電子電路的故障診斷基本技術

楊 旭,鄭 冰 ,葛東林

（1.河南工業職業技術學院,河南南陽,473000;2.河南中光學集團有限公司,473000）

電子電路是有特定功能的電子元器件組合而成，其中每個元器件都有自己特定的作用。如果某個元件損壞，電路的功能必將發生變化。我們將電路系統喪失規定功能的現象稱為電路故障。電路功能的變化必然伴隨電路參數的變化，根據電路參數變化來辨別電路故障的過程，就是電子電路故障的診斷過程。而故障診斷的過程，就是從故障現象出發，通過反復測試，作出分析判斷，逐步找出故障的過程。

電子電路故障診斷技術就是根據電子電路的可及接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，判斷電子產品的好壞和給出必要的維修提示的方法。電子電路故障診斷技術可以從模擬電路故障診斷和數字電路故障診斷兩個方面來進行分析和研究。

1 電子電路故障的分類

故障可以按不同的原則進行分類。對于電子電路來說，按故障的程度可以分為軟故障和硬故障。軟故障又稱為漸變故障或部分故障，是指元器件參數超出容差范圍而造成的故障。這時元器件功能通常并沒有完全喪失，而僅僅引起功能的變化。例如一個5.6KΩ（1±5%）的電阻，其實測值為6KΩ，超出了其最大容差5.88KΩ；即可以認為是軟故障，因為它并沒有導致電路功能的完全喪失。當然，軟故障有時是可以容忍的，有時則是不許可的，特別是處于電路關鍵的元器件。對于軟故障，通常除了要判斷故障元器件之外，還應計算元器件參數對標稱值的偏離量。硬故障又稱為突變故障或完全故障，例如一個電阻的阻值變得特別高以至開路；一個二極管陽極與陰極短路等。這樣的故障往往會引起電路功能的完全喪失、直流電平的劇烈變化等現象。對于這種故障，通常只要判斷出故障位置即可。

按故障存在的時間，又可分為永久性故障和間歇性故障。永久性故障是指，一旦出現就長期存在的故障，在任何時刻進行檢測均可檢測到。間歇性故障是指，在某種特定條件下才出現的或隨機性的、存在時間短暫的故障。由于難以把握其出現的規律與時機，這種故障不易檢測。

按同時出現故障的數量又可分為單故障和多故障。若某一時刻僅有一個故障，稱為單故障；若同時可能發生若干個故障，則稱為多故障。通常診斷多故障比診斷單故障更為困難。

研究電子設備的故障，就是研究故障出現的客觀規律，分析電子電路發生故障的原因，以便進一步提高電子設備的可靠性和可維修性。每一臺電子設備出現故障雖然是個隨機事件，是偶然發生的，但是大量電子產品的故障卻呈現一定的規律性。

2 電子電路的故障診斷基本技術

將電路系統喪失規定功能的現象稱為電路故障，電路功能的變化必然伴隨著電路參數的變化，根據電路參數變化來辨別電路故障的過程，稱為電子電路故障診斷。故障診斷的過程，實際上就是從故障現象出發，通過反復測試，做出分析判斷，逐步找出故障的過程。

電子電路故障診斷主要包括以下幾個方面。

2.1 故障檢測

故障檢測是指為判斷系統或設備是否有故障而進行的必要測試。電路功能的變化必然伴隨著電路參數（電流、電壓等）和元器件參數的變化。所以，電路參數的測試是判斷電路故障的基本工作。檢測的順序可以從輸入到輸出，也可以從輸出到輸入，找到故障模塊后，要對其產生故障的原因做進一步的檢查。

2.2 故障定位

故障定位是指確定故障的具體部位。故障定位又稱為故障隔離或故障診斷。通常做法是，把合適的信號或某個模塊輸出的信號引到其他模塊上，然后，依次對每個模塊進行測量，直到查到故障模塊為止。

2.3 故障識別

對于某些檢測對象，不僅要確定故障部位，還要求對故障作進一步的描述，稱為故障識別，它包括故障參數識別和故障影響分析。例如對于電路故障的診斷，不僅要知道哪個元器件出了故障，還要求知道元器件參數的變化量。即使元器件參數沒有超出正常范圍，知道了元器件的實際數值，也可以通過前后幾次測量結果的比較，找出其變化規律以預測故障，做到視情維修，減少盲目性。

2.4 連續監測

連續監測又稱為狀態監測，它可以連續地對被測對象的主要性能參數進行監測和記錄，一旦發生故障就發出故障信號。連續監測通常只指出故障的性質而不能進行故障定位，但可根據連續監測記錄的數據作進一步分析。

3 模擬電路故障診斷的方法

電子電路故障診斷主要包括三個方面的內容：電路故障檢測、電路故障隔離、電路故障辨識。所謂電路故障檢測是判斷電路中是否存在故障；電路故障隔離或定位就是在檢測出故障后確定故障的位置和類型；電路故障辨識是指在分離出故障后確定故障的大小和時變特性。在模擬電路的故障診斷中，診斷的中心問題是電路故障檢測和電路故障隔離。

具體來說，模擬電路故障診斷就是利用在模擬電路可及節點上測得的信息來判斷電路產品的好壞，確定故障元件的位置及參數值。具體分類如下。

按診斷的目的可分為：故障檢測法、故障定位法和故障識別法。

按模擬形式可分為：故障模擬法和元器件模擬法。

按模擬在測試過程的階段可分為：測前模擬法和測后模擬法。

按電路性質可分為：線性電路故障診斷法和非線性電路故障診斷法、有源電路故障診斷法和無源電路故障診斷法等。

按所用的數學方法可分為：證實法和概率法等。

按激勵信號類型可分為：工作信號法和仿真信號法、單信號測試法和多信號測試法，以及單頻信號法和多頻信號法。

按所測量的響應可分為：直流法和交流法、暫態法和穩態法、電流法和電壓法。

到目前為止，國際上較流行的模擬電路故障診斷方法的分類就是按模擬在測試過程的階段把模擬電路故障診斷方法分為測前模擬法和測后模擬法兩大類。

測前模擬診斷的典型方法是故障字典法。故障字典法涉及到產生元器件故障與電壓、電流等標志相對應的表格，以便在對故障電路測試后，按所測激勵和響應從上述表格中查尋出相應的故障元器件。為了產生故障字典，這種方法要求對待測電路預先進行大量的故障模擬，因此被規劃為測前模擬法。

測后模擬法又分為參數識別技術（或任意故障診斷）和故障證實技術（或多故障診斷）。參數識別技術通過電路的方程組把激勵、響應與電路元器件參數聯系起來，以便計算出元器件參數值，如果元器件參數值的偏差超出允許的容差范圍，則判為該元器件發生故障。這種方法要求對故障電路測試之后，需要進行大量的求解計算工作，因此被化為測后模擬法。其典型方法有：轉移導納參數法、參數估計法和多頻測量法；故障證實技術是預先猜測電路中故障所在，然后根據所測數據去驗證這種猜測是否正確，如果二者吻合，則認為猜測正確，故障定位工作結束。

4 數字電路故障測試基本技術

數字電路往往由許多子電路組成。VLSI（Very Large Scale Integration，超大規模集成電路）技術雖然為我們提供了把電路的全部或大部分集成在一片集成電路芯片的可能性，但要使含有上千萬個甚至十萬個門電路的每塊芯片都永遠不出現任何物理缺陷是不可能的。出現在電路內的物理缺陷，例如引線間不應有的短路、開路以及接插件間的接觸不良等，都會使電路不能完全地按預定的要求進行工作，導致電路失效。如果檢測的目的是為了檢查電路是否發生了故障，即檢驗該電路實現的邏輯功能是否與預定功能完全一致，則稱這種測試為數字電路故障檢測。如果測試的目的不但是為了檢查電路是否有故障，而且還要檢測電路發生了什么故障，則稱這種測試為故障診斷。

數字電路測試地方對象是非常復雜的，其復雜性表現在：待測電流的輸入與輸出變量可能多達數十個甚至上百個；電路的響應不僅是組合的而且在大多數情況下是時序的；構成集成電路的門及記憶元件都裝在芯片內部，它們的物理缺陷是多種多樣的，不可能直接測量它們的邏輯電平和觀察它們的輸入輸出波形，并且與模擬集成電路一樣，數字集成電路也無法通過進入內部電路進行檢測，只能通過芯片的外部進行測量。因此，必須尋求一些可以信賴的、簡單可行的測試方法來檢測電路或芯片內部的故障。

故障隔離。在數字電路中的故障檢測中，同樣需要邏輯思維與逐步測量相結合。任何電路的故障診斷，第一步都是要考查故障特征以盡可能地縮小故障范圍。例如，在微機系統中，常常從鍵盤打如數字，同時在CRT屏幕上觀察其響應。一些微機和另一些可編程器件的設計者已開發了例行診斷程序，這可把故障隔離在特定的集成電路中，應認真使用維修說明書中可查到的例行診斷程序。把故障隔離到單元電路要求對數字設備的工作性能有較好的理解。

故障定位。一旦把故障隔離到單元電路或集成電路模塊上，就可用邏輯探頭、邏輯脈沖發生器和電流跟蹤器來觀察電路故障對工作的影響，并找到故障源。如果邏輯夾、邏輯比較器的引腳數與集成電路的相同，則也可以使用它們進行故障隔離。當邏輯比較器與集成電路的引腳不同，不能使用邏輯比較法，且因集成電路插拔很困難而不宜用替換法，可采用下述測試方法。（1）檢查線上的脈沖活動；（2）信號注入；（3）開路點的測試；（4）對地或Ucc短路測試；（5）兩個節點間短路的檢查；（6）信號線開路測試。

其中信號注入方法采用在輸入端加脈沖，在輸出端用邏輯探頭檢測的方法來測試邏輯門電路，從而達到采用信號注入，用邏輯探頭觀察輸出狀態的變化觀察故障定位的目的，如下圖1所示：

應用電流跟蹤器檢測數字電路故障。包括檢測“線與”問題；檢測門與門間的短路問題；檢測橋接和電纜短路問題；檢測多門輸入問題等。

圖1 信號注入

[1]楊斌.章立軍.郭云.等編著《電氣設備診斷現場實用技術》機械工業出版社 2012年4月

[2]高澤涵編《電子電路故障診斷技術》 西安電子科技大學出版社 2000年11月

[3]朱大奇.著 《電子設備故障診斷原理與實踐》電子工業出版社2004年5月

[4]楊海祥.主編《電子電路故障查找技巧》機械工業出版社2004年9月