数字电路的故障检测与诊断初探

数字电路的故障检测与诊断初探

姬昌

关键词：数字电路，故障检测，诊断

电子电路在工作过程中，某些内部或外部的原因往往会使电路出现各种各样的问题，导致电路不能正常工作。所以电子工程设计人员的一项重要任务就是要时刻对工作电路进行检修、检测以及故障的诊断和排除。所谓故障检测指的是检验电路实现的功能是否与预定功能完全一致，而若测试的目的不但是为了检查电路是否有故障，而且还要检查电路发生了什么故障，则这种测试为故障诊断。

电路的故障诊断在数字电路设计和生产过程中具有重要意义，它有助于修复芯片模板上的各种缺陷，重新配置故障冗余系统；有助于生产工艺的改进，分析故障检测方法的效果等，最终提高芯片的产量、质量以及可靠性。现有的数字电路的故障诊断如果仍然依赖于常规仪表和传统的人工分析，其诊断定位难度大、周期长，会严重拖慢数字电路设计和生产的速度。

1.数字电路及其故障特点

数字信号是指在时间上和数值上都是离散的信号。数字电路就是用来变换和处理这种离散信号的电路。数字电路是采用具有两个状态的元器件来表示信息，其基本电路单元很简单，电路中每个元器件参数值有较大的分散性。

数字电路按逻辑功能的不同可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。组合逻辑电路由各种门电路组成，输入和输出之间没有反馈连线。在任何时刻组合逻辑电路的输出，只取决于该时刻各个输入的信号，与电路原来的输出状态无关，也即电路无记忆功能。时序逻辑电路的状态是靠有存贮功能的触发器所组成的电路来记忆和表达的。

查找故障首先要有合适的信号源和示波器，示波器的频带一般应大10MHz，而且应该用双踪示波器同时观察输入和输出波形、相位关系。查找故障的过程可以按顺序进行测量，把输出的结果和预期的状态相比较，通过动态测试把故障缩小到最小的范围，如果信号是非周期性的，应该借助逻辑分析仪或其他辅助设备观察各处的状态。

数字电路测试的对象是非常复杂的。其复杂性表现在：待测电路的输入与输出变量可能多达数十个甚至上百个；电路的响应不仅是组合的而且在大多数情况下是时序的；构成集成电路的门及记忆元件都封装在芯片内部。它们的物理缺陷是多种多样的，不可能直接测量它们的逻辑电平、观察它们的输入输出波形。这与模拟集成电路一样，无法进入数字IC内部电路进行检查，只能通过芯片的外部进行测量。因此，必须寻求一些可以信赖的，简单可行的测试方法，检测电路或芯片内部的故障。

2.数字电路故障的检测技术

2.1故障隔离

对任何电路进行故障诊断，首先应通过考察故障特征以尽可能地缩小故障范围，即进行故障隔离。这一过程是相当关键的。在故障检测中逻辑探头是寻找电路中关键信号的有效工具。在多数情况下，当信号完全消失时，可用探头在相互连接的信号路径上进行测试，便可找到消失的信号。某些探头上具有逻辑存储开关，可用来检测单个脉冲或整个周期内脉冲信号的活动情况。信号出现时可以存储起来，并在脉冲存储器的LED上显示出来。通过查找电路之间不正常的关键信号可以进一步把故障缩小到一个电路范围内。

而逻辑分析仪是检测可编程数字设备故障特性的有效工具。利用逻辑分析仪，我们可以观察可编程系统中程序每执行一步时的数据的传输情况，即让我们能观察和比较程序执行过程中每一地址上的数据。可以每次作一步或几步，也可以迅速移到程序中觉得有怀疑的程序段。根据逻辑分析仪的显示，能把故障范围确定到尽可能少的集成电路块或其他电路单元上。

2.2故障的定位检测

当把故障隔离到单元电路中，就可以用逻辑探头、逻辑脉冲发生器和电流跟踪器等来观察电路故障对工作的影响，并找到故障源。检查线上的脉冲活动，逻辑探头可用来观察输入信号的活动和所产生的输出信号。从这些信息出发，可以做出IC工作是否正常的判断。例如，如果RAM或ROM线上有时钟脉冲信号，且能使信号在使能状态，则数据总线上应有信号。程序运行中，每条线上都应有高和低电平之间的转换。逻辑探头能用来观察时钟和使能信号的输入。

如果能观察到数据线上的信号活动，则可认为RAM或ROM是好的。由于IC故障一般是突发性的，故通常无须测量信号的时序。多数情况下只需检查有无脉冲活动就足以反映IC的工作情况。当然，RAM或ROM也有可能存储了不正确的数据。

3.数字电路的故障诊断

数字电路的故障诊断相对比较简单，除三态电路外，它的输入与输出只有高电平和低电平两种状态。查找故障时可以先进行动态侧试，缩小故障的范围。再进行静态侧试，查找故障的具体位置。

查找故障首先要有合适的信号源和示波器，示波器的频带一般应大于10MHz，而且应该用双膝示波器同时观察输入和输出波形、相位关系。查找故障的过程可以按顺序进行测量，把输出的结果和预期的状态相比较。通过动态测试把故障缩小到最小的范围，如果信号是非周期性的，应该借助逻辑分析仪或其他辅助设备观察各处的状态。

在数字电路中，一个逻辑门输入端由若干逻辑门提供。而它的输出又经常带动多个门的输入，同一故障经常由不同的原因引起的。在电路中，当某个元器件静态电位正常而动态波形有问题时，人们往往会认为这个元器件本身有问题而去更换它，其实，有时不是这个原因。比如，一个计数器加入单脉冲信号时，量测输出电平完全正确，加入连续脉冲观察到的波形却有问题(如输出波形台阶摸式)。遇到这种情况，不要急于更换器件，需要检查计数器本身的负载能力及为它提供输入信号的元器件的负载能力。把计数器的输出负载断开，检查它的工作正常与否，如果工作正常，说明计数器负载能力有问题，可以更换它。如果断开负载电路后仍存在问题，则要检查提供给计数器的输入信号波形是否符合要求，或把输入信号通过施密特门电路整形后再加到计数器输入端，检查输出波形。这种方式检查完毕仍然存在问题，则必须更换计数器。

数字电路当前在机电产品中得到了广泛的应用，数字电路的应用极大地提高了电器的使用和制造质量，促进了产品性能的提升。加强数字电路故障的特点及检测与诊断的研究有助于提升数字电路的应用水平，提升数字电路的应用质量，拓展其应用范围。

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