電子電路故障診斷

席安和，方 輝

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 前言

所謂電子電路故障診斷技術(shù)就是根據(jù)對電子電路的可及節(jié)點(diǎn)或端口直接測量的信息，推斷該系統(tǒng)所處的狀態(tài)，確定故障元件部位和預(yù)測故障的發(fā)生，判別電子產(chǎn)品的好壞和給出必要的維修方案[1]。國內(nèi)許多軍用電子產(chǎn)品的故障診斷基本上就是依靠一些測試儀表，按照跟蹤信號逐點(diǎn)尋跡的思路，借助工作者的邏輯判斷來判定系統(tǒng)中的故障所在。在此結(jié)合實(shí)例介紹故障診斷方法的運(yùn)用并運(yùn)用軟件模擬故障電路，這種“傳統(tǒng)”和“軟件仿真”相結(jié)合的故障診斷方法對于診斷模擬電路故障十分有效。

1 電子電路故障分類

電子電路故障可以按不同原則分類。按故障的程度分成軟故障和硬故障。軟故障又稱為漸變故障或部分故障，指元件參數(shù)超出容差范圍而造成的故障。硬故障又稱為突變故障，這類故障往往引起電路功能喪失、直流電平劇變等[1-2]。按故障存在的時(shí)間分為永久性和間歇性故障。永久性故障是指一旦出現(xiàn)就長期存在的故障，任何時(shí)刻進(jìn)行檢測均可檢測到。間歇性故障是指故障有時(shí)出現(xiàn)有時(shí)又消失，或在一定的條件下故障才出現(xiàn)。

2 電子電路故障通用診斷方法

電子電路故障診斷的基本過程可分為三個(gè)主要步驟：故障癥狀分析、確定故障范圍、查找故障電路并確定故障器件。

2.1 故障癥狀分析

首先應(yīng)知道正常產(chǎn)品如何工作，從而當(dāng)產(chǎn)品工作異常時(shí)能夠識別出來[2]。簡而言之，故障癥狀分析就是確定產(chǎn)品出現(xiàn)故障的過程。

2.2 確定故障范圍

大多數(shù)電子產(chǎn)品都可以分為若干單元，每一單元都有確定的功能。確定故障范圍就是確定故障實(shí)際出現(xiàn)在哪個(gè)功能塊。

電路原理圖給出電子產(chǎn)品中所有部件及其功能關(guān)系。印刷電路板元件布置圖給出電子元件間的實(shí)際關(guān)系。確定故障范圍時(shí)，可以按以下步驟進(jìn)行。

（1）外觀檢查。

判斷故障位置的第一步是查看產(chǎn)品。檢查失效或變色的元件，斷裂的印刷線，冷焊點(diǎn)，發(fā)出異常氣味的變壓器，腐蝕現(xiàn)象，過熱的元件和漏電的電解電容器。

（2）電源狀態(tài)和靜止?fàn)顟B(tài)。

電源狀態(tài)的檢查應(yīng)針對工作在正常負(fù)荷下的所有電源。

（3）故障電路分割。

分割技術(shù)是利用方框圖或電路原理圖把故障確定到某一功能區(qū)。分割技術(shù)應(yīng)從尋找合適的分割點(diǎn)入手，在方框圖或電路原理圖上確定正確輸入點(diǎn)和不正確輸出點(diǎn)。

2.3 查找故障電路

故障診斷的前兩步提供了初步的故障癥狀信息和查找可能產(chǎn)生故障的功能塊的基本方法。

（1）查找故障電路時(shí)方框圖的應(yīng)用。

方框圖是查找故障的一個(gè)方便工具。能識別電路組和單元電路，則診斷工作就會變得容易。一般而言，無論怎樣對產(chǎn)品進(jìn)行排列，總是要尋找三個(gè)主要信息：信號路徑、信號特征和沿信號路徑各電路的調(diào)節(jié)和控制裝置。

（2）電路測試的主要方法。

①從后向前法。

從后向前法就是在進(jìn)行動態(tài)測量時(shí)從輸出部分著手，如圖1所示，隨后向輸入端方向進(jìn)行檢查，直到發(fā)現(xiàn)正確的信號，這時(shí)下一級電路就可能是有故障的電路。

圖1 從后向前法示意

②一半分開法。

一半分開法是指在一個(gè)有許多級的復(fù)雜電路的中點(diǎn)處檢查其輸出，并依次在每次余下的電路級的中點(diǎn)處進(jìn)行檢查。

③斷開環(huán)路法。

斷開反饋環(huán)路，檢查整個(gè)電路的變化是否有適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。

④隔離法。

復(fù)雜系統(tǒng)一般都是由邏輯子系統(tǒng)設(shè)計(jì)而成的，整個(gè)系統(tǒng)可能太復(fù)雜而不能立即確定故障，但是每個(gè)子系統(tǒng)通?？梢元?dú)立采用前述方法之一來檢查。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有故障的子系統(tǒng)后，該子系統(tǒng)又可以采用前述方法來查找具體的故障。

⑤與已知的正常電路比較法。

為了識別錯(cuò)誤的輸出，將它與能正常工作的電路輸出進(jìn)行比較以決定產(chǎn)品是否完好。

3 運(yùn)用軟件仿真的故障診斷

軟件仿真的故障診斷就是運(yùn)用電子電路仿真軟件建立故障模型，將故障電路觀測點(diǎn)的輸出結(jié)果與多個(gè)故障模型仿真結(jié)果進(jìn)行比對，篩選出與故障電路結(jié)果相近的故障模型，通過故障模型來確定故障器件。常用仿真軟件有 Pspice、Protel、Multisim、Saber等。

4 故障診斷實(shí)例

以一個(gè)故障為例，介紹如何綜合運(yùn)用通用故障診斷方法和軟件仿真故障診斷方法來確定故障器件。

4.1 故障現(xiàn)象

某電子部件在低溫測試時(shí)沒有輸出指令信號。

4.2 故障診斷

出現(xiàn)故障后首先確定故障是發(fā)生在測試設(shè)備還在產(chǎn)品。

按如圖2所示流程查找故障：該故障電子部件在常溫測試時(shí)合格，低溫測試不合格，并且其他產(chǎn)品的測試結(jié)果均合格，所以排除測試臺有問題。

經(jīng)檢查，沒有發(fā)現(xiàn)多余物，器件之間沒有橋接，器件焊接正確，沒有器件損壞現(xiàn)象。

由此可判斷電子部件中某個(gè)器件在低溫下失效。該電子部件由七個(gè)部分組成：供電單元；信號放大器；A信號形成電路；B信號形成電路；C信號形成電路；D信號形成電路；功率放大器。指令信號形成過程如圖3所示。

通過測量得知電源正常。接下來應(yīng)用“從后向前法”“與已知的正常電路比較法”進(jìn)行故障排查，如圖4所示，測得②、⑤、⑥、⑦處信號正確，①、③、④處信號不正確。由此可以判定B信號形成電路有故障。

圖2 故障查找流程

圖3 指令形成過程

圖4 故障查找示意

B信號形成電路如圖5所示。

B信號形成電路分析：當(dāng)X=0時(shí)，三極管V5截止，場效應(yīng)管VF4導(dǎo)通，運(yùn)放管IC14為反相運(yùn)算放大器，運(yùn)放管IC12為跟隨器，于是B點(diǎn)的電位等于VD4+處的電位，由此得式（1）

圖5 B信號形成電路

將 R63、R64、R65代入式（1）計(jì)算得 UVD4＋=19.29 V，即B點(diǎn)電平近似為19.29 V。

當(dāng)X=1 時(shí)，V5導(dǎo)通，VF4截止，IC14為比較器，輸出 23 V，VD4截止，電容充電，B 處電位由 R67、R68決定，即

將 R67、R68代入式（2）計(jì)算得 UB=16.67 V。

對B信號的形成電路應(yīng)用“從后向前法”“與已知的正常電路比較法”進(jìn)行故障排查。如圖5所示，從B信號形成電路的信號輸出端向前進(jìn)行檢查，在低溫下測得：VF4-g上信號正確，VD4-、VD4＋、VF4-s、VF4-d信號不正確?？沙醪脚袛喙收掀骷閂F4、VD4、C9、IC14及與它們連接的一些電阻。

關(guān)鍵信號分析：正常時(shí)，場效應(yīng)管VF4-g由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，VF4-s、VF4-d的電平相應(yīng)地分別變高、變低；當(dāng)X持續(xù)為高電平時(shí)，VD4＋電位高于VD4-的電位。這次故障中VF4-s、VF4-d的電平不隨VF4-g的電平變化而變化；當(dāng)X持續(xù)為低電平時(shí)，VD4＋電位低于VD4-的電位。

從信號特征來看是場效應(yīng)管兩極VF4-s、VF4-d導(dǎo)通了，造成VF4-s和VF4-d導(dǎo)通的原因有以下四種：①VF4內(nèi)部發(fā)生故障；②VD4與IC14同時(shí)發(fā)生故障；③C9發(fā)生故障；④電阻R62發(fā)生故障。

經(jīng)測量可知VD4、R62無故障，原因②、④排除，僅需考慮①、③兩種情況，接下來用軟件針對這兩種情況建立故障模型。

4.3 建立故障模型及結(jié)果分析

（1）故障模型1。

假設(shè)是VF4在低溫下失效：VF4-s、VF4-d兩極在低溫下直接導(dǎo)通。用軟件進(jìn)行故障仿真：用短接線將VF4-s、VF4-d連接（見圖6），仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，VF4-s和VF4-d的電平與實(shí)際故障時(shí)接近，但是VD4＋和VD4-的電平與故障時(shí)相差很大?？梢耘卸ü收喜皇且騐F4-s、VF4-d兩極直接導(dǎo)通引起的。

（2）故障模型2。

假設(shè)是C9發(fā)生故障，即該電容在低溫下呈低阻性，并且R62不是很大，所以相當(dāng)于VF4-s、VF4-d兩極導(dǎo)通了。用軟件進(jìn)行故障仿真：用短接線將C9兩端短接（見圖8），仿真結(jié)果如圖9所示。

圖6 故障模型1電路

圖7 故障模型1仿真結(jié)果

圖8 故障模型2電路

圖9 故障模型2仿真結(jié)果

從圖 9 可知，VF4-s、VF4-d、VD4＋、VD4-的電平與故障中實(shí)際電平非常接近?？梢耘卸ū敬喂收鲜请娐分械碾娙軨9在低溫下失效引起的，更換該電容后故障消除。

5 結(jié)論

電子故障診斷是一項(xiàng)十分復(fù)雜困難的工作，需要靈活運(yùn)用多種診斷方法。通用診斷方法能快速將故障定位到單元電路；軟件仿真故障診斷方法能減少直接在產(chǎn)品上的操作，尤其是在根據(jù)理論和經(jīng)驗(yàn)無法判定具體故障器件時(shí)可以運(yùn)用軟件建立故障模型來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確判定故障器件。綜合應(yīng)用通用診斷方法和軟件仿真故障診斷方法能實(shí)現(xiàn)不拆卸或更換器件而迅速判定具體故障器件。

[1]高澤涵.電子電路故障診斷技術(shù)[M].陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

[2]朱大奇.航空電子設(shè)備故障診斷技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2005.