電子電路故障原因與檢測技術

李 博

（國網河北省電力有限公司南皮縣供電分公司，河北 滄州 061500）

0 引 言

電子電路廣泛應用于通信、能源、制造等領域，推動了我國科技的創新和產業的發展。但電子電路容易發生故障，導致設備損壞、生產中斷甚至嚴重的生產安全事故，因此及時對電子電路進行故障檢測至關重要。及時、準確的故障檢測可以及早發現潛在的故障問題，降低事故發生率，確保設備穩定運行，提高設備生產效率，降低維修成本，保障人身和財產安全。

1 電子電路故障原因

1.1 元器件故障

元器件是組成電子電路系統的關鍵，但也可能成為電路故障的源頭。一方面，元器件會由于老化、電路過載等出現故障，干擾電路的正常運行。例如，電阻器會因長時間高負荷工作而失去電阻值，影響電路的性能[1]。晶體管在高壓條件下可能發生擊穿，導致電路損壞。此外，元器件之間接觸不良、引腳連接不穩定等問題，也會導致電路故障。另一方面，元器件的質量問題，如制造缺陷或材料質量不符合設計要求等也可能引發電路故障。因此，在電子系統的設計、制造和維護過程中，要選擇高品質的元器件、實施合理的熱管理、進行負載控制以及定期的檢測和維修。

1.2 人為因素

無論是在電路設計初期，還是在制造、操作、維護等環節，人為因素都有可能成為電子電路發生故障的潛在風險。人為因素的作用范圍廣，主要表現為設計師選擇錯誤的元器件或連接方式、制造工人的疏忽或操作者操作失誤、維護保養過程中存在誤操作等。這些人為產生的錯誤不僅存在于技術層面，還可能涉及操作員的技能培訓不足和操作意識的問題。雖然這些錯誤在產生初期可能不會立即導致電子電路故障，但是長期的累積會對電子電路產生負面影響。

1.3 電路接觸不良

在電子電路系統中，元器件之間的連接是系統穩定運行的基礎[2]。但連接插頭松動、焊接質量不佳或元器件氧化（見圖1）等問題會造成元器件接觸不良，干擾電流傳輸、信號傳遞或導致電路中斷。這些微小的問題難以在外表上察覺，但能引發整個電子電路的功能紊亂。當電子電路系統在振動或溫度變化較大等環境影響下運行時，電路接觸不良的問題會愈發明顯，可能會給電路造成不可預測的故障問題。

圖1 元器件氧化

1.4 干擾故障

電子電路系統中存在電磁輻射、電磁感應和靜電放電等多種干擾，會破壞信號傳遞的完整性和元器件的正常工作，影響整個電路的性能。這種情況在高頻電路或噪聲敏感環境下尤為明顯，會削弱電路性能，甚至引發嚴重故障。為避免干擾引發的電子電路故障問題，相關工作人員從設計階段開始就要采取相應的屏蔽和布局優化等策略，以降低外部干擾對電路的影響，保障電子電路系統的穩定運行。

2 電子電路故障檢測方法

2.1 直接觀察法

直接觀察法是基本的電子電路故障檢測方法之一，即通過實時觀察電路的工作狀態和信號波形來判斷電路是否存在故障。實際操作時可以借助示波器（見圖2）等儀器，監測電路中的電壓、電流、信號波形等。對于放大電路，可以觀察輸出信號的波形是否與預期相符、是否存在失真現象，并對測得的參數進行分析，如計算信號的頻率響應、增益等。對于數字電路，可以通過邏輯分析儀監測信號的高低電平、脈沖寬度。檢測過程中，要根據電路的特性設定參考參數，并與實際觀察結果進行比較，找出異常[3]。

圖2 示波器

直接觀察法具備快速性和直觀性等優勢，能夠快速定位問題，尤其適用于初步排查簡單的電路。但該方法不適用于對復雜電路或微小信號的觀察，易受觀察者主觀因素的影響。

2.2 參數測試法

參數測試法的核心原理是通過測量電路中各元件的參數數值，并與預設的標準數值進行對比，從而判定電路是否存在故障。電子元件（如電阻、電容、晶體管等）正常工作狀態下的參數值會有一定的取值范圍。以電阻為例，在標準工作條件下，10 kΩ電阻的阻值范圍為9.8～10.2 kΩ。如果在實際測試中測得電路中10 kΩ電阻阻值為8.5 kΩ，且電阻周圍溫度超過正常范圍，可初步判定該元器件存在問題。如果1個標稱容量為100 μF的電容的容值在95～105 μF，測得電路中的容值為80 μF，就可初步斷定該電容可能存在問題。NPN型晶體管的基極-發射極的電壓閾值范圍通常為0.6～0.7 V，如果測得的晶體管電壓閾值遠低于該范圍，如0.3 V，表明該晶體管可能受到損害或存在質量問題。

在進行實際的參數測試時，要確保測量設備和參考模型的準確性。由于不同元件的參數范圍存在差異，需要針對不同類型的元件建立相應的標準參數范圍，以便進行參數比對判斷。

2.3 信號追蹤法

當電子電路發生故障時，信號往往會在故障點附近受阻、偏移或中斷，導致信號路徑發生異常。信號追蹤法通過在電路中注入測試信號，可以觀察信號在不同元件之間的流動情況，從而推測出故障位置。以一個放大電路故障為例，正常情況下輸入信號經過放大器后會增強，并傳遞到輸出端[4]。如果放大電路中某個放大器出現問題，會導致信號無法得到適當放大或信號無法通過該放大器。通過注入測試信號并逐步追蹤信號路徑，可以確定信號出現問題的階段，從而鎖定故障位置。

信號追蹤法的關鍵是選擇合適的測試信號和監測儀器，常見的測試信號有正弦波、脈沖信號等，能幫助工程師觀察信號的變化和流動情況；監測儀器如示波器、頻譜分析儀等，可以可視化地觀察信號的變化情況，以判定故障所在位置。

2.4 整機比較法

整機比較法是以正常工作的電子設備為基準，將待測試設備與正常工作的電子設備進行逐一比較，觀察兩者之間的差異，從而定位故障位置。例如，測試一個音響系統是否存在故障時，首先將一個正常工作的音響系統作為樣本，包括放大器、揚聲器等組件；其次使待測試音響系統與樣本播放相同的音頻，監測兩者的輸出效果；最后對二者進行比較，若待測試音響系統輸出的音頻質量明顯差于樣本，則可以初步判斷其存在故障，并進行進一步的檢查和比較。

整機比較法的關鍵在于要保證樣本能正常工作，且與待測試設備在結構和功能完全相同。無論是在生產線上進行設備質量檢測，還是在設備運行中進行故障排除，整機比較法都是一種快速有效的檢測手段。該方法不僅適用于數字電路，也適用于模擬電路，可以用于較為復雜的混合信號電路，且能發現一些不容易被傳統手段察覺的隱蔽性故障，確保設備可靠運行。

2.5 替換法

替換法是把疑似存在問題的元件按排列的先后順序，逐個替換成相同規格或型號的能正常運行的元器件，并實時觀察替換后電路的變化情況，以此來判斷故障所在位置。首先，根據故障的性質和可能出現問題的元器件，選定一組最可能引起故障的元件，并用相同規格或型號的元件進行替換[5]。替換元件時，要確保替換元件與原元件在電性能、參數和連接方式等方面保持一致。其次，測試替換元件后的電路，觀察故障是否消失，如果故障現象消失或故障位置改變，表明被替換的元件可能是故障點之一。最后，判斷故障發生原因。如果替換后的元件并未消除故障，可以排除被替換元件是故障源的可能性；如果故障現象消失，可以初步確定被替換的元件與故障相關。

2.6 電容器旁路法

采用電容器旁路法，首先要將已知工作正常的電容器與待測電容器的兩端并聯，構成一個并聯電容器組合。其次將一個信號源（通常是脈沖信號或正弦信號）連接到并聯電容器組合上，通過測量電路的電壓響應或相位差，得到電路的頻率響應特性。該頻率響應特性包含待測電容器和已知電容器的共同影響；最后判斷電容器是否存在故障，若待測電容器的頻率響應特性與已知工作正常的電容器的特性存在較大差異，則表明待測電容器存在故障。電容器故障類型有開路、短路、極性反向等。在電容器旁路法中，這些故障會表現在頻率響應特性中。例如，當待測電容器存在開路故障時，由于電容器無法存儲電荷，電容器的頻率響應會在某個截止頻率處驟降；發生短路故障時，待測電容器的頻率響應會在截止頻率處驟升。通過對比已知正常工作的電容器與待測電容器的頻率響應特性，維修人員可以快速判斷待測電容器是否存在故障并確定故障類型。

2.7 基于小波分析和馬氏距離的模擬電路故障診斷

小波變換（Wavelet Transform，WT）能將信號分解成不同尺度的子信號，更好地呈現信號的時頻特征。馬氏距離（Mahalanobis Distance）是一種有效的相似性度量方法，可以實現更精確的故障分析。馬氏距離考慮了各特征之間的相關性，能更準確地反映不同信號之間的差異。基于小波分析與馬氏距離的電路故障檢測技術，通過監測電路工作狀態，可以捕捉電路潛在的故障特征。該故障檢測技術通過比較電路輸出信號與預期的正常工作狀態，利用小波分析提取出子信號的馬氏距離來衡量信號間的差異。如果馬氏距離超出預先設定的閾值，意味著電路可能存在故障。這種模擬電路故障診斷的檢測技術不僅能檢測出電路存在的故障，還能發現一些電路潛在的問題，為電子設備提供更為可靠的監測與維護。

3 結 論

電子電路作為現代科技的核心組成部分，對各行業的正常工作和發展不可或缺，因此要及時解決電子電路故障問題。隨著科技的進步，電子電路故障檢測技術持續發展。通過分析研究電子電路故障原因和故障檢測方法，能有效提升電子設備運行的可靠性，為科技進步提供有力支撐。