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浅析数字电路故障的检测和诊断 数字电路基础

发布时间:2019-02-21 04:42:39 影响了:

  摘要:本文充分结合数字电路的基本特点,对其故障特征及其诊断进行了介绍,并重点分析了数字电路故障的检测技术和排除办法,以及故障诊断的过程和相关技术。   关键词:数字电路 故障检测 诊断
  中图分类号:TP331 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2012)01-0162-01
  
  做好电路的故障诊断对于数字电路的设计与生产过程意义重大,其对于有效修复芯片模板上存在的缺陷,对故障冗余系统进行重置,改进生产工艺,科学分析故障检测方法最终取得的效果等方面都具有积极意义。目前,应用过去的常规仪表以及人工分析方法已很难适应时代发展需求。这就需要我们认真分析数字电路故障的检测和诊断方法。
  1、数字电路的基本特点和故障特征
  数字信号的特点是在时间、数值方面均为离散的信号。能够对这些离散信号进行变换和处理的电路称为数字电路。在数字电路中表达信息的通常使用拥有两种状态的元器件来完成。电路单元相对十分简单。其中各个元器件参数值的相对较为分散。
  根据逻辑功能分类,数字电路有两种:组合逻辑电路以及时序逻辑电路。其中,组合逻辑电路主要组成部分是各类门电路,在电路的输入端与输出端无反馈连线。其在某一时间点的输出仅与该时间点上的输入信号存在关联,而同电路原来的输出状态不存在关联,这说明该电路缺少记忆功能。与组合逻辑电路不同,时序逻辑电路主要组成部分是具有存贮功能的触发器电路,其状态表达以及记忆方式主要通过该电路来实现和完成。
  数字电路故障的查找需要满足的首要条件是拥有理想的示波器以及信号源。理想状态下示波器频率要在10MHz以上,并且最好使用双踪示波器,以全面观察电路的输入波形、输出波形以及相位关系等。在故障查找过程中,根据需求逐项检测,在有效分析输出结果的同时,再进行动态测试,以使故障最小化。对于非周期性信号,需要使用逻辑分析仪以及相关辅助设备实现对各处状态的观察目的。
  在数字电路中,测试对象相对复杂,具体表现为以下几个方面:
  从电路的输入和输出变量上看,少则几十个,多则上百个,数量庞大;从电路的响应上看,其既有组合逻辑电路,更有较多的时序逻辑电路;从芯片结构上看,各类门电路和记忆元件与模拟集成电路相同,全部位于芯片之中。这就直接决定了无法直接对逻辑电平进行测量,更无法直观地观察电路的输入波形和输出波形。惟一的办法就是在芯片外部测量。为此,我们需要一套切实可行的测试方法,最终实现对电路故障的检测。
  2、数字电路故障检测的相关技术
  2.1 故障的隔离
  要想达到电路故障诊断的目的,必须先行对故障特征进行考察,最小化故障范围,从而实现故障的隔离。该过程对于故障的诊断十分关键。应用逻辑探头能够在故障检测中寻找到电路的关键信号。通常情况下,当电路信号彻底消失之后,使用逻辑探头能够在相互连接的信号路径上测试出已经消失的信号。并且,大部分逻辑探头上都拥有一个存储开关,其作用是能够对单个脉冲信号以及周期脉冲信号的整体活动情况进行全面检测。一旦发现信号,立即进行存储,之后再通过脉冲存储器的LED显示屏进行显示。通过逻辑探头对关键信号的查找功能,能够将故障确定在某一特定电路范围中。
  应用逻辑分析仪能够实现对可编程数字设备的故障特性进行检测。其能够实现对可编程系统中所有程度数据的传输情况进行全程观察,随时掌握任意地址数据。能够按照每次一步或者几步来执行,还能够立即移至可疑程序段。利用逻辑分析仪的作用能够缩小故障范围,到某一集成电路块或者固定电路单元之中。
  2.2 故障的定位与检测
  在查找故障源时,首先要将故障隔离于电路单元里,然而使用逻辑脉冲发生器、逻辑探头、电流跟踪器等设备,进一步分析确定电路故障引发的后果。对线上脉冲活动情况进行检查时,可以使用逻辑探头对输入信号以及所产生的输出信号进行检查。据此信息判断IC的工作情况。如果RAM或者ROM线上有时钟脉冲信号存在,且信号能够处于使能状态,意味着总线上有信号存在。在程序运行过程中,每条线上均会存在高电平与低电平之间的转换问题。我们使用逻辑探头就可以随时对对时钟信号、使能信号的输入情况做到了如指掌。
  当观察到数据线上有信号活动状态时,可以认定RAM或ROM良好。IC故障大都为突发性故障,因此不必进行信号时序的测量。通常可以根据脉冲活动是否存在就可确定IC工作情况正常与否。RAM或ROM如果存储数据不正确也会引发故障。
  3、数字电路的故障诊断
  相比而言,数字电路的故障诊断较容易,三态电路除外,其输入、输出仅有高、低电平两种状态。因此,故障诊断时,动态测试可以减小故障查找范围,之后的静态测试则能够确定故障发生的部位。
  在数字电路中,某个逻辑门的输入端大都需要很多逻辑门来提供。而其输出通常会影响和带动多个门的输入。因此,相同故障的导致原因可能有多种。在数字电路中,特定元器件的静态电位正常,但动态波形不正常时,通常会确定为元器件的自身问题,并采取更换元器件的办法来解决。然而,事实上可能另有原因。例如计数器加入单脉冲信号时,检测输出电平没有问题,而加入连续脉冲信号时,动态波形就发生了变化(如波形呈现台阶模式等)。该种情况时不必急于更换元器件,而应先检查计数器输入信号元器件的负载能力。先断开计数器的输出负载,观察其工作情况,如正常工作就表明其存在问题,需要更换。而当断开负载电路后,问题仍然存在时,需要检查提供输入信号的波形是否符合要求,或者将输入信号根据施密特门电路整形后加到计数器输入端,检查输出波形。如问题仍然存在,需要及时更换计数器。
  数字电路如今已广泛应用于机电等各类产品中,其能够有效提升电器的使用效率和产品性能。做好数字电路故障的检测和诊断的研究,对于全面提升数字电路的应用水平具有重要意义。
  参考文献
  [1]张兰,徐红兵.一种新的数字电路故障定位算法研究[J].电子科技大学学报,2004.
  [2]郭希维,苏群星,谷宏强.数字电路测试中的关键技术研究[J].科学技术与工程,2006.
  [3]朱大奇著.电子设备故障诊断原理与实践[M].电子工业出版社,2004,5.
  作者简介
  李太玲(1960-),女,工程师,研究方向:电路原理。

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