數(shù)字電路實訓(xùn)中故障排除方法研究

鐵嶺師范高等專科學校理工學院 習大力

在數(shù)字電路的實踐技能訓(xùn)練中出現(xiàn)各種電路故障是不可避免的，而對于一個缺乏理論水平和實踐經(jīng)驗的學生來說，排除故障往往感到困難，不知從何入手。因此，通過實踐技能訓(xùn)練培養(yǎng)學生逐步學會分析、檢查和排除故障的方法，成為學生順利完成實踐訓(xùn)練任務(wù)的重要一環(huán)，也是實踐技能訓(xùn)練能否成功的關(guān)鍵。研究和分析常見故障及其產(chǎn)生原因，掌握數(shù)字電路實訓(xùn)中故障排除方法是十分必要的。

一、常見故障

1.永久故障

這類故障一旦產(chǎn)生就會永久保持下去，只有通過人為修復(fù)后，故障才會排除。絕大多數(shù)靜態(tài)故障屬于這一類。

（1）固體電平故障

固體電平故障是指某一點電平始終為一個固定電平的故障，如接地故障，這時故障點的邏輯電平固定在0上。又如電路某一點和電源短路，這時故障點的邏輯電平固定在1（電源電壓）上。這類故障在沒有排除前，故障點的邏輯電平不會恢復(fù)到正常值。

（2）固定開路故障

固定開路故障是一種在CMOS電路中經(jīng)常出現(xiàn)的故障，如CMOS門電路某個輸入管柵極引線斷開或外引線未和其它路連通而懸空，這時CMOS門電路的輸出端處于高阻狀態(tài)，這類故障稱為開路故障。由于CMOS門電路輸入和輸出電阻非常大，因此，門電路輸出和下級門電路間的分布電容對電荷的存儲效應(yīng)使輸出電平在一定時間內(nèi)會保持不變。

（3）橋接故障

橋接故障是由兩根或多根信號相互短路造成的，裸線部分過長，或印制電路焊接不注意時容易引起這類故障。橋接故障主要有兩種類型：一種為輸入信號線之間橋接造成的輸入端橋接故障，另一為輸出端與輸入端連在一起形成的反饋橋接故障。橋接故障會改變原有電路的邏輯功能。

2.間歇故障

這類故障具有偶發(fā)的特點，出現(xiàn)故障的瞬間會造成電路功能錯誤，故障消失后，功能又恢復(fù)正常。它的表現(xiàn)形式為時有時無。對于引線松動、虛焊引起的間歇故障需修理加已排除；對于電磁干擾引起的間歇故障需加以屏蔽防范[1]。

二、產(chǎn)生故障的主要原因

1.安裝布線不當

當布線和集成電路芯片安置不合理時容易引起干擾。在安裝中斷線、橋接、漏線、插錯電子元器件、閑置輸入端處理不當、使能端信號加錯或未加等都會造成故障。

2.接觸不良

接觸不良是實踐訓(xùn)練中最容易出現(xiàn)的故障，如接插件松動、虛焊、接點氧化等。這類故障的表現(xiàn)為信號時有時無，帶有一定的偶發(fā)性。減少這類故障的辦法是選用質(zhì)量好的接插件，從工藝上保證焊接質(zhì)量。

3.設(shè)計時未考慮集成電路的參數(shù)和工作條件

（1）集成電路負載能力差

如一個普通與非門輸出低電平時最多允許帶10個同類門電路。而實際上所帶門電路個數(shù)超過這個允許值時，會使輸出低電平迅速升高而破壞電路的原有功能，使系統(tǒng)不能正常工作。輸出高電平時帶外接負載也存在同樣的問題。這些都是不允許的。這時應(yīng)選用負載能力更強的集成電路。

（2）集成電路工作速度低

一個集成電路當輸入一組信號時，經(jīng)過電路內(nèi)部延時在輸出端得到穩(wěn)定的輸出后，才能輸入第二組信號。如集成電路工作速度低，內(nèi)部延時過長后，則在輸入脈沖頻率較高時，在輸出端會產(chǎn)生輸出不穩(wěn)定的故障。要查出這種故障是比較困難的，因此，在進行邏輯設(shè)計時，應(yīng)選用比實際工作速度更高的集成電路。

（3）半導(dǎo)體器件熱穩(wěn)定性差

半導(dǎo)體器件的特性受溫度的影響較大，主要表現(xiàn)為開機時設(shè)備工作正常，而經(jīng)過一段時間后，隨著機箱內(nèi)溫度的升高工作出現(xiàn)問題，關(guān)機冷卻一段時間后再開機，又能正常工作。反之，當機內(nèi)溫度較低時出現(xiàn)故障，而溫度升高后設(shè)備工作正常，這些都屬于熱穩(wěn)定性差引起的故障。這種情況在分立元件為主的設(shè)備中表現(xiàn)更為突出。解決的辦法是設(shè)計時應(yīng)選用熱穩(wěn)定性好的電子元器件。

三、數(shù)字電路實訓(xùn)中故障排除方法

1.直觀檢查

直觀檢查包括線路連接檢查和集成器件的連接檢查。在數(shù)字電路的技能訓(xùn)練中，線路接錯引起的故障占有很大的比例，有時還會損壞器件。為了避免和減少此類故障，應(yīng)在技能訓(xùn)練前畫出正確的安裝接線圖。如發(fā)現(xiàn)電路有損壞時，應(yīng)對照安裝接線圖檢查電路的接線有無漏線、斷線和錯線。特別要注意檢查電源線和地線的接線是否正確。在集成器件的連接檢查中首先檢查集成器件插的方向和外引線與其它電路的連接是否正確，是否有不允許懸空的輸入端未接入電路，如TTL電路的控制端、CMOS電路的輸入端等，其次用手摸一下集成器件和其它元件有無異常發(fā)熱現(xiàn)象。

2.測量電阻、電容等分立器件

首先關(guān)閉電源，用萬用表“歐姆*10”檔測量電源線與地線端之間的電阻值，以排除電源輸出端與地線端之間出現(xiàn)短路或開路現(xiàn)象。然后檢查元器件，應(yīng)將被檢查元器件的一端斷開后再使用萬用表測試檢查，以判斷被測元器件是否失效。在檢查電解電容器時，為避免損壞萬用表，應(yīng)先用導(dǎo)線將電解電容的正端對地短路，泄放掉電容器中的存儲電荷后，再檢查電容是否被擊穿或漏電是否嚴重。

3.靜態(tài)測試

靜態(tài)測試檢查主要包括電源電壓測試和電路測試。電源電壓測試即用萬用表測量電源輸出電壓是否符合要求，同時檢查集成電路外引線的電源端和地線端的電壓是否符合要求。進行電路測試時，要使電路處于某一輸入狀態(tài)，根據(jù)真值表的要求，測量電路的功能是否正確。如發(fā)現(xiàn)問題，必須重復(fù)測試，然后使電路固定在某一故障狀態(tài)下，再用萬用表測量電路各器件的輸入電壓和輸出電壓的邏輯關(guān)系是否符合要求，從而確定故障點。例如對于TTL電路，其輸入和輸出電壓的正常范圍見表1。從而可判斷出故障的所在位置。

表1 TTL電路靜態(tài)工作時各外引出的電壓值

4.逐級跟蹤檢查

在輸入端輸入周期性的信號，然后按信號流向從輸入端到輸出端逐級檢查各級輸入和輸出波形是否正常，直到找出故障位置為止。如發(fā)現(xiàn)某一級的輸出波形不正確或沒有輸出時，則故障就發(fā)生在該級或下級電路，這時，可將級間連線或耦合電路斷開，進行單獨測試。如斷開后，該級電路工作正常，這說明故障出在下級輸入電路；如斷開后，下級電路工作正常，則說明故障出在該級的輸出電路。

5.斷開反饋線路檢查

對于有反饋線的閉合電路，必要時可斷開反饋線檢查各級工作是否正常，再判斷故障點或進行狀態(tài)預(yù)置后再檢查故障。

6.部件替代

對于有多個與輸入端的集成器件，如在實際使用中有多余輸入端時，則可換用其余輸入端進行試驗，以判斷原輸入端是否有問題。如懷疑集成器件有問題時，則可用同型號的集成器件替換，并測試電路的功能是否正確。如替換后工作恢復(fù)正常，則說明原器件有問題。

7.改變輸入狀態(tài)觀察輸出狀態(tài)

無論集成電路輸入信號如何變化，輸出一直保持高電平不變，原因可能是集成電路的地線接觸不良或未接地線；如輸出信號的變化規(guī)律和輸入的相同，則可能是集成電路未加上電源電壓或電源線接觸不良所致。對于JK觸發(fā)器，如果出現(xiàn)在時鐘脈沖作用下，不論J、K端的輸入信號如何變化，電路始終處于計數(shù)狀態(tài)這一現(xiàn)象，有可能是J、K端漏接線或者接觸不良或者是斷線故障[2]。

8.合理安排高頻電路的布線

布線時盡量縮短連線長度；輸出線不要和輸入線靠得太近，輸出線和輸入線也不要和時鐘脈沖靠得太近。減小電源內(nèi)阻，加粗電源輸出線和地線，盡可能地將電源線和地線夾在相鄰輸入和輸出信號之間，這樣可起到屏蔽作用。驅(qū)動多路同步電路的時鐘脈沖線，各路信號延遲的時間盡量接近。

9.設(shè)置去耦電路

為了防止TTL電路工作時產(chǎn)生的電源尖峰脈沖電流通過電源耦合影響電路的正常工作，應(yīng)采用去耦電路。通過每隔6-8個門，設(shè)置一個高頻和低頻去耦電路，小電容一般為0.01-0.1uF，大電容一般為10-22uF。對于功率門電路，則應(yīng)單獨設(shè)置電源去耦電路[3]。

10.防止CMOS電路的鎖定效應(yīng)

鎖定效應(yīng)是指當CMOS電路工作在較高電源電壓VDD，或輸入、輸出信號由于電路上的原因而大于VDD或小于VSS時，這時可能出現(xiàn)鎖定效應(yīng)，這是CMOS電路特有的一種失效模式。為了防止這種情況出現(xiàn)，應(yīng)采取如下措施：注意加強電源的去耦，加粗電源線和地線；在不影響電路正常工作時，降低電源電壓VDD；在不影響電路正常工作速度的情況下，使電源提供的電流小于鎖定電流；對輸入信號進行鉗位。

本文總結(jié)列舉的都是實踐技能訓(xùn)練中分析和排除故障的必要的方法，這些故障是數(shù)字電路中的薄弱環(huán)節(jié)，是查找故障時的重點懷疑對象。但是，電路的任何部分發(fā)生故障都會導(dǎo)致電路不能正常工作，實踐技能訓(xùn)練無法進行下去。在電子設(shè)備整機調(diào)試過程中，應(yīng)該按照排除故障的程序，采取從電路分立器件到電路單元再到整個電路，根據(jù)電路原理熟練應(yīng)用數(shù)字電路故障排除方法進行分段檢測，使故障局限在某一部分之中然后進行詳細的排查，最后對電路故障加以排除。

[1]朱大奇.電子設(shè)備故障診斷原理與實踐[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004:88-116.

[2]魏沖,祝益芳,王海軍.淺議數(shù)字電路故障的特點及診斷技術(shù)[J].計算機工程應(yīng)用技術(shù),2010(8):135-136.

[3]沈艷猛.試述數(shù)字電路的故障及其診斷[J].黑龍江科技信息,2011(4):10-11.