徐琼琼余稀
摘要：数字电路是当前常用的一种电路形式，数字电路的诞生和发展极大地推动了电路技术的进步，同时也提高了器械的制造和使用质量。数字电路由于其制作精细，一旦发生故障将会对整个器械的使用带来消极的影响。在此背景下简要地讨论数字电路故障的特点及诊断技术。
关键词：数字电路故障诊断
一、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。数字电路除三态门以外，输出不是高电平就是低电平，不允许出现不高不低的电平。因此，一般来说，应能够区分高电平和低电平两种状态。
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。存贮电路的输出状态必须反馈到输入端，与输入端一起共同作用决定时序电路的输出。
数字电路故障诊断的主要内容包括待诊断电路的描述，确定待检测的故障和电路的初始信息;产生电路的定位测试集（测试码或测试序列），进行故障模拟，判定定位测试集是否达到预定的故障诊断要求，建立故障测试程序。在这些步骤中，又以定位测试集的产生最为重要。在故障诊断时，只要按顺序地向电路施加测试序列，并逐次测量电路的响应，检索故障字典，就可达到故障检测和定位的目的。
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。
二、产生故障的主要原因
（一）设计电路时未考虑集成电路的参数和工作条件
（1）集成电路负载能力差。如一个普通的与非门输出低电平时最多允许带10个同类门电路,而实际上所带门电路个数超过这个允许值时，会使输出低电平迅速升高而破坏电路的原有功能，使系统不能正常工作。输出高电平时带外界负载也存在同样的问题。这些都是不允许的。这时应选用负载能力更强的集成电路。
（2）集成电路工作速度低。一个集成电路当输入一组信号时，经过电路内部延时在输出端得到稳定的输出后，才能输入第二组信号。如集成电路工作速度低，内部延时过长后，则在输入脉冲频率较高时，在输出端会产生输出不稳定的故障。要查出这种故障是比较困难的，因此，在进行逻辑设计时，应选用能够比实际工作速度更高的集成电路。
（3）电子元器件热稳定性差。电子元器件的特性受温度的影响较大，主要表现为开机时设备工作正常，而经过一段时间后，随着机内温度的升高便不正常了，关机冷却一段时间后再开机，又正常了。反之，当机内温度较低时出现故障，而温度升高后设备工作正常，这些都属于热稳定性差引起的故障。这种情况在分立元件为主的设备中表现更为突出。解决的办法是设计时应选用热稳定性好的电子元器件。
（二）安装布线不当
如布线和集成电路芯片安置不合理时容易引起干扰。在安装中断线、桥接、漏线、插错电子元器件、闲置输入端处理不当、使能端信号加错或未加等都会造成故障。
（三）接触不良
这也是容易发生的故障，如接插件松动、虚焊、接点氧化等。这类故障的表现为信号时有时无，带有一定的偶发性。减少这类故障的办法是选用质量好的接插件，从工艺上保证焊接质量。
（四）工作环境恶劣
许多数字设备对工作环境都有一定的要求，如温度过高或过低，湿度过大等因素都难以保证设备正常工作。使用环境的电磁干扰超过设备的允许范围也会使设备不能正常工作。
三、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测试，缩小故障的范围，再进行静态测试，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。
在数字电路中，一个逻辑门输入端一般由若干逻辑门提供，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（如输出波形台阶模式）。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：
郑崇勋，数字系统诊断与综合.陕西:西安交通大学出版社，1986.93-100.
沈嗣昌，数字电路故障诊断.南京:南京东南大学出版社，1990.
彭晓军，电路诊断技术的新发展.系统工程与电子技术，1998，（6）:78-81.
杨士元，数字系统的故障诊断与可靠性设计.北京:清华大学出版社，2000.29-35.
高泽涵编，电子电路故障诊断技术．西安:西安电子科技大学出版社，2000，11．