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1.4 电子电路的调试和故障分析

我们把测试和调整电子电路的一些操作技巧称为电子电路的调试技术。测试是指对电子电路有关的参数及工作状态进行测量,调整是指在测试的基础上对电路的参数进行修正。电子电路的调试,也就是依据设计技术指标的要求对电路进行测量—分析、判断—调整—再测量的一系列操作过程。测量是发现问题的过程,而调整则是解决问题、排除故障的过程。通过调试,应便电子电路达到预期的技术指标。

调试工作的主要内容:明确调试的目的和要求;正确合理地使用测量仪器仪表;按调试工艺对电路进行调整和测试;分析和排除调试中出现的故障;调试时,应做好调试记录,准备记录电路各部分的测试数据和波形,以便于分析和运行时参考;编写调试总结,提出改进意见。

1.4.1 电子电路的调试

1.调试前的准备

电路连接好后,未通电调试之前,应将必要的工具、技术文件等准备齐全。

1)技术文件的准备

通常需要准备的技术文件:电路原理图、电路元器件布置图、技术说明书(要包含各测试点的参考电位值,相应的波形图以及其他主要数据)、调试工艺等。调试人员耍熟悉各技术文件的内容,重点了解电子电路(或者整机产品)的基本工作原理、主要技术指标和各参数的调试方法。

2)未通电时对电子电路的检查

对于新设计的电子电路,在通电前先要认真检查电源、地线、信号线、元器件的引脚之间有无短路;连接处有无接触不良二极管、三极管、电解电容等引脚有无错接等。对在印制电路板上组装的电子电路,应将组装完的电子电路各焊点用毛刷及酒精擦净,不应留有松香等物,铜箔不允许有脱起现象,应检查是否虚焊、漏焊,焊点之间是否短接。对安装在面板上的电路还要认真检查电路接线是否正确,包括错线(连线一端正确,另一端错误),少线(安装时完全漏掉的线)和多线(连线的两端在电路图上都是不存在的)。多线一般是因接线时看错引脚,或在改接线时忘记去掉原来的旧线造成的。多线在实验中时常发生,而查线时又不易被发现,调试中往往会给人造成错觉,以为问题是元器件故障造成的。

通常采用两种查线方法:一种是按照设计的电路图检查安装好的线路,根据电路图按一定顺序逐一检查安装好的线路,这种方法比较容易找出错线和少线;另一种是按照实际线路来对照电路原理图进行查找,把每个元器件引脚连线的去向一次查清,检查每个去处在电路图上是否都存在,这种方法不但可以查出错线和少线,还很容易查到是否多线。不论用什么方法查线,一定要在电路图上把查过的线做出标记,并且还要检查每个元器件引脚的使用端数是否与图纸相符。

查线时最好用指针式万用表的R×1挡,或用数字式万用表的电阻挡的蜂鸣器来测量,而且要尽可能直接测量元器件引脚,这样同时可以发现接触不良的地方。

3)测试设备及仪表的选择

常用的设备及仪表有稳压电源、数字式万用表(或指针式万用表)、示波器、信号发生器。根据被测电路的需要还可选择其他仪器,如逻辑分析仪、失真度仪、扫频仪等。

调试中使用的仪器仪表应是经过计量并在有效期之内的,其测试精度应符合技术文件规定的要求。但在使用前仍需进行检查,以保证能正常工作。使用的仪器仪表应整齐地放置在工作台或小车上,较重的放在下部,较轻或小型的放在上部。用来监视电路信号的仪器、仪表应放置在便于观察的位置上。所用仪器应接成统一的地线,并与被测电路的地线接好。根据测试指标的要求,各仪器应选好量程,校准零点。需预热的仪器必须按规定时间预热。如果调试环境窄小、有高压或者有强电磁干扰等,调试人员还要事先考虑是否需要屏蔽、测试设备与仪表如何放置等问题。

4)器件的准备

调试过程难免发现某些设计参数不合适的情况,这时就要对设计进行一些修正,更换个别的元器件。这些可能要用到的元器件在调试前要准备好,以免影响了调试。

2.调试电子电路的一般步骤

1)通电

被测电路通电之后不要急于测量数据和观察结果。首先要观察有无异常现象,包括有无冒烟,是否闻到异常气味,手摸元器件是否发烫,电源是否有短路现象等。如果出现异常,应该立即关掉电源,待排除故障后方可重新通电。然后测量各路电源电压和各器件的引脚电压,以保证元器件正常工作。通过通电观察,认为电路初步工作正常,方可转入后面的正常调试。

2)静态调试

一般情况下,电子电路处理、传输的信号是在直流的基础上进行的。电路加上电源电压而不加入输入信号(振荡电路无振荡信号时)的工作状态称为静态;电路加入电源电压和输入信号时的工作状态称为动态。电子电路的调试有静态调试和动态调试之分。静态调试一般是指在没有外加信号的条件下所进行的直流测试和调整过程。例如,通过静态测试模拟电路的静态工作点、数字电路的各输入端和输出端的高低电平值及逻辑关系等,可以及时发现已经损坏的元器件,判断电路工作情况,并及时调整电路参数,使电路工作状态符合设计要求。

对于运算放大器,静态检查除测量正、负电源是否接上外,主要检查在输入为零时,输出端是否接近零电位,调零电路起不起作用。如果运算放大器输出直流电位始终接近正电源电压值或者负电源电压值时,说明运算放大器处于阻塞状态,可能是外电路没有接好,也可能是运算放大器已经损坏。如果通过调零电位器不能使输出为0,除了运算放大器内部对称性差外,也可能运算放大器处于振荡状态,所以,直流工作状态的调试时最好接上示波器进行监视。

3)动态调试

动态调试是在静态调试的基础上进行的。动态调试的方法:在电路的输入端加入合适的信号或使振荡电路工作,并沿着信号的流向逐级检测各有关点的波形、参数和性能指标。如果发现故障现象,应采取不同的方法缩小故障范围,最后设法排除故障。

测试过程中不能凭感觉和印象,要始终借助仪器观察。使用示波器时,最好把示波器的信号输入方式置于DC挡,通过直流耦合方式,可同时观察被测信号的交、直流成分。

通过调试,最后检查功能块和整机的各项指标(如信号的幅值、波形形状、相位关系、增益、输入阻抗和输出阻抗等)是否满足设计要求,如有必要,再进一步对电路参数提出合理的修正。

在定型的电子整机调试中,除了电路的静态、动态调试外,还有温度环境实验、整机参数复调等调试步骤。

1.4.2 电子电路的故障分析与处理

实验中,如果电路不能完成预定的逻辑功能时,就称电路有故障。

在调试过程中,故障常常是不可避免的,因此需要掌握故障的一般诊断方法。故障诊断过程,就是从故障现象出发,通过反复测试,做出分析判断,逐步找出故障的过程。对于一个复杂的系统来说,要在大量的元器件和线路中迅速、准确地找出故障是不容易的。耍通过对原理图的分析,把系统分成不同功能的电路模块,通过逐一测量找出故障模块,然后再对故障模块内部加以测量找出故障。分析故障、排除故障可以提高分析问题和解决问题的能力。

1.产生故障的原因

在调试过程中,产生故障的原因很多,情况也很复杂,有的是一种原因引起的简单故障,有的是多种原因相互作用引起的复杂故障。因此,引起故障的原因很难简单分类。

对于原来正常运行的电子设备,使用一段时间后出现故障,故障原因可能是元器件损坏,或连线发生短路或断路,也可能是使用条件发生变化(如电网电压波动、过热或过冷的工作环境等)影响电子设备的正常运行。

对于新设计的电路来说,调试过程出现的故障,故障原因可能有如下几点:

① 设计的原理图本身不满足设计的技术要求;元器件选择、使用不当或损坏;实际电路与原理图不符;连线发生短路或断路。

② 仪器使用不当引起的故障,如示波器使用不正确而造成的波形异常或无波形等。

③ 各种干扰引起的故障,如共地问题处理不当而引入的干扰。

2.故障诊断的一般方法

查找电于电路故障的方法可以多种多样,通常按下述几种方法进行故障的诊断、排除。

1)信号寻迹法

寻找电路故障时,一般可以按信号的流程逐级进行。从电路的输入端加入适当的信号,用示波器或电压表等仪器逐级检查信号在电路内各部分传输的情况,然后根据电路的工作原理分析电路的功能是否正常,如果有问题,应及时处理。调试电路时也可从输出级向输入级倒推进行,信号从最后一级电路的输入端加入,观察输出端是否正常,然后逐级将适当信号加入前面一级电路输入端,继续进行检查。这里所指的适当信号是指频率、电压幅值等参数应满足电路要求,这样才能便调试顺利进行。

2)对分法

把有故障的电路分为两部分,先检测这两部分中究竟是哪部分有故障,然后再对有故障的部分对分检测,一直到找出故障为止。采用对分法可减少调试工作量。对分法通常适用于只有一个故障的电路,有明显的局限性。

3)分割测试法

对于一些有反馈的环形电路,如振荡器、稳压器等,它们各级的工作情况互相有牵连,这时可采取分割环路的方法,将反馈环去掉,使系统成为一个开环系统,然后逐级检查,可更快地查出故障部分。对自激振荡现象也可以用此法检查。

图1-4-1是一个带有反馈的方波和三角波发生电路,A 1 的输出信号x o1 作为A 2 的输入信号,A 2 的输出信号x o2 作为A 1 的输入信号。也就是说,不论A 1 组成的过零比较器还是A 2 组成的积分器发生故障,都将导致x o1 与x o2 无输出波形。查找故障的方法是断开闭环反馈回路中的某一点(如B 1 点或B 2 点)。假设断开B 1 点,并从B 1 点与R 3 的连线端输入一个幅值适当的方波,用示波器检查x o2 输出波形是否为三角波,如果没有波形或出现异常波形,那么故障发生在A 2 电路上,反之故障发生在A 1 上。

图1-4-1 方波和三角波发生电路

4)电容器旁路法

如遇电路发生自激振荡或寄生调幅等故障,检测时可用一只容量较大的电容器并联到故障电路的输入或输出端,观察对故障现象的影响,据此分析故障的部位。在放大电路中,旁路电容失效或开路,便负反馈加强,输出量下降,此时用适当的电容并联在旁路电容两端,就可以看到输出幅度恢复正常,即可断定旁路电容问题。这种检查可能要多处试验才有结果,这时要细心分析可能引起故障的原因。这种方法也用来检查电源滤波和去耦电路的故障。

5)对比法

将有问题的电路的状态、参数与相同的正常电路进行逐项对比,此方法可以较快地从异常的参数中分析出故障。

6)替代法

把已调好的单元电路代替有故障或有疑问的相同的单元电路(注意共地),这样可以很快判断故障部位。有时元器件的故障不很明显,如电容漏电、电阻变质、晶体管和集成电路性能下降等,这时用相同规格的优质元器件逐一替代实验元器件,就可以具体地判断故障点,加快查找故障点的速度,提高调试效率。

7)静态调试法

找到故障部位后,要确定是哪一个或哪几个元器件有问题,最常用的就是静态测试法和动态测试法。静态测试法是用万用表测试电阻值、电容漏电、电路是否断路或短路,晶体管和集成电路的各引脚电压是否正常等。这种测试法是在电路不加信号时进行的,所以称为静态测试。通过这种测试可发现元器件的故障。

需要强调指出,实验经验对于故障检查是大有帮助的,但只要充分预习,掌握基本理论和实验原理,就不难用逻辑思维的方法较好地判断和排除故障。 bntUr+Rr40SoYjUAbx8RAVbdrWunL4DTIsb/emo5STA63ErI9VpexIH0yDaf60xL

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