電子電路故障診斷

席安和，方 輝

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 前言

所謂電子電路故障診斷技術就是根據對電子電路的可及節點或端口直接測量的信息，推斷該系統所處的狀態，確定故障元件部位和預測故障的發生，判別電子產品的好壞和給出必要的維修方案[1]。國內許多軍用電子產品的故障診斷基本上就是依靠一些測試儀表，按照跟蹤信號逐點尋跡的思路，借助工作者的邏輯判斷來判定系統中的故障所在。在此結合實例介紹故障診斷方法的運用并運用軟件模擬故障電路，這種“傳統”和“軟件仿真”相結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]。按故障存在的時間分為永久性和間歇性故障。永久性故障是指一旦出現就長期存在的故障，任何時刻進行檢測均可檢測到。間歇性故障是指故障有時出現有時又消失，或在一定的條件下故障才出現。

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

首先應知道正常產品如何工作，從而當產品工作異常時能夠識別出來[2]。簡而言之，故障癥狀分析就是確定產品出現故障的過程。

2.2 確定故障范圍

大多數電子產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際出現在哪個功能塊。

電路原理圖給出電子產品中所有部件及其功能關系。印刷電路板元件布置圖給出電子元件間的實際關系。確定故障范圍時，可以按以下步驟進行。

（1）外觀檢查。

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

（2）電源狀態和靜止狀態。

電源狀態的檢查應針對工作在正常負荷下的所有電源。

（3）故障電路分割。

分割技術是利用方框圖或電路原理圖把故障確定到某一功能區。分割技術應從尋找合適的分割點入手，在方框圖或電路原理圖上確定正確輸入點和不正確輸出點。

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生故障的功能塊的基本方法。

（1）查找故障電路時方框圖的應用。

方框圖是查找故障的一個方便工具。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，無論怎樣對產品進行排列，總是要尋找三個主要信息：信號路徑、信號特征和沿信號路徑各電路的調節和控制裝置。

（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行動態測量時從輸出部分著手，如圖1所示，隨后向輸入端方向進行檢查，直到發現正確的信號，這時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有許多級的復雜電路的中點處檢查其輸出，并依次在每次余下的電路級的中點處進行檢查。

③斷開環路法。

斷開反饋環路，檢查整個電路的變化是否有適當的響應。

④隔離法。

復雜系統一般都是由邏輯子系統設計而成的，整個系統可能太復雜而不能立即確定故障，但是每個子系統通常可以獨立采用前述方法之一來檢查。當發現有故障的子系統后，該子系統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。

為了識別錯誤的輸出，將它與能正常工作的電路輸出進行比較以決定產品是否完好。

3 運用軟件仿真的故障診斷

軟件仿真的故障診斷就是運用電子電路仿真軟件建立故障模型，將故障電路觀測點的輸出結果與多個故障模型仿真結果進行比對，篩選出與故障電路結果相近的故障模型，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 故障診斷實例

以一個故障為例，介紹如何綜合運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 故障現象

某電子部件在低溫測試時沒有輸出指令信號。

4.2 故障診斷

出現故障后首先確定故障是發生在測試設備還在產品。

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合格，低溫測試不合格，并且其他產品的測試結果均合格，所以排除測試臺有問題。

經檢查，沒有發現多余物，器件之間沒有橋接，器件焊接正確，沒有器件損壞現象。

由此可判斷電子部件中某個器件在低溫下失效。該電子部件由七個部分組成：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。接下來應用“從后向前法”“與已知的正常電路比較法”進行故障排查，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X=0時，三極管V5截止，場效應管VF4導通，運放管IC14為反相運算放大器，運放管IC12為跟隨器，于是B點的電位等于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）計算得 UVD4＋=19.29 V，即B點電平近似為19.29 V。

當X=1 時，V5導通，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）計算得 UB=16.67 V。

對B信號的形成電路應用“從后向前法”“與已知的正常電路比較法”進行故障排查。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。可初步判斷故障器件為VF4、VD4、C9、IC14及與它們連接的一些電阻。

關鍵信號分析：正常時，場效應管VF4-g由高電平變為低電平時，VF4-s、VF4-d的電平相應地分別變高、變低；當X持續為高電平時，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X持續為低電平時，VD4＋電位低于VD4-的電位。

從信號特征來看是場效應管兩極VF4-s、VF4-d導通了，造成VF4-s和VF4-d導通的原因有以下四種：①VF4內部發生故障；②VD4與IC14同時發生故障；③C9發生故障；④電阻R62發生故障。

經測量可知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 建立故障模型及結果分析

（1）故障模型1。

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

由圖7可知，VF4-s和VF4-d的電平與實際故障時接近，但是VD4＋和VD4-的電平與故障時相差很大。可以判定故障不是因VF4-s、VF4-d兩極直接導通引起的。

（2）故障模型2。

假設是C9發生故障，即該電容在低溫下呈低阻性，并且R62不是很大，所以相當于VF4-s、VF4-d兩極導通了。用軟件進行故障仿真：用短接線將C9兩端短接（見圖8），仿真結果如圖9所示。

圖6 故障模型1電路

圖7 故障模型1仿真結果

圖8 故障模型2電路

圖9 故障模型2仿真結果

從圖 9 可知，VF4-s、VF4-d、VD4＋、VD4-的電平與故障中實際電平非常接近。可以判定本次故障是電路中的電容C9在低溫下失效引起的，更換該電容后故障消除。

5 結論

電子故障診斷是一項十分復雜困難的工作，需要靈活運用多種診斷方法。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品上的操作，尤其是在根據理論和經驗無法判定具體故障器件時可以運用軟件建立故障模型來實現準確判定故障器件。綜合應用通用診斷方法和軟件仿真故障診斷方法能實現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[M].陜西：西安電子科技大學出版社，2001.

[2]朱大奇.航空電子設備故障診斷技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2005.