yīng)用，涉及電路裝置的整個(gè)領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：電路的限量性 電路的滯變性 電路性狀分析 信號特征 電路特征 導(dǎo)納特征儀前言我國是電子信息產(chǎn)業(yè)大國，中國制造響譽(yù)世界！電路裝置（電路板卡）品種之多、數(shù)量之大，令人贊嘆！然而，一些新動(dòng)向應(yīng)予以重視。首先，伴隨電子產(chǎn)品的涌入市場，電子垃圾也加速產(chǎn)生！除了正常損壞、新舊替換所產(chǎn)生的之外，也不乏制造過程的廢棄產(chǎn)物！一些本可避免的損失，或是技術(shù)手段缺失、經(jīng)營理念模糊等等人為因素造成的！其次，電路裝置的售后維修也因測試支持不足，仍處于原始狀態(tài)：只能拿著萬用表，以“師傅帶徒弟，經(jīng)驗(yàn)加拆換”的無奈方式進(jìn)行有利可圖的維修；對難以修復(fù)或無利可圖的，只好丟棄。

3、這或許由于沒有適用的測試工具！第三，原先技術(shù)手段完善的測試領(lǐng)域也出現(xiàn)了麻煩：隨著產(chǎn)品技術(shù)的飛速發(fā)展，電子器件的封裝，多數(shù)由直插變貼片，板卡上的器件密度也與日俱增，導(dǎo)致相當(dāng)一些測試插座與測試治具無法使用，原來舉足輕重的ICT部分失業(yè)，代之而來是形形色色、蜂擁而來的AOI！用光學(xué)儀器代替電學(xué)儀器，是無奈之舉吧！能替代得了嗎？這些現(xiàn)象，集中說明一個(gè)事實(shí)：電路測試有缺憾，電路儀器須創(chuàng)新！電路理論也應(yīng)發(fā)展。1、 電路儀器概況與電路特征儀簡介電路特征儀是用特征分析法，進(jìn)行電路測試與診斷的電路儀器。或問：何為電路儀器？電路儀器是能夠?qū)嵤┎患与娫诰€測試的電子儀器和設(shè)備。歐姆表（萬用表的電阻檔）和在線測試儀IC

4、T，就屬此列。電路特征儀問世之前，電路儀器也就只有這兩種。其中,萬用表價(jià)廉簡便，但效力太欠；ICT效力很強(qiáng)，但太貴太專。兩者都有較大的局限性。電路特征儀則是效力很強(qiáng)、便捷通用、“能所不能、不可替代”的一類電路儀器。它的原形出于1976年的美國，叫跟蹤器Tracker，用于復(fù)雜電路故障的診斷，由于價(jià)格昂貴，至今鮮為人知。目前，只有美、英、俄、中等國，不多的幾個(gè)公司制造這類產(chǎn)品。電路特征儀通過測取電路端點(diǎn)的I-V特征，對電路的性狀進(jìn)行對比分析。它的測試原理（如下圖）：用電壓和頻率都可調(diào)的正弦掃描電壓，通過一可調(diào)限流電阻，對被測端點(diǎn)產(chǎn)生激勵(lì)，引發(fā)端點(diǎn)上的響應(yīng)，即電流依電壓的變化而變化。對選定的電路端

5、點(diǎn)，激勵(lì)條件確定時(shí)，其響應(yīng)是唯一確定的；響應(yīng)如有變異，意味著電路性狀的變異，這必定是電路元件損傷或電路結(jié)構(gòu)變化（短路或斷線）所致。這種測試?yán)砟钆c方法，有助于技術(shù)人員分析電路的健康狀況，找出已經(jīng)損傷或即將損傷的器件與故障。電路特征儀將測試結(jié)果，以曲線圖形顯示（水平軸為電壓，垂直軸為電流）或?qū)?shù)據(jù)交計(jì)算機(jī)處理。下面是一些典型器件的特征曲線、電路端點(diǎn)測取的特征圖形與對比分析實(shí)例。四種基本元件的典型特征圖 三個(gè)不同電路端點(diǎn)上測取的特征圖形示例對一個(gè)測試輸入電路進(jìn)行好壞對比分析的實(shí)例電路特征儀簡稱特征儀，也可稱為導(dǎo)納特征儀。它的優(yōu)越性突出表現(xiàn)為：1、基本操作只需兩個(gè)探針，適用于所有的電路與封裝，測試對象

6、不加電,通用、簡便、安全；2、原理直擊電路本性，測試結(jié)果能對電路性狀作出一個(gè)清晰的、形象化的完整描述，結(jié)果可信、可移植性強(qiáng)；3、儀器實(shí)行三維（Vs、Fs、Rs）的寬量程掃描、好壞交替對比，能抓住其它儀器抓不住的電路問題，方便、有效；4、自動(dòng)/手動(dòng)隨意，便于配套，擴(kuò)展性強(qiáng)。目前主要用于復(fù)雜電路板卡的維修測試。經(jīng)過努力，可將它用于電子制造業(yè)，從器件測試、品質(zhì)管理、產(chǎn)品測試修理、直到售后服務(wù)的全過程。期盼各界關(guān)注、參與！特征儀的應(yīng)用技術(shù)，大有文章，理論探索也有名堂。在尋求特征分析理論依據(jù)的過程中，我們發(fā)現(xiàn)問題，在此共同探討。2、 電路性狀分析的由來理論源于實(shí)踐，用于實(shí)踐。在開發(fā)、推廣電路特征儀的實(shí)踐

7、中，我們試圖尋求相關(guān)的理論依據(jù)，以期指導(dǎo)產(chǎn)品開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)的研究。在探索中我們看到，一種較新的分析方法狀態(tài)空間法，與電路特征儀的實(shí)際原理很接近。它將兩維空間中，描述電路性狀的一條軌跡，稱為狀態(tài)軌道。它對電路性狀作出一個(gè)清晰的、形象化的完整描述。回觀特征儀上顯示的特征圖形，或許就是一種所謂的狀態(tài)軌道！這個(gè)過程也使我們學(xué)到一個(gè)新名詞：電路性狀。性狀在英文中是character，它也可譯成特征，也就是說，性狀和特征在這里是同意詞。電路性狀分析就是電路特征分析。市場上有家電醫(yī)院，學(xué)術(shù)界也應(yīng)有相應(yīng)的電路醫(yī)學(xué)，電路性狀分析其實(shí)就是一種電路醫(yī)學(xué)理論，它關(guān)注的是電路自身的健康狀況，并非電路的功能。按說，電路是

8、電流（flow）所經(jīng)過的路徑。電路分析理應(yīng)著重分析電路（本身）。事實(shí)上現(xiàn)有的電路分析論述，基本都是電流（flow）分析，是電能（勢能-電壓、動(dòng)能-電流）在電路中的狀態(tài)分布。電路自身得不到重視，難怪電路儀器嚴(yán)重缺失！具體分析一下，現(xiàn)有電路儀器（ICT和歐姆表）的測試機(jī)理，不難看到，在電路測試方面，理論指導(dǎo)的欠缺。就拿最厲害的ICT來說，它實(shí)際上是上述偏向功能性電路理論指導(dǎo)下的產(chǎn)物，每項(xiàng)測試都是就事論事，各項(xiàng)措施之間共性很差。難怪它們結(jié)構(gòu)龐雜，造價(jià)昂貴，編程復(fù)雜，現(xiàn)在又面臨失業(yè)的難堪。電路特征儀與電路性狀分析是實(shí)踐與理論之間的遙相呼應(yīng)，會相互促進(jìn)，不斷完善的。鑒于電路分析學(xué)科的現(xiàn)狀，為讓電路自身分

9、析有適當(dāng)?shù)膶W(xué)術(shù)地位，我認(rèn)為：電路分析應(yīng)是兩個(gè)方面：電路的能態(tài)分析與電路的性狀分析。希望學(xué)界重視電路（本身）的理論研究。不要小看它！3、 電路的本性:限量性與滯變性進(jìn)行電路性狀分析，首先要弄清電路本性。下面的圖表，示出我對電路本性的粗淺認(rèn)識:電路的本性，就是它對電流電壓的響應(yīng)。表現(xiàn)為兩方面：一是限量；二是滯變。電阻是限量性的根源，歐姆定律就是限量定律。電容、電感則是滯變性的根源，亦可同稱滯變元件。限量性，影響電流電壓的數(shù)量關(guān)系，是電量之間的數(shù)量關(guān)系。這方面的研究很充分。滯變性，影響電量變化的速率，是滯后時(shí)間與電量變化率的關(guān)系。因電壓的變化（du/dt）產(chǎn)生的滯后，時(shí)間常數(shù)為RC，滯后表達(dá)形式應(yīng)是

10、：T=T（du/dt）。因電流的變化（di/dt）產(chǎn)生的滯后，時(shí)間常數(shù)為L/R,滯后表達(dá)形式應(yīng)是：T=T（di/dt）。 至今，我沒看到，T=T（du/dt）與T=T（di/dt）兩者現(xiàn)成的具體關(guān)系式。如果真是沒有現(xiàn)成的結(jié)論，我認(rèn)為相關(guān)的研究應(yīng)深入下去。因?yàn)椋瑴冃缘恼_結(jié)論，在分析電路構(gòu)造對傳輸速率的影響時(shí)，很普適，很有用。目前，我們只能將問題提出，看能否起到拋磚引玉的作用？4、電路特征儀何以“能所不能、不可替代”用什么樣的理論，出什么樣的產(chǎn)品。流行設(shè)備運(yùn)用的功能測試法，源于經(jīng)典的電路分析方法輸入輸出法。這是一種“就事論事”的方法。電路特征儀采用的電路性狀分析則基于，能給電路的性狀作出一個(gè)清

11、晰、形象化的完整描述的狀態(tài)空間法。它也是分析包括非線性電路及時(shí)變電路在內(nèi)的各種電路，唯一的有效方法。電路特征儀的方法論，并非“就事論事”，而是“一概而論”。這就是關(guān)鍵所在！傳統(tǒng)的輸入輸出法造就功能測試型的儀器設(shè)備，ICT和歐姆表（數(shù)字萬用表）就屬此類。它們的測試法都是“就事論事”，所以在效能和通用兩方面顯出各自的欠缺。l 先說數(shù)字萬用表。它的電阻檔就事論事：測試用直流電壓，為安全計(jì)，多設(shè)在0.5V以下，個(gè)別高一些也未超過2V，因此，在較高電壓下發(fā)生的故障（軟擊穿、高壓漏電等）它抓不??；電容和電感它測不了。它倒是挺便利通用，因此市面出現(xiàn)許多用萬用表修XXXX的書，介紹以對地電阻經(jīng)驗(yàn)值，進(jìn)行故障診

12、斷的方法。這種作法有一定效果，但很有限，原因如前：直流激勵(lì)、電壓太低，許多問題它抓不住，電容電感測不了。電路特征儀則不然：安全便利程度同它相當(dāng)，但抓電路問題的效力卻是能所不能！因?yàn)?，電路特征儀采取系統(tǒng)、完整的三維（V、I、F）寬量程可調(diào)方式，好壞直接對比的方法，自然無與倫比！l 再說ICT。它也有局限，卻很厲害。上檔次、有規(guī)模的電子工廠幾乎少不了它。但它結(jié)構(gòu)龐雜、價(jià)格昂貴、編程麻煩，性價(jià)比和通用性都較低。這里的要害是：它用“就事論事”的功能型測試法，對不同器件用不同測法和程序，各有各的一套。因此，必須配備多組電源、各種信號源、各式測量表計(jì)、大型的繼電器或電子開關(guān)陣列與針床治具。它適合大批量大企

13、業(yè)，小批量小企業(yè)用不起。這恐怕與經(jīng)典的輸入輸出法有關(guān)吧？更要命的是，它必須采取“多針測法”，導(dǎo)致近來在相當(dāng)一些領(lǐng)域，淪落到失業(yè)的境地。代之而來的卻是光學(xué)設(shè)備AOI與為數(shù)不多的飛針測試儀，這兩者依然花銷不低效力有限。電路特征儀則全然不同。它與其它儀器不同之處，一是測試對象的分別；二是測試?yán)砟畹牟煌旱谝唬蜏y試對象而論，多數(shù)儀器用于信號測量或邏輯分析，并非用于電路的測試，不屬于電路儀器之列。只有能對未加電的電路，進(jìn)行在線測試的儀器才屬電路儀器。它的對象是看得見摸得著的質(zhì)量型物質(zhì)電路。相反，示波器、電壓表等常見儀器的對象是看不見摸不到的能量型物質(zhì)信號。能量質(zhì)量應(yīng)分清?！安豢商娲本褪侵鸽娐穬x器不是

14、其它電信儀器或邏輯儀器所能替代的。反之，也一樣。說它“不可替代”是在強(qiáng)調(diào)電路儀器的地位。第二，就測試?yán)砟疃?，同屬電路儀器也各不相同。就ICT而言，它是功能測試為主導(dǎo)的，它著眼于各部分電路的功能。功能測試必然是多針方式。對象功能各不相同，所需手段必然多種。電路特征儀則截然不同，它并不在乎功能，只關(guān)心電路各個(gè)節(jié)點(diǎn)的性狀。所有節(jié)點(diǎn)“一概而論”同樣的設(shè)備，一樣的測法。如此，結(jié)構(gòu)自然簡單，造價(jià)必然低廉。因此，即便缺乏圖紙資料，測試仍能設(shè)法進(jìn)行。這就是說，同屬電路儀器，它仍然“能所不能”。與歐姆表相比，它在功效上“能所不能”；與ICT相比，它在通用性和性價(jià)比上“能所不能”。幾年的實(shí)踐已經(jīng)給出證明，下面再

15、講講其中的道理。電路儀器的應(yīng)用領(lǐng)域，大體上分為兩類：一是部品檢驗(yàn)；二是產(chǎn)品維修。用人體健康比喻：部品檢驗(yàn)如常規(guī)體檢，產(chǎn)品維修似患病治療。前者是“一概而論、系統(tǒng)全面、防御性的”，后者是“就事論事、治好為止”。進(jìn)行部品檢驗(yàn)時(shí)，有圖紙資料，出現(xiàn)的問題多是短路、開路、錯(cuò)位、混裝等線路裝配問題，器件問題較少（器件事前檢驗(yàn)）；售后維修時(shí)的問題，多是器件損壞。器件損壞多數(shù)是“端口型故障”。售后維修往往因缺乏圖紙資料而更加困難。電路特征儀以其“三維寬程掃描，好壞性狀對比”的方式，即便沒有資料，也能成功查找故障節(jié)點(diǎn)，容易理解。但是要問：對包含復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的電路板，它何以替代ICT與飛針測試儀，對電路板組裝件作出判斷

16、？電路特征儀進(jìn)行復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)測試的有效性，是靠下述思路與方法來保證的：首先，復(fù)雜的電路網(wǎng)絡(luò)，從任意兩個(gè)端點(diǎn)看，都是有一定等效性的二端網(wǎng)絡(luò)。對于總共有N個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，一共可以得出N*（N-1）/2個(gè)不同等效的二端網(wǎng)絡(luò)。它們的端口性狀集合，就是這個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的總體健康狀況（能否稱其總體性狀？）。將健康電路所有節(jié)點(diǎn)的（性狀）特征圖，采集存檔，作為標(biāo)準(zhǔn)，以備后用。進(jìn)而，對上述N*（N-1）/2個(gè)二端網(wǎng)絡(luò)，先將有公共端的區(qū)分出來，它們形成N-1個(gè)端點(diǎn)與一個(gè)公共端的N-1個(gè)端口。這N-1個(gè)端點(diǎn)的性狀就是網(wǎng)絡(luò)整體的健康特征。實(shí)際測試時(shí)，先測取N-1個(gè)對地節(jié)點(diǎn)的特征圖，用帶有專家系統(tǒng)的電腦，與標(biāo)準(zhǔn)圖逐一比較，查出全

17、部有變異的節(jié)點(diǎn)；進(jìn)而，對它們進(jìn)行相關(guān)性分析，即可找出故障所在。必要時(shí)，才實(shí)行全部N*（N-1）/2個(gè)特征圖的測試分析。電路特征儀可配備三種不同檔次的輔助器具：手持筆、掃描器、飛臂機(jī)器人。三種配備的測試系統(tǒng)，都可在計(jì)算機(jī)輔助下進(jìn)行電路測試，都可在軟件上用足工夫，以提高效率。5、結(jié)語回味一下：以電路性狀分析為主導(dǎo)的電路特征儀，視電路僅為器件的組合，不管不顧其功能，只在乎性狀的好壞。無論何種電路、無論作何用途，測試分析同樣進(jìn)行。電路特征儀這種“一概而論”的測試法，不僅簡便有效，而且使儀器構(gòu)造大為簡化，制造成本隨之降低。電路特征儀這種“重性狀，輕功能”的理念，提供了“不加電測試、無圖紙?jiān)\斷” 的可能，測試的安全性與普適性也大為增強(qiáng)。綜上所述，電路特征儀的長處是：強(qiáng)效、通用、安全、方便、低廉。其中最突出的特色是