电子电路的故障诊断基本技术

2014-11-15葛东林

电子测试 2014年20期

杨旭,郑冰 ,葛东林

（1.河南工业职业技术学院,河南南阳,473000;2.河南中光学集团有限公司,473000）

电子电路是有特定功能的电子元器件组合而成，其中每个元器件都有自己特定的作用。如果某个元件损坏，电路的功能必将发生变化。我们将电路系统丧失规定功能的现象称为电路故障。电路功能的变化必然伴随电路参数的变化，根据电路参数变化来辨别电路故障的过程，就是电子电路故障的诊断过程。而故障诊断的过程，就是从故障现象出发，通过反复测试，作出分析判断，逐步找出故障的过程。

电子电路故障诊断技术就是根据电子电路的可及接点或端口直接测量的信息，推断该系统所处的状态，确定故障元件部位和预测故障的发生，判断电子产品的好坏和给出必要的维修提示的方法。电子电路故障诊断技术可以从模拟电路故障诊断和数字电路故障诊断两个方面来进行分析和研究。

1 电子电路故障的分类

故障可以按不同的原则进行分类。对于电子电路来说，按故障的程度可以分为软故障和硬故障。软故障又称为渐变故障或部分故障，是指元器件参数超出容差范围而造成的故障。这时元器件功能通常并没有完全丧失，而仅仅引起功能的变化。例如一个5.6KΩ（1±5%）的电阻，其实测值为6KΩ，超出了其最大容差5.88KΩ；即可以认为是软故障，因为它并没有导致电路功能的完全丧失。当然，软故障有时是可以容忍的，有时则是不许可的，特别是处于电路关键的元器件。对于软故障，通常除了要判断故障元器件之外，还应计算元器件参数对标称值的偏离量。硬故障又称为突变故障或完全故障，例如一个电阻的阻值变得特别高以至开路；一个二极管阳极与阴极短路等。这样的故障往往会引起电路功能的完全丧失、直流电平的剧烈变化等现象。对于这种故障，通常只要判断出故障位置即可。

按故障存在的时间，又可分为永久性故障和间歇性故障。永久性故障是指，一旦出现就长期存在的故障，在任何时刻进行检测均可检测到。间歇性故障是指，在某种特定条件下才出现的或随机性的、存在时间短暂的故障。由于难以把握其出现的规律与时机，这种故障不易检测。

按同时出现故障的数量又可分为单故障和多故障。若某一时刻仅有一个故障，称为单故障；若同时可能发生若干个故障，则称为多故障。通常诊断多故障比诊断单故障更为困难。

研究电子设备的故障，就是研究故障出现的客观规律，分析电子电路发生故障的原因，以便进一步提高电子设备的可靠性和可维修性。每一台电子设备出现故障虽然是个随机事件，是偶然发生的，但是大量电子产品的故障却呈现一定的规律性。

2 电子电路的故障诊断基本技术

将电路系统丧失规定功能的现象称为电路故障，电路功能的变化必然伴随着电路参数的变化，根据电路参数变化来辨别电路故障的过程，称为电子电路故障诊断。故障诊断的过程，实际上就是从故障现象出发，通过反复测试，做出分析判断，逐步找出故障的过程。

电子电路故障诊断主要包括以下几个方面。

2.1 故障检测

故障检测是指为判断系统或设备是否有故障而进行的必要测试。电路功能的变化必然伴随着电路参数（电流、电压等）和元器件参数的变化。所以，电路参数的测试是判断电路故障的基本工作。检测的顺序可以从输入到输出，也可以从输出到输入，找到故障模块后，要对其产生故障的原因做进一步的检查。

2.2 故障定位

故障定位是指确定故障的具体部位。故障定位又称为故障隔离或故障诊断。通常做法是，把合适的信号或某个模块输出的信号引到其他模块上，然后，依次对每个模块进行测量，直到查到故障模块为止。

2.3 故障识别

对于某些检测对象，不仅要确定故障部位，还要求对故障作进一步的描述，称为故障识别，它包括故障参数识别和故障影响分析。例如对于电路故障的诊断，不仅要知道哪个元器件出了故障，还要求知道元器件参数的变化量。即使元器件参数没有超出正常范围，知道了元器件的实际数值，也可以通过前后几次测量结果的比较，找出其变化规律以预测故障，做到视情维修，减少盲目性。

2.4 连续监测

连续监测又称为状态监测，它可以连续地对被测对象的主要性能参数进行监测和记录，一旦发生故障就发出故障信号。连续监测通常只指出故障的性质而不能进行故障定位，但可根据连续监测记录的数据作进一步分析。

3 模拟电路故障诊断的方法

电子电路故障诊断主要包括三个方面的内容：电路故障检测、电路故障隔离、电路故障辨识。所谓电路故障检测是判断电路中是否存在故障；电路故障隔离或定位就是在检测出故障后确定故障的位置和类型；电路故障辨识是指在分离出故障后确定故障的大小和时变特性。在模拟电路的故障诊断中，诊断的中心问题是电路故障检测和电路故障隔离。

具体来说，模拟电路故障诊断就是利用在模拟电路可及节点上测得的信息来判断电路产品的好坏，确定故障元件的位置及参数值。具体分类如下。

按诊断的目的可分为：故障检测法、故障定位法和故障识别法。

按模拟形式可分为：故障模拟法和元器件模拟法。

按模拟在测试过程的阶段可分为：测前模拟法和测后模拟法。

按电路性质可分为：线性电路故障诊断法和非线性电路故障诊断法、有源电路故障诊断法和无源电路故障诊断法等。

按所用的数学方法可分为：证实法和概率法等。

按激励信号类型可分为：工作信号法和仿真信号法、单信号测试法和多信号测试法，以及单频信号法和多频信号法。

按所测量的响应可分为：直流法和交流法、暂态法和稳态法、电流法和电压法。

到目前为止，国际上较流行的模拟电路故障诊断方法的分类就是按模拟在测试过程的阶段把模拟电路故障诊断方法分为测前模拟法和测后模拟法两大类。

测前模拟诊断的典型方法是故障字典法。故障字典法涉及到产生元器件故障与电压、电流等标志相对应的表格，以便在对故障电路测试后，按所测激励和响应从上述表格中查寻出相应的故障元器件。为了产生故障字典，这种方法要求对待测电路预先进行大量的故障模拟，因此被规划为测前模拟法。

测后模拟法又分为参数识别技术（或任意故障诊断）和故障证实技术（或多故障诊断）。参数识别技术通过电路的方程组把激励、响应与电路元器件参数联系起来，以便计算出元器件参数值，如果元器件参数值的偏差超出允许的容差范围，则判为该元器件发生故障。这种方法要求对故障电路测试之后，需要进行大量的求解计算工作，因此被化为测后模拟法。其典型方法有：转移导纳参数法、参数估计法和多频测量法；故障证实技术是预先猜测电路中故障所在，然后根据所测数据去验证这种猜测是否正确，如果二者吻合，则认为猜测正确，故障定位工作结束。

4 数字电路故障测试基本技术

数字电路往往由许多子电路组成。VLSI（Very Large Scale Integration，超大规模集成电路）技术虽然为我们提供了把电路的全部或大部分集成在一片集成电路芯片的可能性，但要使含有上千万个甚至十万个门电路的每块芯片都永远不出现任何物理缺陷是不可能的。出现在电路内的物理缺陷，例如引线间不应有的短路、开路以及接插件间的接触不良等，都会使电路不能完全地按预定的要求进行工作，导致电路失效。如果检测的目的是为了检查电路是否发生了故障，即检验该电路实现的逻辑功能是否与预定功能完全一致，则称这种测试为数字电路故障检测。如果测试的目的不但是为了检查电路是否有故障，而且还要检测电路发生了什么故障，则称这种测试为故障诊断。

数字电路测试地方对象是非常复杂的，其复杂性表现在：待测电流的输入与输出变量可能多达数十个甚至上百个；电路的响应不仅是组合的而且在大多数情况下是时序的；构成集成电路的门及记忆元件都装在芯片内部，它们的物理缺陷是多种多样的，不可能直接测量它们的逻辑电平和观察它们的输入输出波形，并且与模拟集成电路一样，数字集成电路也无法通过进入内部电路进行检测，只能通过芯片的外部进行测量。因此，必须寻求一些可以信赖的、简单可行的测试方法来检测电路或芯片内部的故障。

故障隔离。在数字电路中的故障检测中，同样需要逻辑思维与逐步测量相结合。任何电路的故障诊断，第一步都是要考查故障特征以尽可能地缩小故障范围。例如，在微机系统中，常常从键盘打如数字，同时在CRT屏幕上观察其响应。一些微机和另一些可编程器件的设计者已开发了例行诊断程序，这可把故障隔离在特定的集成电路中，应认真使用维修说明书中可查到的例行诊断程序。把故障隔离到单元电路要求对数字设备的工作性能有较好的理解。

故障定位。一旦把故障隔离到单元电路或集成电路模块上，就可用逻辑探头、逻辑脉冲发生器和电流跟踪器来观察电路故障对工作的影响，并找到故障源。如果逻辑夹、逻辑比较器的引脚数与集成电路的相同，则也可以使用它们进行故障隔离。当逻辑比较器与集成电路的引脚不同，不能使用逻辑比较法，且因集成电路插拔很困难而不宜用替换法，可采用下述测试方法。（1）检查线上的脉冲活动；（2）信号注入；（3）开路点的测试；（4）对地或Ucc短路测试；（5）两个节点间短路的检查；（6）信号线开路测试。

其中信号注入方法采用在输入端加脉冲，在输出端用逻辑探头检测的方法来测试逻辑门电路，从而达到采用信号注入，用逻辑探头观察输出状态的变化观察故障定位的目的，如下图1所示：

应用电流跟踪器检测数字电路故障。包括检测“线与”问题；检测门与门间的短路问题；检测桥接和电缆短路问题；检测多门输入问题等。