数字电路实训中故障排除方法研究

铁岭师范高等专科学校理工学院 习大力

在数字电路的实践技能训练中出现各种电路故障是不可避免的，而对于一个缺乏理论水平和实践经验的学生来说，排除故障往往感到困难，不知从何入手。因此，通过实践技能训练培养学生逐步学会分析、检查和排除故障的方法，成为学生顺利完成实践训练任务的重要一环，也是实践技能训练能否成功的关键。研究和分析常见故障及其产生原因，掌握数字电路实训中故障排除方法是十分必要的。

一、常见故障

1.永久故障

这类故障一旦产生就会永久保持下去，只有通过人为修复后，故障才会排除。绝大多数静态故障属于这一类。

（1）固体电平故障

固体电平故障是指某一点电平始终为一个固定电平的故障，如接地故障，这时故障点的逻辑电平固定在0上。又如电路某一点和电源短路，这时故障点的逻辑电平固定在1（电源电压）上。这类故障在没有排除前，故障点的逻辑电平不会恢复到正常值。

（2）固定开路故障

固定开路故障是一种在CMOS电路中经常出现的故障，如CMOS门电路某个输入管栅极引线断开或外引线未和其它路连通而悬空，这时CMOS门电路的输出端处于高阻状态，这类故障称为开路故障。由于CMOS门电路输入和输出电阻非常大，因此，门电路输出和下级门电路间的分布电容对电荷的存储效应使输出电平在一定时间内会保持不变。

（3）桥接故障

桥接故障是由两根或多根信号相互短路造成的，裸线部分过长，或印制电路焊接不注意时容易引起这类故障。桥接故障主要有两种类型：一种为输入信号线之间桥接造成的输入端桥接故障，另一为输出端与输入端连在一起形成的反馈桥接故障。桥接故障会改变原有电路的逻辑功能。

2.间歇故障

这类故障具有偶发的特点，出现故障的瞬间会造成电路功能错误，故障消失后，功能又恢复正常。它的表现形式为时有时无。对于引线松动、虚焊引起的间歇故障需修理加已排除；对于电磁干扰引起的间歇故障需加以屏蔽防范[1]。

二、产生故障的主要原因

1.安装布线不当

当布线和集成电路芯片安置不合理时容易引起干扰。在安装中断线、桥接、漏线、插错电子元器件、闲置输入端处理不当、使能端信号加错或未加等都会造成故障。

2.接触不良

接触不良是实践训练中最容易出现的故障，如接插件松动、虚焊、接点氧化等。这类故障的表现为信号时有时无，带有一定的偶发性。减少这类故障的办法是选用质量好的接插件，从工艺上保证焊接质量。

3.设计时未考虑集成电路的参数和工作条件

（1）集成电路负载能力差

如一个普通与非门输出低电平时最多允许带10个同类门电路。而实际上所带门电路个数超过这个允许值时，会使输出低电平迅速升高而破坏电路的原有功能，使系统不能正常工作。输出高电平时带外接负载也存在同样的问题。这些都是不允许的。这时应选用负载能力更强的集成电路。

（2）集成电路工作速度低

一个集成电路当输入一组信号时，经过电路内部延时在输出端得到稳定的输出后，才能输入第二组信号。如集成电路工作速度低，内部延时过长后，则在输入脉冲频率较高时，在输出端会产生输出不稳定的故障。要查出这种故障是比较困难的，因此，在进行逻辑设计时，应选用比实际工作速度更高的集成电路。

（3）半导体器件热稳定性差

半导体器件的特性受温度的影响较大，主要表现为开机时设备工作正常，而经过一段时间后，随着机箱内温度的升高工作出现问题，关机冷却一段时间后再开机，又能正常工作。反之，当机内温度较低时出现故障，而温度升高后设备工作正常，这些都属于热稳定性差引起的故障。这种情况在分立元件为主的设备中表现更为突出。解决的办法是设计时应选用热稳定性好的电子元器件。

三、数字电路实训中故障排除方法

1.直观检查

直观检查包括线路连接检查和集成器件的连接检查。在数字电路的技能训练中，线路接错引起的故障占有很大的比例，有时还会损坏器件。为了避免和减少此类故障，应在技能训练前画出正确的安装接线图。如发现电路有损坏时，应对照安装接线图检查电路的接线有无漏线、断线和错线。特别要注意检查电源线和地线的接线是否正确。在集成器件的连接检查中首先检查集成器件插的方向和外引线与其它电路的连接是否正确，是否有不允许悬空的输入端未接入电路，如TTL电路的控制端、CMOS电路的输入端等，其次用手摸一下集成器件和其它元件有无异常发热现象。

2.测量电阻、电容等分立器件

首先关闭电源，用万用表“欧姆*10”档测量电源线与地线端之间的电阻值，以排除电源输出端与地线端之间出现短路或开路现象。然后检查元器件，应将被检查元器件的一端断开后再使用万用表测试检查，以判断被测元器件是否失效。在检查电解电容器时，为避免损坏万用表，应先用导线将电解电容的正端对地短路，泄放掉电容器中的存储电荷后，再检查电容是否被击穿或漏电是否严重。

3.静态测试

静态测试检查主要包括电源电压测试和电路测试。电源电压测试即用万用表测量电源输出电压是否符合要求，同时检查集成电路外引线的电源端和地线端的电压是否符合要求。进行电路测试时，要使电路处于某一输入状态，根据真值表的要求，测量电路的功能是否正确。如发现问题，必须重复测试，然后使电路固定在某一故障状态下，再用万用表测量电路各器件的输入电压和输出电压的逻辑关系是否符合要求，从而确定故障点。例如对于TTL电路，其输入和输出电压的正常范围见表1。从而可判断出故障的所在位置。

表1 TTL电路静态工作时各外引出的电压值

4.逐级跟踪检查

在输入端输入周期性的信号，然后按信号流向从输入端到输出端逐级检查各级输入和输出波形是否正常，直到找出故障位置为止。如发现某一级的输出波形不正确或没有输出时，则故障就发生在该级或下级电路，这时，可将级间连线或耦合电路断开，进行单独测试。如断开后，该级电路工作正常，这说明故障出在下级输入电路；如断开后，下级电路工作正常，则说明故障出在该级的输出电路。

5.断开反馈线路检查

对于有反馈线的闭合电路，必要时可断开反馈线检查各级工作是否正常，再判断故障点或进行状态预置后再检查故障。

6.部件替代

对于有多个与输入端的集成器件，如在实际使用中有多余输入端时，则可换用其余输入端进行试验，以判断原输入端是否有问题。如怀疑集成器件有问题时，则可用同型号的集成器件替换，并测试电路的功能是否正确。如替换后工作恢复正常，则说明原器件有问题。

7.改变输入状态观察输出状态

无论集成电路输入信号如何变化，输出一直保持高电平不变，原因可能是集成电路的地线接触不良或未接地线；如输出信号的变化规律和输入的相同，则可能是集成电路未加上电源电压或电源线接触不良所致。对于JK触发器，如果出现在时钟脉冲作用下，不论J、K端的输入信号如何变化，电路始终处于计数状态这一现象，有可能是J、K端漏接线或者接触不良或者是断线故障[2]。

8.合理安排高频电路的布线

布线时尽量缩短连线长度；输出线不要和输入线靠得太近，输出线和输入线也不要和时钟脉冲靠得太近。减小电源内阻，加粗电源输出线和地线，尽可能地将电源线和地线夹在相邻输入和输出信号之间，这样可起到屏蔽作用。驱动多路同步电路的时钟脉冲线，各路信号延迟的时间尽量接近。

9.设置去耦电路

为了防止TTL电路工作时产生的电源尖峰脉冲电流通过电源耦合影响电路的正常工作，应采用去耦电路。通过每隔6-8个门，设置一个高频和低频去耦电路，小电容一般为0.01-0.1uF，大电容一般为10-22uF。对于功率门电路，则应单独设置电源去耦电路[3]。

10.防止CMOS电路的锁定效应

锁定效应是指当CMOS电路工作在较高电源电压VDD，或输入、输出信号由于电路上的原因而大于VDD或小于VSS时，这时可能出现锁定效应，这是CMOS电路特有的一种失效模式。为了防止这种情况出现，应采取如下措施：注意加强电源的去耦，加粗电源线和地线；在不影响电路正常工作时，降低电源电压VDD；在不影响电路正常工作速度的情况下，使电源提供的电流小于锁定电流；对输入信号进行钳位。

本文总结列举的都是实践技能训练中分析和排除故障的必要的方法，这些故障是数字电路中的薄弱环节，是查找故障时的重点怀疑对象。但是，电路的任何部分发生故障都会导致电路不能正常工作，实践技能训练无法进行下去。在电子设备整机调试过程中，应该按照排除故障的程序，采取从电路分立器件到电路单元再到整个电路，根据电路原理熟练应用数字电路故障排除方法进行分段检测，使故障局限在某一部分之中然后进行详细的排查，最后对电路故障加以排除。

[1]朱大奇.电子设备故障诊断原理与实践[M].北京:电子工业出版社,2004:88-116.

[2]魏冲,祝益芳,王海军.浅议数字电路故障的特点及诊断技术[J].计算机工程应用技术,2010(8):135-136.

[3]沈艳猛.试述数字电路的故障及其诊断[J].黑龙江科技信息,2011(4):10-11.