※正达故障电路板检测设备：模拟开关器件功能测试的当下与将来

【正达故障电路板检测设备系列论文】

 

 

模拟开关器件功能测试的当下与将来

 

 

摘要：（【正达故障电路板检测设备系列论文】）对于早期CD4051和CD4066等这样的传统模拟开关器件，一般电路测试仪都能够功能测试，并且可以型号识别。但是许多高性能模拟开关器件，必须使用较高电平的双极性电源。例如：±12V或±15V电源。与这些电压接口时，有时还需要额外的一个电源引脚，通常称为逻辑电源电压。该引脚(VL)连接至系统逻辑电压。对高性能模拟开关器件功能测试比较困难，因为不但要通过高压的模拟器件功能测试通道进行测试，还必须同时施加三组测试电源。第二代ZD9002测试仪率先解决了这个难题。

 

关键词：模拟开关；三组测试电源

 

0.前言

    旅游部门评定酒店。A城市评定方法：只对酒店做外观观察。若某酒店门窗破损外墙皮脱落，一定不是好酒店。若某酒店门窗完好外墙干净，应该是好酒店。通过改进观察技术，发现某酒店一块玻璃上存在一小块灰尘，或许不是好酒店。B城市评定方法：除了外观观察之外，一定要进入酒店内部。检查酒店的软硬件设施和服务运转情况。

    A城市的评定方法简单便捷。有合理性，也有盲目性。就如同使用电路测试仪对器件进行VI曲线测试。B城市的评定方法科学准确，结论可靠。就如同使用电路测试仪对器件进行功能测试。

    本文为：器件功能测试之——对高性能模拟开关器件在线功能测试。

 

1.关于模拟开关器件功能测试

 

1.1什么是模拟开关器件

    模拟开关器件（Analog switches）用于完成信号切换功能，实现对信号链路接通和关断。由于其功能类似于开关，而且是用模拟器件的特性实现，所以称之为模拟开关。

    模拟开关器件是一种三稳态电路，可以根据选通端的电平，决定输入端与输出端的状态。当选通端处在选通状态时，输出端的状态取决于输入端的状态；当选通端处于截止状态时，不管输入端信号如何变化，输出端都呈现高阻状态。由于模拟开关器件具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和寿命长等优点，因而在自动控制系统中得到广泛应用。

 

1.2模拟开关器件几个功能术语

    组：模拟开关中控制极的个数。极：一组中相同开关特性的开关个数，亦称为“刀”。掷：一组中开关特性的个数，如常开、常闭等。

 

1.3传统模拟开关器件功能测试

    早期CD4051和CD4066等属于传统模拟开关器件。主要用于实现传输数字信号和模拟信号。特别是CD4051,CD4052,CD4053等器件，内部有译码电路，数字器件的属性更加明显。早期传统模拟开关器件全部都归结在《数字器件手册》中，电路测试仪也将传统模拟开关都归结为数字器件，归属于数字器件CMOS4000系列器件库。施加+5V测试电源，通过数字测试通道进行功能测试。

    第一代ZD4040测试仪数字器件库中就包含早期CD4051,CD4052,CD4053和CD4066等传统模拟开关器件，并且可以实现对这些器件型号识别。但是并没有因此宣称：第一代ZD4040测试仪可以对模拟器件功能测试。

 

1.4高性能模拟开关器件的测试难点

    不同于早期传统模拟开关器件。当前在许多自动控制系统中大量应用的高性能模拟开关器件，必须使用较高电平的双极性电源。例如：±12V或±15V电源。与这些电压接口时，有时还需要额外的一个电源引脚，通常称为逻辑电源电压。该引脚(VL)连接至系统逻辑电压。这就意味着，对这些高性能模拟开关器件进行功能测试比较困难。因为不但要通过高压模拟器件功能测试通道进行测试，电路测试仪还必须能够对被测模拟开关器件同时施加+12V,-12V,+5V三组测试电源。

    第二代ZD9002测试仪率先解决了这个难题。器件库中包含数百种这种类型的模拟开关器件。例如AD7510等。本文所介绍的，正是对这种高性能模拟开关器件的在线功能测试。

 

1.5器件库中高性能模拟开关器件种类

    如果器件库中仅仅只有AD7510等几个简单模拟开关器件，显然不能称之为可以对模拟开关器件这一类的器件功能测试。正达测试仪模拟开关器件库中包含数百种，许多器件比较复杂。例如：

    AD7510,AD7511,AH0126,AH0129,DG211,DG445,HI-200,HI-5046,HI387,HI390,IH5052,IH5352,LF11201,LF13333,LMC13204,LMC13335,MAX301,MAX393,NJU201,NJU7301,SW201,SW7511,TL182,TL604,UPD5200等数百种。并可以根据用户实际应用情况扩充模拟开关器件库。

 

2.模拟开关器件在线/离线功能测试

    以在线测试DG211功能为例。

    DG211为4组单刀单掷（SPST）模拟开关器件。正电源（接+12V）为第13管脚，负电源（接-12V）为第4管脚，VL管脚（接+5V）为第12管脚。接地脚为第5管脚。当其控制端为0时（≤0.8V），开关接通。当控制端为1时（≥2.4V），开关关断。见图1.

 

图1

 

 

    ①将两条40芯扁平测试电缆插入测试仪1号电缆插座中，另一端插入相应的测试夹。应将测试夹同电缆最左边对齐，并使被测器件同测试夹两者1脚对齐。见图2.

 

图2

 

    ②在“选择测试器件”处输入或选择器件型号DG211.在“器件提示信息”中提示：供电管脚：13脚接+12V，4脚接-12V，5脚接地，12脚接+5V.找到电路板电源接线柱或同被测DG211电源管脚、地脚相连的器件管脚，用电源钩将测试仪相应的测试电源施加到被测电路板上。见图3.

 

图3

 

    ③按“开始测试”键。测试结果见图4.

 

图4

 

    ④测试结果除显示被测模拟开关器件在线连接状态和是否通过在线功能测试外，还分别显示出各个单元的测试状态。

    [Don+]：模拟开关器件接通状态下输入端施加正信号时输出端的实测结果；

    [Don-]：模拟开关器件接通状态下输入端施加负信号时输出端的实测结果；

    [Doff+]：模拟开关器件关断状态下输入端施加正信号时输出端的实测结果；

    [Doff-]：模拟开关器件关断状态下输入端施加负信号时输出端的实测结果。

    [固定输出]：多见于模拟开关器件输入端固定接低或接高。例如：当被测模拟开关器件一组单元中的输入端固定接地，其输出端亦为固定输出。

    ⑤对DG211离线功能测试，需要采用离线测试板放置器件并施加测试电源。测试过程和测试内容等同在线功能测试基本相同。

 

3.模拟开关器件测试安全性问题

    由于正达测试仪采用5组测试电源光控独立瞬态输出技术，可以同时施加5组不同测试电源，因此对DG211施加+12V,-12V和+5V三组测试电源很容易实现。

    但是，施加的测试电源种类越多，用户因疏忽或者使用不熟练，越容易发生操作错误。这就涉及到一个测试安全性问题。

 

3.1离线功能测试安全性

    离线测试时，需要使用离线测试板上拨码开关或插针跳线手动施加器件所需的各种测试电源。如果设置错误，可能会产生以下的错误连接：

    1.+12V对地短路

    2.-12V对地短路

    3.+5V对地短路

    4.-5V对地短路

    5.+3.3V对地短路

    6.各种正电源与地反接

    7.各种负电源与地反接

    8.各种正电源和负电源相互短路

    9.器件正电源管脚和负电源管脚都接向了正电源

    10.器件正电源管脚和负电源管脚都接向了负电源

...

 

3.2在线功能测试安全性

    在线测试时，如果从被测板的电源入口处（各种电源接线柱或插针）施加测试电源，一般不会产生以上错误。所以从电路板的入口处施加测试电源，既简单，也安全。但是如果在线随意连接各种测试电源，由于连线较多（如：模拟开关器件DG211等，需要连接+12V,-12V,+5V,GND四条电源线）也可能会产生以上错误连接。

 

3.3测试保护功能和安全性提示

    正达测试仪主机具备双重的过流、过压电源自动保护机制，出现以上错误连接不会造成测试仪主机和离线测试板损坏，但是有可能损坏被测器件。

    针对上述问题，正达测试软件提供安全性提示。在施加测试电源之前，自动对以上可能存在的错误连接进行安全性识别。如果发现错误预先给出提示，并显示当前错误连接关系的具体信息。例如：软件提示“-12V,+5V短路”。从而保障了测试的安全性。

    实验表明：以上十多种错误连接都能被准确识别，预先给出安全性提示。对正达测试仪主机、离线测试板和被测器件等可以起到有效保护作用。

    但是电源施加还有一种错误连接形式，即：正电源与负电源相互反接。目前正达测试仪对此种错误连接的安全性识别尚有困难，在测试之前，无法预先给出提示。一旦发生这种操作错误，对正达测试仪主机和离线测试板不会产生任何影响，但有可能造成被测器件损坏。所以用户必须要严格避免发生这种操作错误。

 

4.模拟开关器件在线状态学习/在线状态比较

 

4.1在线状态学习

    该项操作的作用是：首先学习好电路板上模拟开关器件的在线状态信息，建立维修库。用以同故障电路板上相同位置的器件进行功能状态对比测试。

    以在线学习DG211功能状态为例。

    在“工作模式”处选择“在线状态学习”。在“电路板文件”处建立一个新“维修库”。在“器件位置编号”处设定器件位置。在“选择测试器件”处选择DG211器件型号。在“器件工作电源”处选择测试电源。学习时需要对DG211施加+12V,-12V和+5V三组测试电源。见图5.

 

图5

 

4.2在线状态比较

    该项操作的作用是：将故障电路板上模拟开关器件的在线状态同建立的维修库进行比较，同时能够通过“查阅所学”查看已学习器件的存储记录。

    以在线比较DG211功能状态为例。

    在“工作模式”处选择“在线状态比较”。在“电路板文件”处选择相应的“维修库”。在“选择测试器件”处选择待比较的器件。在“指定允许误差”处可调整误差允许值。比较时需要对DG211施加+12V,-12V和+5V三组测试电源。按“查阅所学”项，也可以查看各个“维修库”中已学习器件的存储记录。见图6.

 

图6

 

    比较结果中，一方面是比较被测模拟开关器件在线管脚状态，另一方面是比较被测器件与已学器件的实际输出。只要被测模拟开关器件与已学器件的管脚状态相同，实际输出与已学输出在允许误差范围内，即可证明被测器件与好电路板上的模拟开关器件功能状态相同。见图7.

 

图7

 

5.不久的将来

    实践证明：通过大幅度提高器件功能测试的测试频率，以测试频率作为一个严格的检测条件，可以检测筛选器件的动态参数性能。不但适用于数字器件，同样适用于模拟器件。在正达测试仪模拟多路器功能测试中已经得到了充分验证。请详见论文《[前沿]2000kHz测试频率在元器件检测筛选中的应用》一文。

    对于模拟开关器件功能测试，在不久的将来，也要引入2000kHz测试频率这种检测条件。不但测试模拟开关器件的功能，还要测试模拟开关器件的综合性能。会对当下较难发现的器件动态参数性能问题提供一种有效的解决路径。