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电路调试技术详解-手把手教你如何排除故障

文章出处:捷配电子市场网 发布时间: 2017/05/17 | 901 次阅读

  1、概述
  调试在初级电子工程师初级阶段是必须的!所以综合了几家的调试文章,再加上自己的心得推荐给大家,不足之处请多指教。


  实践表明,一个电子装置,即使按照设计的电路参数进行安装,往往也难于达到预期的效果。这是因为人们在设计时,不可能周全地考虑各种复杂的客观因素(如元件值的误差、器件参数的分散性、分布参数的影响等),必须通过安装后的测试和调整,来发现和纠正设计方案的不足,然后采取措施加以改进,使装置达到预定的技术指标。因此,调试电子电路的技能对从事电子技术及其相关领域工作的人员来说,是不应缺少的。
  调试的常用仪器有:稳压电源、万用表、示波器、频谱分析仪和信号发生器等。
  电子电路调试包括测试和调整两个方面。调试的意义有二:一是通过调试使电子电路达到规定的指标;二是通过调试发现设计中存在的缺陷并予以纠正。
  2、电子电路调试的一般步骤
  传统中医看病讲究“望、闻、问、切”,其实调试电路也是如此。
  首先“望”,即观察电路板的焊接如何,成熟的电子产品一般都是焊接出的问题;第二“闻”,呵呵,这个不是说先把电路板闻下,而是说通电后听电路板是否有异常响动,不该叫的叫了,该叫的不叫;第三“问”,如果是自己第一次调试,不是自己设计的要问电源是多少?别人是否调过?有什么问题?第四“切”,元器件有没焊全、芯片焊接是否正确、不易观察的焊点是否焊好?一般调试前做好这几步就可发现不少问题。
  根据电子电路的复杂程度,调试可分步进行:对于较简单系统,调试步骤是:电源调试→单板调试→联调。对于较复杂的系统,调试步骤是:电源调试→单板调试→分机调试→主机调试→联调。由此可明确三点:(1) 不论简单系统还是复杂系统,调试都是从电源开始入手的;(2) 调试方法一般是先局部(单元电路)后整体,先静态后动态;(3) 一般要经过测量→调整→再测量→再调整的反复过程;对于复杂的电子系统,调试也是一个“系统集成”的过程。
  在单元电路调试完成的基础上,可进行系统联调。例如数据采集系统和控制系统,一般由模拟电路、数字电路和微处理器电路构成,调试时常把这3部分电路分开调试,分别达到设计指标后,再加进接口电路进行联调。联调是对总电路的性能指标进行测试和调整,若不符合设计要求,应仔细分析原因,找出相应的单元进行调整。不排除要调整多个单元的参数或调整多次,甚至有修正方案的可能。
  3、电子电路调试的具体步骤
  (1) 通电观察:通电后不要急于测量电气指标,而要观察电路有无异常现象,例如有无冒烟现象,有无异常气味,手摸集成电路外封装,是否发烫等。如果出现异常现象,应立即关断电源,待排除故障后再通电。
  (2) 静态调试:静态调试一般是指在不加输入信号,或只加固定的电平信号的条件下所进行的直流测试,可用万用表测出电路中各点的电位,通过和理论估算值比较,结合电路原理的分析,判断电路直流工作状态是否正常,及时发现电路中已损坏或处于临界工作状态的元器件。通过更换器件或调整电路参数,使电路直流工作状态符合设计要求。
  (3) 动态调试:动态调试是在静态调试的基础上进行的,在电路的输入端加入合适的信号,按信号的流向,顺序检测各测试点的输出信号,若发现不正常现象,应分析其原因,并排除故障,再进行调试,直到满足要求。
  测试过程中不能仅凭感觉或印象,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种指标(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、灵敏度等)是否满足设计要求,如必要,再进一步对电路参数提出合理的修正。
  4、电子电路调试中的若干问题
  (1) 根据待调试系统的工作原理(原理图和PCB)拟定调试步骤和测量方法,确定测试点,并在图纸上和板子上标出位置,画出调试数据记录表格等。
  (2) 搭设调试工作台,工作台配备所需的调试仪器,仪器的摆设应操作方便,便于观察。学生往往不注意这个问题,在制作或调机时工作台很乱,工具、书本、衣物等与仪器混放在一起,这样会影响调试。特别提示:在制作和调试时,一定要把工作台布置的干净、整洁。这便是“磨刀不误砍柴工”。
  (3) 对于硬件电路,应为被调试系统选择测量仪表,测量仪表的精度应优于被测系统;对于软件调试,则应配备微机和开发工具。
  (4) 电子电路的调试顺序一般按信号流向进行,将前面调试过的电路输出信号作为后一级的输入信号,为最后统调创造条件。
  (5) 选用可编程逻辑器件实现的数字电路,应完成可编程逻辑器件源文件的输入、调试与下载,并将可编程逻辑器件和模拟电路连接成系统,进行总体调试和结果测试。
  (6) 在调试过程中,要认真观察和分析实验现象,做好记录,保证实验数据的完整可靠。
  5、调试前的工作
  电路安装完毕,通常不宜急于通电,应该先认真检查一下。
  检查内容包括:
  (1) 连线是否正确:检查电路连线是否正确,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)。
  查线的方法通常有两种:1) 按照电路图检查安装的线路:这种方法的特点是,根据电路图连线,按一定顺序逐一检查安装好的线路,由此可比较容易地查出错线和少线。2) 按照实际线路来对照原理电路进行查线:这是一种以元件为中心进行查线的方法。把每个元件(包括器件)引脚的连线一次查清,检查每个去处在电路图上是否存在,这种方法不但可以查出错线和少线,还容易查出多线。
  为了防止出错,对于已查过的线通常应在电路图上做出标记,最好用指针式万用表“Ω×1”挡,或数字式万用表“Ω挡”的蜂鸣器来测量,而且应直接测量元器件引脚,这样可以同时发现接触不良的地方。
  (2) 元器件安装情况
  检查元器件引脚之间有无短路;连接处有无接触不良;二极管、三极管、集成器件和电解电容极性等是否连接有误。
  (3) 电源供电(包括极性)、信号源连线是否正确。
  (4) 电源端对地是否存在短路。
  若电路经过上述检查,并确认无误后,就可转入调试。
  6、调试方法
  调试包括测试和调整两个方面。
  所谓电子电路的调试,是以达到电路设计指标为目的而进行的一系列的测量→判断→调整→再测量的反复进行过程。为了使调试顺利进行,设计的电路图上最好标明各点的电位值,相应的波形图以及其它主要数据。调试方法通常采用先分调后联调(总调)。
  我们知道,任何复杂电路都是由一些基本单元电路组成的,因此,调试时可以循着信号的流向,逐级调整各单元电路,使其参数基本符合设计指标。这种调试方法的核心是:把组成电路的各功能块(或基本单元电路)先调试好,并在此基础上逐步扩大调试范围,最后完成整机调试。采用先分调,后联调的优点是:能及时发现问题和解决问题。新设计的电路一般采用此方法。
  对于包括模拟电路、数字电路和微机系统的电子装置更应采用这种方法进行调试。因为只有把三部分分开调试后,分别达到设计指标,并经过信号及电平转换电路后才能实现整机联调。否则,由于各电路要求的输入、输出电压和波形不匹配,盲目进行联调,就可能造成大量的器件损坏。
  除了上述方法外,对于已定型的产品和需要相互配合才能运行的产品也可采用一次性调试。
  7、调试中的注意事项
  调试结果是否正确,很大程度上受测量正确与否和测量精度的影响。为了保证调试的效果,必须减小测量误差,提高测量精度。为此,需注意以下几点:
  (1) 正确使用测量仪器的接地端
  凡是使用地端接机壳的电子仪器进行测量时,仪器的接地端应和放大器的接地端连接在一起,否则仪器机壳引入的干扰不仅会使放大器的工作状态发生变化,而且将使测量结果出现误差。根据这一原则,调试发射极偏置电路时,若需测量VCE,不应把仪器的两端直接接在集电极和发射极上,而应分别对地测出VC、VE,然后将二者相减得VCE。若使用干电池供电的万用表进行测量,由于电表的两个输入端是浮动的,所以允许直接跨接到测量点之间。
  (2) 测量电压所用仪器的输入阻抗必须远大于被测处的等效阻抗
  若测量仪器输入阻抗小,则在测量时会引起分流,给测量结果带来很大误差。
  (3) 测量仪器的带宽必须大于被测电路的带宽
  例如:MF-20型万用表的工作频率为20~20000 Hz。如果放大器的fh =100 kHz,我们就不能用 MF-20来测试放大器的幅频特性,否则,测试结果就不能反映放大器的真实情况。
  (4) 要正确选择测量点
  用同一台测量仪器进行测量时,测量点不同,仪器内阻引进的误差大小将不同。例如,对于图1所示电路,测C1点电压VC1时,若选择e2为测量点,测得VE2,根据VCl=VE2+VBE2求得的结果,可能比直接测Cl点得到的VC1的误差要小得多。所以出现这种情况,是因为Re2较小,仪器内阻引进的测量误差小。


  (5) 测量方法要方便可行
  需要测量某电路的电流时,一般尽可能测电压而不测电流,因为测电压不必改动被测电路,测量方便。若需知道某一支路的电流值,可以通过测取该支路上电阻两端的电压,经过换算而得到。
  (6) 调试过程中,不但要认真观察和测量,还要善于记录
  记录的内容包括实验条件、观察的现象、测量的数据、波形和相位关系等。只有有了大量可靠的实验记录并与理论结果加以比较,才能发现电路设计上的问题,完善设计方案。
  8、调试时出现故障的解决方法
  要认真查找故障原因,切不可一遇故障解决不了就拆掉线路重新安装。因为重新安装的线路仍可能存在各种问题,如果是原理上的问题,即使重新安装也解决不了问题。我们应当把查找故障,分析故障原因,看成一次好的学习机会,通过它来不断提高自己分析问题和解决问题的能力。


  (1) 检查故障的一般方法
  故障是不期望但又不可避免的电路异常工作状况。分析、寻找和排除故障是电气工程人员必备的实际技能。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。一般故障诊断过程,就是从故障现象出发,通过反复测试,做出分析判断,逐步找出故障原因的过程。
  (2) 故障现象和产生故障的原因
  1) 常见的故障现象:放大电路没有输入信号,而有输出波形。放大电路有输入信号,但没有输出波形,或者波形异常。串联稳压电源无电压输出,或输出电压过高且不能调整,或输出稳压性能变坏、输出电压不稳定等。振荡电路不产生振荡。计数器输出波形不稳,或不能正确计数。收音机中出现“嗡嗡”交流声和“啪啪”的汽船声等。以上是最常见的一些故障现象,还有很多奇怪的现象,在这里就不一一列举了。
  2) 产生故障的原因:故障产生的原因很多,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。这里只能进行一些粗略的分析。
  对于定型产品使用一段时间后出现故障,故障原因可能是元器件损坏,连线发生短路或断路(如焊点虚焊、接插件接触不良、可变电阻器、电位器、半可变电阻等接触不良、接触面表面镀层氧化等),或使用条件发生变化(如电网电压波动,过冷或过热的工作环境等)影响电子设备的正常运行。
  对于新设计安装的电路来说,故障原因可能是:实际电路与设计的原理图不符;元器件焊接错误、元器件使用不当或损坏;设计的电路本身就存在某些严重缺点,不满足技术要求;连线发生短路或断路等。
  仪器使用不正确引起的故障,如示波器使用不正确而造成的波形异常或无波形,接地问题处理不当而引入干扰等。
  各种干扰引起的故障。
  (3) 检查故障的一般方法
  查找故障的顺序可以从输入到输出,也可以从输出到输入。查找故障的一般方法有:
  1) 直接观察法:直接观察法是指不用任何仪器,利用人的视、听、嗅、触等作为手段来发现问题,寻找和分析故障。直接观察包括不通电检查和通电观察。
  检查仪器的选用和使用是否正确;电源电压的等级和极性是否符合要求;电解电容的极性、二极管和三极管的管脚、集成电路的引脚有无错接、漏接、互碰等情况;布线是否合理;印刷板有无断线;电阻电容有无烧焦和炸裂等。
  通电观察元器件有无发烫、冒烟,变压器有无焦味,电子管、示波管灯丝是否亮,有无高压打火等。
  此法简单,也很有效,可作初步检查时用,但对比较隐蔽的故障无能为力。
  2) 用万用表检查静态工作点
  电子电路的供电系统,半导体三极管、集成块的直流工作状态(包括元、器件引脚、电源电压)、线路中的电阻值等都可用万用表测定。当测得值与正常值相差较大时,经过分析可找到故障。
  顺便指出,静态工作点也可以用示波器“DC”输入方式测定。用示波器的优点是:内阻高,能同时看到直流工作状态和被测点上的信号波形以及可能存在的干扰信号及噪声电压等,更有利于分析故障。
  3) 信号寻迹法
  对于各种较复杂的电路,可在输入端接入一个一定幅值、适当频率的信号(例如,对于多级放大器,可在其输入端接入 f=1000 Hz的正弦信号),用示波器由前级到后级(或者相反),逐级观察波形及幅值的变化情况,如哪一级异常,则故障就在该级。这是深入检查电路的方法。
  4) 对比法
  怀疑某一电路存在问题时,可将此电路的参数与工作状态相同的正常电路的参数(或理论分析的电流、电压、波形等)进行一一对比,从中找出电路中的不正常情况,进而分析故障原因,判断故障点。
  5) 部件替换法
  有时故障比较隐蔽,不能一眼看出,如这时你手头有与故障仪器同型号的仪器时,可以将仪器中的部件、元器件、插件板等替换有故障仪器中的相应部件,以便于缩小故障范围,进一步查找故障。
  6) 旁路法
  当有寄生振荡现象时,可以利用适当容量的电容器,选择适当的检查点,将电容临时跨接在检查点与参考接地点之间,如果振荡消失,就表明振荡是产生在此附近或前级电路中。否则就在后面,再移动检查点寻找之。应该指出的是,旁路电容要适当,不宜过大,只要能较好地消除有害信号即可。
  7) 短路法
  就是采取临时性短接一部分电路来寻找故障的方法。短路法对检查断路性故障最有效。但要注意对电源(电路)是不能采用短路法的。


  8) 断路法
  断路法用于检查短路故障最有效。断路法也是一种使故障怀疑点逐步缩小范围的方法。例如,某稳压电源因接入一带有故障的电路,使输出电流过大,我们采取依次断开电路的某一支路的办法来检查故障。如果断开该支路后,电流恢复正常,则故障就发生在此支路。


  实际调试时,寻找故障原因的方法多种多样,以上仅列举了几种常用的方法。这些方法的使用可根据设备条件,故障情况灵活掌握,对于简单的故障用一种方法即可查找出故障点,但对于较复杂的故障则需采取多种方法互相补充、互相配合,才能找出故障点。
  在一般情况下,寻找故障的常规做法是:先用直接观察法,排除明显的故障。再用万用表(或示波器)检查静态工作点。信号寻迹法是对各种电路普遍适用而且简单直观的方法,在动态调试中广为应用。
  应当指出,对于反馈环内的故障诊断是比较困难的,在这个闭环回路中,只要有一个元器件(或功能块)出故障,则往往整个回路中处处都存在故障现象。寻找故障的方法是先把反馈回路断开,使系统成为一个开环系统,然后再接入一适当的输入信号,利用信号寻迹法逐一寻找发生故障的元、器件(或功能块)。

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