电子电路故障诊断

席安和，方 辉

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009)

0 前言

所谓电子电路故障诊断技术就是根据对电子电路的可及节点或端口直接测量的信息，推断该系统所处的状态，确定故障元件部位和预测故障的发生，判别电子产品的好坏和给出必要的维修方案[1]。国内许多军用电子产品的故障诊断基本上就是依靠一些测试仪表，按照跟踪信号逐点寻迹的思路，借助工作者的逻辑判断来判定系统中的故障所在。在此结合实例介绍故障诊断方法的运用并运用软件模拟故障电路，这种“传统”和“软件仿真”相结合的故障诊断方法对于诊断模拟电路故障十分有效。

1 电子电路故障分类

电子电路故障可以按不同原则分类。按故障的程度分成软故障和硬故障。软故障又称为渐变故障或部分故障，指元件参数超出容差范围而造成的故障。硬故障又称为突变故障，这类故障往往引起电路功能丧失、直流电平剧变等[1-2]。按故障存在的时间分为永久性和间歇性故障。永久性故障是指一旦出现就长期存在的故障，任何时刻进行检测均可检测到。间歇性故障是指故障有时出现有时又消失，或在一定的条件下故障才出现。

2 电子电路故障通用诊断方法

电子电路故障诊断的基本过程可分为三个主要步骤：故障症状分析、确定故障范围、查找故障电路并确定故障器件。

2.1 故障症状分析

首先应知道正常产品如何工作，从而当产品工作异常时能够识别出来[2]。简而言之，故障症状分析就是确定产品出现故障的过程。

2.2 确定故障范围

大多数电子产品都可以分为若干单元，每一单元都有确定的功能。确定故障范围就是确定故障实际出现在哪个功能块。

电路原理图给出电子产品中所有部件及其功能关系。印刷电路板元件布置图给出电子元件间的实际关系。确定故障范围时，可以按以下步骤进行。

（1）外观检查。

判断故障位置的第一步是查看产品。检查失效或变色的元件，断裂的印刷线，冷焊点，发出异常气味的变压器，腐蚀现象，过热的元件和漏电的电解电容器。

（2）电源状态和静止状态。

电源状态的检查应针对工作在正常负荷下的所有电源。

（3）故障电路分割。

分割技术是利用方框图或电路原理图把故障确定到某一功能区。分割技术应从寻找合适的分割点入手，在方框图或电路原理图上确定正确输入点和不正确输出点。

2.3 查找故障电路

故障诊断的前两步提供了初步的故障症状信息和查找可能产生故障的功能块的基本方法。

（1）查找故障电路时方框图的应用。

方框图是查找故障的一个方便工具。能识别电路组和单元电路，则诊断工作就会变得容易。一般而言，无论怎样对产品进行排列，总是要寻找三个主要信息：信号路径、信号特征和沿信号路径各电路的调节和控制装置。

（2）电路测试的主要方法。

①从后向前法。

从后向前法就是在进行动态测量时从输出部分着手，如图1所示，随后向输入端方向进行检查，直到发现正确的信号，这时下一级电路就可能是有故障的电路。

图1 从后向前法示意

②一半分开法。

一半分开法是指在一个有许多级的复杂电路的中点处检查其输出，并依次在每次余下的电路级的中点处进行检查。

③断开环路法。

断开反馈环路，检查整个电路的变化是否有适当的响应。

④隔离法。

复杂系统一般都是由逻辑子系统设计而成的，整个系统可能太复杂而不能立即确定故障，但是每个子系统通常可以独立采用前述方法之一来检查。当发现有故障的子系统后，该子系统又可以采用前述方法来查找具体的故障。

⑤与已知的正常电路比较法。

为了识别错误的输出，将它与能正常工作的电路输出进行比较以决定产品是否完好。

3 运用软件仿真的故障诊断

软件仿真的故障诊断就是运用电子电路仿真软件建立故障模型，将故障电路观测点的输出结果与多个故障模型仿真结果进行比对，筛选出与故障电路结果相近的故障模型，通过故障模型来确定故障器件。常用仿真软件有 Pspice、Protel、Multisim、Saber等。

4 故障诊断实例

以一个故障为例，介绍如何综合运用通用故障诊断方法和软件仿真故障诊断方法来确定故障器件。

4.1 故障现象

某电子部件在低温测试时没有输出指令信号。

4.2 故障诊断

出现故障后首先确定故障是发生在测试设备还在产品。

按如图2所示流程查找故障：该故障电子部件在常温测试时合格，低温测试不合格，并且其他产品的测试结果均合格，所以排除测试台有问题。

经检查，没有发现多余物，器件之间没有桥接，器件焊接正确，没有器件损坏现象。

由此可判断电子部件中某个器件在低温下失效。该电子部件由七个部分组成：供电单元；信号放大器；A信号形成电路；B信号形成电路；C信号形成电路；D信号形成电路；功率放大器。指令信号形成过程如图3所示。

通过测量得知电源正常。接下来应用“从后向前法”“与已知的正常电路比较法”进行故障排查，如图4所示，测得②、⑤、⑥、⑦处信号正确，①、③、④处信号不正确。由此可以判定B信号形成电路有故障。

图2 故障查找流程

图3 指令形成过程

图4 故障查找示意

B信号形成电路如图5所示。

B信号形成电路分析：当X=0时，三极管V5截止，场效应管VF4导通，运放管IC14为反相运算放大器，运放管IC12为跟随器，于是B点的电位等于VD4+处的电位，由此得式（1）

图5 B信号形成电路

将 R63、R64、R65代入式（1）计算得 UVD4＋=19.29 V，即B点电平近似为19.29 V。

当X=1 时，V5导通，VF4截止，IC14为比较器，输出 23 V，VD4截止，电容充电，B 处电位由 R67、R68决定，即

将 R67、R68代入式（2）计算得 UB=16.67 V。

对B信号的形成电路应用“从后向前法”“与已知的正常电路比较法”进行故障排查。如图5所示，从B信号形成电路的信号输出端向前进行检查，在低温下测得：VF4-g上信号正确，VD4-、VD4＋、VF4-s、VF4-d信号不正确。可初步判断故障器件为VF4、VD4、C9、IC14及与它们连接的一些电阻。

关键信号分析：正常时，场效应管VF4-g由高电平变为低电平时，VF4-s、VF4-d的电平相应地分别变高、变低；当X持续为高电平时，VD4＋电位高于VD4-的电位。这次故障中VF4-s、VF4-d的电平不随VF4-g的电平变化而变化；当X持续为低电平时，VD4＋电位低于VD4-的电位。

从信号特征来看是场效应管两极VF4-s、VF4-d导通了，造成VF4-s和VF4-d导通的原因有以下四种：①VF4内部发生故障；②VD4与IC14同时发生故障；③C9发生故障；④电阻R62发生故障。

经测量可知VD4、R62无故障，原因②、④排除，仅需考虑①、③两种情况，接下来用软件针对这两种情况建立故障模型。

4.3 建立故障模型及结果分析

（1）故障模型1。

假设是VF4在低温下失效：VF4-s、VF4-d两极在低温下直接导通。用软件进行故障仿真：用短接线将VF4-s、VF4-d连接（见图6），仿真结果如图7所示。

由图7可知，VF4-s和VF4-d的电平与实际故障时接近，但是VD4＋和VD4-的电平与故障时相差很大。可以判定故障不是因VF4-s、VF4-d两极直接导通引起的。

（2）故障模型2。

假设是C9发生故障，即该电容在低温下呈低阻性，并且R62不是很大，所以相当于VF4-s、VF4-d两极导通了。用软件进行故障仿真：用短接线将C9两端短接（见图8），仿真结果如图9所示。

图6 故障模型1电路

图7 故障模型1仿真结果

图8 故障模型2电路

图9 故障模型2仿真结果

从图 9 可知，VF4-s、VF4-d、VD4＋、VD4-的电平与故障中实际电平非常接近。可以判定本次故障是电路中的电容C9在低温下失效引起的，更换该电容后故障消除。

5 结论

电子故障诊断是一项十分复杂困难的工作，需要灵活运用多种诊断方法。通用诊断方法能快速将故障定位到单元电路；软件仿真故障诊断方法能减少直接在产品上的操作，尤其是在根据理论和经验无法判定具体故障器件时可以运用软件建立故障模型来实现准确判定故障器件。综合应用通用诊断方法和软件仿真故障诊断方法能实现不拆卸或更换器件而迅速判定具体故障器件。

[1]高泽涵.电子电路故障诊断技术[M].陕西：西安电子科技大学出版社，2001.

[2]朱大奇.航空电子设备故障诊断技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2005.