電子設備模塊化維修方法應用研究

彭 中,李建軍

(1.31680部隊,四川 成都 611234;2.77120部隊,四川 成都 611931)

0 引言

設備維修是一項通過修復或更換損壞零件、調整精度和排除故障等方法,旨在恢復設備原有功能的技術活動。其主要作用在于恢復設備精度、性能指標,并延長使用壽命[1-2]。維修工作是設備功能恢復的重要手段,尤其在通信保障工作中,它發揮著不可替代的作用[3]。

模塊化是一種將復雜系統分解為多個更好管理的模塊的方式[4-5]。新型設備提倡模塊化設計,這種設計提升了設備的穩定性和可靠性,同時也給設備維修工作帶來了很大的便利。然而,隨著新設備功能復雜度越來越高,模塊之間的關聯變得更加緊密,目前的維修方式主要是通過更換板件來進行。但是,板件更換維修在保障過程中對物資器材、運輸力量和倉儲空間的要求較高,因此只適合短暫的緊急搶修任務,不適合單位長期的保障工作[6-7]。

本文介紹的模塊化維修方法(簡稱“五步法”)是以設備功能為依托,運用模塊化思維將設備按照功能進行區域劃分,并進一步劃分出更小的區域,直至壓縮到故障部位并排除故障[8];該方法能有效強化維修人員的基礎能力,幫助新上崗人員快速將理論知識與實際維修工作相結合,提高維修人員的綜合素質,有效減輕器材保障的壓力[9-11]。

1 模塊化維修方法介紹

模塊化維修方法的主要思想是,以設備功能為核心,將設備整體看作是一個功能模塊;以模塊功能實現的條件為參考,逐級分解出更多的功能模塊;對最小功能模塊進行分析和判斷,找出故障點[12-14]。

1.1 查詢功能原理

功能原理是指設備能夠實現的功能和實現這些功能所依據的科學原理。功能原理不僅是設備功能實現的理論依據,也是維修工作的方向指導。如果不懂功能原理,可能會導致后續的維修方向錯誤。

不同的設備具有完全不同的功能(例如:通信設備的主要功能是信號的收發,電源設備的主要功能是能源轉換,輸入設備的主要功能是信息的采集等);維修作業首先需要確定該設備的具體功能。查詢設備功能的常見方法包括:查詢設備使用手冊、總結工作經驗、咨詢操作使用人員和咨詢生產廠家等。

了解設備的功能后,再進一步查詢其功能實現的科學原理。每一種功能的實現都有其科學理論做支撐,設計者以不同科學理論為依據,實現設備的各種功能。例如:脈寬調制開關電源的核心目的是通過控制開關管的導通時間來穩定輸出電壓。維修人員只需要關心開關管的控制關系,而不用太過關心為什么開關管導通時間能改變輸出電壓。再比如:發電機的核心目的是通過發動機產生的動能帶動發電機做切割磁力線的運動。維修人員只需要關心動能的產生和控制以及磁力線的產生和控制,而不用太過關心為什么切割磁力線就能產生電能。查詢工作原理的常見方法包括:互聯網搜索查詢、工作經驗積累、咨詢專業院校和咨詢生產廠家。

1.2 切割分解電路

分解電路是指按照功能的不同,對設備進行功能模塊的分解和電路區域的分割。一臺設備通常由多個功能模塊組合而成。在查詢到設備的相關功能后,可以查閱設備的技術手冊或根據相關經驗,對該設備的所有功能進行分解。在分解出某一部分電路或模塊后,可以選擇重復第一步或第二步對該部分電路進行分解,或者繼續進行設備整體功能的分解;直到將設備的所有或部分功能分解為模塊電路。

例如:對于短波電臺的功能進行劃分,其主要功能可分為接收功能和發射功能兩種。查詢資料可知,發射功能可以繼續劃分為:信號輸入部分、信號調制部分、信號變頻部分、功率放大部分等;接收部分功能可分為:射頻信號接收部分、選頻部分、信號變頻部分、信號解調部分、音頻放大部分等。

將設備按照每個對應的功能進行分解后,以每個部分的功能為參考,按照第一步的方法進一步了解其功能和原理。然后,通過故障現象對故障部位進行初步定位。

1.3 確定工作條件

工作條件是指設備或設備某部分電路或者某功能模塊正常運行所需要的條件。每個模塊正常工作都需要一定的條件支持,只有當該模塊電路所需要的所有工作條件都達到指定要求后,模塊電路才能正常運行,才有完成設計目標的可能。若缺少必要的工作條件或條件未達到指定要求,可能導致模塊或設備不能正常運行。

例如:假設某電路模塊需要最低24 V直流供電作為電源,但是因為某些原因導致直流24 V電源下降至10 V,此時說明該電路的電源供電這個工作條件未能正確提供,電路不能正常工作。工作條件直接影響模塊電路工作的穩定性,錯誤的工作條件可能導致模塊電路不能正常工作,甚至直接損壞模塊電路。

除了電源,還有其他重要的工作條件,比如:數字電路的時鐘信號、單片機軟件運行所需的數據、模擬電路運行所需的各類控制信號等。不同模塊電路的工作條件各不相同,有時單個出現,有時多個同時出現,甚至有的模塊電路需要十幾種工作條件同時具備才能正常運行。只有正確掌握模塊電路工作條件,才能根據工作條件判斷模塊電路的好壞。

可以通過以下幾種渠道獲取模塊的工作條件:(1)在互聯網上查詢模塊生產廠商的數據手冊;(2)通過相關工作經驗積累;(3)查看設備電路圖集;(4)咨詢設備生產廠家。

1.4 測量通道信號

通道信號是指將物理量轉換為電信號的模塊或電路。在電路中,當某個點的電信號發生變化時,另一個點的電信號也會跟隨變化,這兩個點之間的電路就是該信號的通道。而信號發生變化的點被稱為通道信號的輸入端,被影響而發生變化的點則被稱為通道信號的輸出端。

每個模塊電路都是為實現某種功能而依據相關科學理論研制的。這些功能實現的根本目的是對相關的物理量進行相應的處理,比如溫度、重量、濕度、聲音等。在一個模塊中,通常只能完成一部分的功能。在多個模塊之間的信號傳遞過程中,信號進入模塊稱為模塊輸入,信號從模塊傳出稱為模塊輸出。

通過測量模塊輸入與輸出的值并結合模塊電路和工作條件等進行分析,可以判定模塊狀態是否正常。模塊輸入輸出信號是模塊電路是否正常的具體表現。在維修時,一定要準確掌握模塊電路的輸入信號與輸出信號的幅度、頻率等參數特征。

然而,模塊電路的信號特征不像模塊工作條件那么直觀,判定較為困難。初學者或新接觸的設備可用對比法進行對比測量,或根據查詢到的模塊數據進行對比,以確定信號參數是否正常,再進行故障判斷。

1.5 分析排除故障

分析故障是指結合設備故障分析可以在故障排除過程的任何時刻進行。

在故障排除過程中,查詢功能原理一定優先進行。功能原理是維修方向的總體指導,不理解功能會導致維修思路不清晰甚至整體方向錯誤。

同時,切割分析電路和工作條件檢查以及信號通道測量幾個步驟可以重復交叉進行。例如:當測量發現某模塊電路的工作條件之一-5 V供電不正常時,應將該-5 V供電電路視作一個功能模塊,然后以該功能模塊為對象進行查詢功能。由于功能已經非常明了,所以可以直接進行第二步,對該-5 V供電電路進行劃分,并測量該模塊的工作條件及輸入與輸出信號,從而進一步確定故障位置。

當故障位置確定后,可根據情況對故障進行處理。如果能夠判定到元器件,則可以直接更換元器件;如果不能判定到具體元器件或沒有合適的元器件進行更換,則可以采用功能相同、性能參數接近的模塊進行替換。在選擇替換模塊時,應注意保持模塊的工作條件一致。

2 故障分析舉例

本文以某型軍用短波電臺的故障現象為例,詳細介紹如何使用本方法進行分析和判定故障。某型軍用短波電臺開機后始終處于發射狀態,且能正常發送信號。故障分析過程如下。

第一步,對該電臺的功能進行確定。首先,本研究需要明確該短波電臺的主要功能。通過查閱相關資料并結合實際經驗,該電臺的主要功能是接收和發送各種信息,包括模擬話音、數據信息、數字話音等。本研究可以將其視為一個功能模塊,在操作人員與短波信道之間起到橋梁的作用。該電臺接收短波信道的信息,并將其轉換為操作人員能夠理解的話音信號或信息終端能識別的數據信號,這個過程稱為接收信號。同時,該電臺還將操作人員的話音信號或信息終端的數據信號轉換為能夠在短波信道中傳輸的信息并發射到短波信道中,這個過程稱為發射信號。為了實現上述兩個過程,該設備內部有接收通道和發射通道。接收通道負責實現信息接收信號,而發射通道則負責實現信息發送。在明確了這些功能之后,本研究需要進一步了解這些功能的實現原理。通過查詢無線通信原理并結合實際工作經驗,本研究了解到接收信號和發射信號的實現均需要進行多次頻率搬移和信號的轉換。實現這些核心功能需要一系列電路的支持,包括混頻電路、本振電路、功率放大電路、AD/DA轉換電路、調制與解調電路等。此外,為了實現操作人員對設備的控制,還需要操作輸入電路、顯示輸出電路、收發控制電路等的支持。綜合考慮以上分析,本研究可以大致整理出該設備應具有的電路模塊,包括混頻電路、本振電路、功率放大電路、AD/DA轉換電路、調制與解調電路、電源供電電路、顯示輸出電路、鍵盤輸入電路以及相應的控制電路等。在詳細了解各個功能所需的支持電路后,本研究就可以對照設備內部實際模塊電路對其進行功能劃分。

第二步,根據前面分析得出的功能電路,對電臺的電路區域進行劃分。首先,本研究將接收通道視為一個獨立的模塊,以話音通信為例。接收信號是從空中電磁波信號(即載波)中提取出有用的話音信號。在此過程中,天線從空中感應的載波信號為接收通道的輸入信號,揚聲器輸出的話音信號為接收通道的輸出信號。根據設備資料,接收通道的天線接口單元用于感應空中電磁波,諧波濾波單元用于濾除不需要的頻率信號,信道單元提取出需要的頻率點并進行下變頻,主控單元用于解調出話音信號,前面板單元將話音信號放大并驅動揚聲器播放話音,以便操作人員收聽。相反,發射信號是將有用的話音信號加載到載波信號上并發射到空中。在發射過程中,麥克風采集的話音信號為發射通道的輸入信號,天線向外發射的載波信號為發射通道的輸出信號。根據設備資料,發射通道的天線接口單元用于連接天線并將電磁信號發送到空中,諧波濾波單元用于濾除不需要的頻率信號,功率放大單元用于將指定頻率的已調載波信號進行放大以達到足夠的功率向外輻射,信道單元將已調載波上變頻到指定的頻率上,主控單元將話音信號加載(調制)到載波上,前面板單元采集話音信號。根據上述分析,該電臺的接收通道包括天線接口單元、諧波濾波單元、信道單元、主控單元和前面板單元。發射通道包括天線接口單元、諧波濾波單元、功率放大單元、信道單元、主控單元和前面板單元。其中,天線接口單元、諧波濾波單元、信道單元和前面板單元是收發共用的通道。由于電臺一般為半雙工工作模式,所以該電臺的接收和發送不能同時工作。因此,該電臺的接收和發射部分工作狀態切換需要有相應的控制電路。查詢資料得知,該電臺在正常情況下處于接收狀態,當操作人員按下話柄上的PTT按鍵后,電臺才從接收狀態轉換為發射狀態,發射通道開始工作。通過對各部分電路的劃分,本研究已經基本了解了各部分電路在整機中完成的功能。接下來可以對全部或部分電路進行工作條件分析檢查。

第三步,對需要重點分析電路的工作條件進行確定和分析。根據故障現象,電臺開機后處于常發狀態且能正常發射信號。能正常發射信號說明發射通道的所有功能模塊正常,但是長期處于發射狀態,可以初步判定為控制電路出現故障,導致設備處于長發狀態。此時可將收發轉換控制電路作為入手點對設備進行檢查。通過查詢設備資料,該設備的收發轉換電路由主控單元檢測操作人員按鍵后發出的PTT信號控制。由于發射狀態時設備能正常工作,說明所有單元的控制電路均啟動,可以確定控制信號是由主控單元整體發出導致所有單元均轉為發射狀態,所以重點檢查主控單元PTT信號發出電路。對于收發轉換而言,電臺主控單元和面板單元提供了控制信號的通道。對于控制通道而言,操作人員按下PTT按鍵的動作就是需要傳輸的信息,按下PTT按鍵就是輸入信號,PTT控制信號就是輸出信號。根據五步法維修原則,將完成控制功能的控制通道視作一個模塊;首先查詢該模塊資料,該模塊是由一塊單片機芯片和內部軟件以及相應的支持電路比如電源、時鐘、數據等組成;然后測量該控制通道的工作條件以及輸入輸出信號。

第四步,使用儀表對電路的工作條件和交流信號進行測量。首先,對芯片的各項工作條件進行了測試,結果顯示供電、時鐘以及數據信息均正常。然后,本研究繼續測試了PTT控制信號產生電路的輸入輸出信號。根據原理分析,PTT控制信號是在用戶按鍵動作后,由控制芯片內部產生的一個高電平信號。正常情況下,按鍵檢測信號的電平應隨話柄的按下和放開而變化。然而,在測量時發現按鍵檢測信號并未隨話柄的狀態改變,這表明某個元件故障導致了PTT檢測信號被鎖死。為了進一步診斷問題,本研究將PTT控制通道視作一個獨立模塊,重復了前述的測試步驟。結果顯示,雖然模塊的工作條件正常,但其輸入信號不正常,這使得本研究懷疑是PTT控制通道的信號輸入端出現了問題。查閱相關資料后,本研究發現該按鍵檢測信號是由前面板單元的PTT檢測電路在檢測話柄插座XS1的第X號引腳狀態后產生的。PTT信號輸出至主控制單元。進一步分析前面板PTT檢測電路,本研究發現該電路由集成芯片74HC00及相應的供電電路組成。它的工作條件是+5 V供電。主要工作原理是檢測話柄插座XS1的第X號引腳(該引腳連接話柄上的按鍵開關)是否對GND(負極)短路。若短路,說明操作人員按下了按鍵,74HC00的6號引腳會輸出一個高電平;若未按下按鍵,6號引腳則會輸出一個低電平。根據上述原理,本研究對該PTT檢測電路的工作條件進行了測量,發現供電電壓正常。然而,在未按下按鍵時,該電路的輸入信號與GND的阻值為0(應當為無窮大)。這正好驗證了該故障現象。因此,本研究得出結論:該電路的輸入端與GND短路正是引起整機常發的故障原因。

第五步,重復上述步驟,對故障部位進行判定。經過多次查詢測量該PTT檢測電路的輸入端,發現該集成芯片74HC00的2號引腳內部短路導致了整機處于常發狀態,更換該集成芯片后故障排除。

在案例中,設備故障現象比較常見。根據五步維修原則,本研究首先確定了設備的主要功能是信息的接收和發送。為了支持這兩個核心功能,設備中還包含了許多輔助功能電路。這些輔助功能既可以看作是兩個核心功能的工作條件,也可以單獨劃分出來作為單獨的模塊。在明確了大部分電路的功能后,結合故障現象和設備的特性,本研究以收發通道切換電路為入手點,對故障進行了分析。發現收發轉換控制電路不正常,初步判定故障原因。本研究將收發轉換控制電路假設為一個單獨的功能模塊,再次運用維修原則,確定該電路的核心功能是將操作人員的按鍵操作轉換為電臺的收發轉換控制信號。通過對該電路的工作條件和通道信號進行測試,發現由于芯片故障導致電路錯誤地識別為人員按鍵操作,從而造成了該故障現象。經過反復對電路進行逐漸劃分、壓縮和測量分析,本研究最終排除了故障。綜上所述,通過運用五步維修原則,本研究能夠快速、準確地確定設備故障的原因,從而有效地排除故障。這展示了五步維修原則在設備維修中的重要性和實用性。

3 方法總結

五步維修法對于新手或新接觸陌生設備的維修效果非常顯著,它可以幫助新手更好地理解和解決故障問題。對于熟悉的設備,結合相關的維修經驗和故障分析,五步維修法同樣能夠有效地提高故障排除的效率。在運用五步維修法時,應注意以下幾點。

3.1 功能查詢的完整性

查詢功能步驟是五步維修法的核心步驟。在維修過程中,本研究假定的模塊對象可能分別是整機、完整的功能模塊或某個單元電路。然而,無論對象是什么,本研究在查詢其功能時必須盡可能地全面和詳細。對對象功能的充分了解將極大地有助于后續的故障分析和判斷。

3.2 區域分割的模糊性

區域分割主要是在已知模塊功能的前提下進行的。由于現代設備功能復雜,為了實現某些功能或達到規定的性能指標,會在設備中添加許多輔助功能電路或元器件,而且某些電路或元件可能在多個電路中同時起作用。在進行電路區域分割時,每個器件的區域歸屬的劃分不必過于嚴格,應時刻以模塊輸入輸出信號流向為主導,重點明確核心元件的位置,確保對模塊輸入信號和輸出信號之間的主要通路有清晰的理解。

3.3 工作條件的準確性

模塊的主要目的是實現某種特定功能,而工作條件則是模塊運行的前提。在設備維修過程中,確定功能是維修工作的理論前提,而工作條件的判定則是實際操作的第一步。工作條件的準確性對后續的故障判定有著直接的影響。在確定模塊功能后,對模塊的工作條件進行檢查時,必須準確查清所有工作條件,以防止遺漏。

3.4 通道信號的動態性

信號是設備或模塊需要處理的實際物理量,設備或模塊在不斷對信號進行處理的過程中形成了信號通道。在實際維修過程中,由于信號在傳輸(電信號的變化)的過程中會不斷發生變化,因此在判定工作條件正常后,需要詳細分析模塊對信號的處理過程,然后測量各點的信號并與分析結果(或同型號正常設備)進行對比,找出引起差異的原因,最終確定故障。

4 結語

現代電子設備的功能日趨復雜,更新速度日新月異,對電子系統的依賴程度也越來越高。機械設備與電子系統的融合度也越來越深,這給維修工作帶來了新的挑戰。作者總結的五步維修法則是多年維修經驗的結晶。在實際維修過程中,作者運用該方法成功完成了大量陌生電子設備的故障排除,不僅為設備維修工作帶來了便利,同時也提升了自己的維修能力。本文旨在為新入行的同行提供一個快速上手的引導,僅供參考和借鑒。