基准频率源模块数字基准信号无输出故障诊断研究

谭钢 李旋

摘要：基准频率源模块是综合化电子系统的重要组成部分，其主要作用是为系统内部功能模块提供统一基准频率，出现故障后需要快速准确地进行故障诊断，文章针对某型基准频率源模块高温下数字基准信号无输出故障，结合模块工作机理，采用故障树分析法，建立故障树并对故障进行诊断分析，通过列举导致故障发生的底事件，再逐一排除，最后针对性地分析故障底事件的产生机理，提出有效的解决措施。

关键词：基准频率源；故障树；故障诊断

中图分类号： V26    文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）31-0115-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

近年来，随着微电子技术的高速发展和软件无线电技术的广泛应用，航空电子系统采取综合化、模块化设计思路，将原来独立的各个功能机载装备集成为多功能的综合化电子系统。综合化电子系统中为了优化了系统内的频率关系，避免多频率源带来的复杂组合干扰，对系统频率源也进行了集成设计，即全系统采用统一基准源，实现各功能射频信道模块频率源的综合使用，有利于系统内各项功能的自兼容工作，同时提高系统的可靠性、稳定性。文中所述基准频率源模块就是针对以上需求进行研制，配套于某综合化航电设备，为系统产生统一的高精度基准时钟，是该系统的重要组成模块[1]。但是由于模块集成度高，技术复杂，因此需要一种系统性的科学方法来指导技术人员在发生故障后及时进行分析排查，迅速定位故障电路。

故障树分析[2] （Fault Tree Analysis，简称FTA）是目前工业技术行业广泛使用的一种质量问题排查方法。FTA采用自顶向下的演绎式失效分析方法，利用布尔逻辑组合低阶事件，分析系统中不希望出现的状态。本文结合基准频率源模块工作原理，在一例基准频率源模块数字基准输出失效故障排查过程中使用FTA方法，将模块数字基准输出失效故障作为顶事件，将直接或间接导致顶事件发生的因素作为中间事件，将最基本的故障原因作为底事件，通过逻辑门将顶事件、中间事件和底事件连接起来，形成一个故障分析树状图，从顶事件出发，由上而下分析，实现对故障的快速定位[3]。

1 故障现象

某型号基准频率源模块在系统使用过程中发现高温70℃工作条件下，数字基准信号无输出，模块无法正常工作，需要进行故障排查。

2 模块工作原理

基准源模块数字基准信号产生工作原理框图见图1所示。

基准源模块从电路功能上包括电源模块、时钟控制板、模拟基准源电路、数字基准源电路。模拟基准源包括100MHz、32.XMHz和14.XMHz晶振及相应的控制电路。基准频率源模块产生多路100MHz数字基准信号、32.XMHz数字信号和14.XMHz数字信号供系统其他功能模块使用。

电源模块将输入的+28V模拟电源转换为内部使用的模拟电源和数字电源，分别供内部的晶振和数字电路使用。内部使用数字电源电路稳压为3.3V和1.2V供数字电路使用。

模拟基准源电路包括2个恒温晶振、频率预置电路等。同时采用射频开关控制电路和备份晶振共用输出电路，实现主备切换。在主晶振输出端采用射频信号检波，来确定主晶振的信号功率状态，实现在主晶振故障时内部自动切换至备晶振。

32.XMHz主备晶振也和100MHz晶振类似，通过射频开关电路选择主备输出，利用控制板上的转换芯片，转换为BLVDS信号。对32.XMHz主晶振射频信号功率检波，检测状态，实现在主晶振故障时内部自动切换至备晶振。

14.XMHz晶振直接输出到控制板上，作为数字驱动输出，输出数字时钟信号。

控制板主要实现数字时钟驱动输出，实现对32.XMH和100MHz主备晶振的切换控制，和外部通过CAN/LVDS接口进行通信，通过外部离散线对模块内部状态进行上报、对14.XMHz、32.XM的电源进行控制，以适合不同的工作模式[4]。

3 故障分析定位

3.1 建立故障树

首先根據故障现象及工作原理建立板级故障树如图2所示。

3.2 问题排查

3.2.1 X1.1模式排查

时钟控制板的供电原理框图如图3所示。时钟控制板供电依靠外部输入的数字5V电源供电，输入后经过时钟控制板电源电路分别产生3.3V及1.2V电源供后级使用。根据供电原理引出 3.3V输出（测试点1） 、1.2V输出（测试点2） 两个测试点。

引出测试点后，对故障件进行常温测试，测试点1测得电压3.29V，测试点2测得电压1.21V，此时模块数字基准信号正常输出。之后对故障件进行高温工作测试，在高温70℃的条件下加电工作，十余秒后故障复现。此时对测试点进行电压测试，测试点1测得电压1.60V，测试点2测得电压0.98V。可以看到，数字5V电源经过控制板电源电路后本应输出3.3V处测得电压1.6V，本应输出1.2V处测得电压0.98V，导致后续电路电压不足，不能正常工作。

3.2.2 X1.2模式、X2.1模式排查

根据前述排查，时钟控制板供电电路高温下存在故障，故排查其余故障模式时需要外接电源进行排查。在3.3V输出及1.2V输出处分别外接3.3V和1.2V电源，进行高温工作测试。在高温70℃条件下，在3.3V输出及1.2V输出处分别外接3.3V和1.2V电源，连续进行高温工作1小时，数字基准信号输出正常。说明时钟控制板转换电路与基准信号产生模块工作正常，X1.2故障模式与X2.1故障模式可以排除。

根据上述排查情况，无法排除X1.1故障模式，即时钟控制板供电故障引起数字基准信号无输出，需要对故障件控制板供电电路进行进一步排查。

3.3 时钟控制板电源电路工作原理概述

通过排查，时钟控制板供电故障引起数字基准信号无输出的故障模式无法排除。时钟控制板的电源部分是由CRM连接器提供5V电压源，在时钟控制板上串联保险丝和二极管的防反保护后给到LDO电源芯片，经LDO电源芯片转换后输出给各级电路[5]。该部分设计示意图见图4。因此，判断时钟控制板电源部分的工作状态，即判断上述三个器件的工作状态是否正常。其中保险丝与二极管构成防反接与过流保护电路，LDO提供电压转换功能。通过对时钟控制板电源电路设计示意图进行分析，确定采取将电源各级信号飞线引出以定位故障，具体飞线信号位置见示意图。

3.4 时钟控制板故障树及诊断分析

针对高温工作时，时钟控制板电源电路的故障为顶事件形成故障树，再依据故障树对每一底事件进行排查，其故障树如图 5所示。

1） X1.1.1  CRM连接器高温供电异常事件分析

高温情况下上电后进行持续拷机，期间故障复现时，使用万用表测试图4中所示测试飞线1上的电压，实测电压为4.89V。CRM连接器后电压正常范围为4.5～5.5V，实测电压在正常范围内，说明CRM连接器在高温条件下供电正常，且电压满足供电电压要求。因此，X1.1.1故障模式可以被排除。

2） X1.1.2  保险丝高温工作异常事件分析

故障复现时使用万用表测试图4中所示测试飞线2上的电压，实测电压为2.0V。保险丝后电压正常范围为4.4～5.4V，实测结果明显不满足最低电压要求。此时进一步测试图4中所示测试飞线3、4、5处的电压，结果分别为1.66V，1.57V，0.96V，测试电压均不满足供电电压的要求。

实测电源通过保险丝后电压降低了2.89V，怀疑此时保险丝内阻异常增大，电流通过后产生了压降。于是关电后对该保险丝阻抗进行测试，测得阻抗为3.6Ω，查器件资料得知该保险丝正常阻抗应在0.035～0.23Ω之间。可以判断该保险丝在高温工作中阻抗异常增大，电流通过保险丝后由于其内阻增大发热更高，使得保险丝内部高分子材料在更低温度下开始膨胀。在高温工作条件下等效为在电源通路上串联了一个电阻，电流通过后产生了压降，导致外部电源通过保险丝后的电压远低于正常设计电压范围，导致时钟控制板电源电路输出不满足数字信号转换电路要求。最终引起基准源模块高温工作条件下数字基准信号无输出[6]。因此，X1.1.2故障模式不能被排除。

3） X1.1.3  二极管高温工作异常事件分析

由于时钟控制板电源电路上器件为串联顺序连接，前级出错则后级无法判断正常，须先解决前级保险丝问题后再进行测试。将保险丝位置更换为2512封装1毫欧电阻（精度1%） 继续进行测试。在与之前测试条件一致后，使用万用表测试图4中所示测试飞线3上的电压，实测电压为4.52V。二极管后电压正常范围为3.8～4.9V，测试结果满足设计要求。因此，X1.1.3故障模式可以被排除。

4） X1.1.4  LDO电源芯片高温工作异常事件分析

在X1.1.3底事件测试基础上使用万用表对图4中所示测试飞线4、5上的电压进行测试，实测电压分别为3.28V和1.21V，电压符合理论输出指标。因此，X1.1.4故障模式可以被排除。

3.5 故障机理分析及定位结论

3.5.1 机理分析

如前文所述，故障定位在保险丝高温工作异常，将故障保险丝取下进行分析，发现测试保险丝相比同批次良品内阻偏大。导致样品阻值增大的可能原因有故障保险丝的端电极与内电极之间存在连接不良以及样品的电阻体本体的阻值增大。

通过专业机构对故障保险丝进行外观与CT检查，结果显示故障保险丝的端电极和内电极之间未见连接不良；进而对故障保险丝进行电参数测试，结果显示内电极之间的阻值明显增大，而端电极与内电极之间的连接正常。

就故障样品测试情况来看，内电极之间的阻值明显增大，根据该保险丝工作原理可知在内阻增大时，发热更高，导致高分子材料在更低温度下膨胀，导电通道更快断开，额定电流规格降低。引起保险丝本体内阻增大的原因最大可能是高分子材料老化导致。

3.5.2 故障结论及处理措施

通过以上两级故障树的排查和分析，基准源模块中时钟控制板选用的自恢复保险丝（SMD2920B150TF） 存在高温下阻抗异常增大，造成+5V电源经过保险丝后电压下降，不满足时钟控制板的工作电压要求，导致控制板高温工作状态异常，最终导致基准源模块数字基准信號无输出。

完成故障定位后需要制定处理措施，经过复查时钟控制板的电源电路，外部+5V电源输入后，依次经过保险丝、防反接二极管及LDO电源芯片，最终输出电源电压信号。其中保险丝的设计作用为当模块内部短路时，保险丝熔断隔离整机电源，从而保护整机电源不受影响；而LDO电源芯片内部存在过流保护功能，当模块内部发生短路时会自动切断输入电源与输出电源的通路，进而保护输入电源不受影响。所以最终处理措施为将故障保险丝取下，在原焊盘处焊接2512封装1毫欧电阻（精度1%） 进行连接，更换后在高温70℃的条件下[7]，连续进行高温工作1小时，数字基准信号输出正常。

4 结束语

这是一起典型的器件失效引起的模块故障，通过建立两级故障树快速进行故障分析，定位了故障电路和失效器件，完成了故障排查，并制定了有效的整改措施，通过了高温试验验证，运用故障树分析提高了故障排查和系统维护的工作效率。

参考文献：

[1] 温国谊.频率合成源的分析与实现技术的研究[D].西安：西安电子科技大学，2008.

[2] 孙娇燕，李森.锁相与频率合成技术[M].大连：大连海事大学出版社，2009.

[3] 柯铭铭，路平.故障树在无人机发射机故障诊断中的应用[J].现代电子技术，2011，34（19）：18-20.

[4] 顾宝良.通信电子线路[M].北京：电子工业出版社，2013.

[5] 李智群，王志功.射频集成电路与系统[M].北京：科学出版社，2008.

[6] 魏选平，卞树檀.故障树分析法及其应用[J].电子产品可靠性与环境试验，2004，22（3）：43-45.

[7] 卢昆祥.电子设备系统可靠性设计与试验技术指南[M].天津：天津大学出版社，2011.

【通联编辑：梁书】