数字电路在线故障检测技术

数字电路在设计、安装和维修等过程中,容易发生各种事故,因此,正确的掌握和使用数字电路故障检测方法,对保障数字电路的正常、高效运行具有重要作用.本文从数字电路的工作原理和故障特点入手,分析数字电路故障原因,结合传统的数字电路故障检测方法,探讨新型的数字电路在线故障检测方法.

【关 键 词】数字电路故障检测

1前言

当前,以数字技术为主导的高科技产品已经渗入到日常生活的每个角落,我国的数字电路已经得到大力生产和发展.然而,在数字电路生产和开发阶段,相关人员常常忽视对数字电路的故障检测,由于数字电路的输出和输入口多,电路门和极易元件被密封安装在芯片内,检测人员无法对数字电路中的元件进行故障检测,造成数字电路故障检测的效率很低.因此,数字电路在线故障检测技术显得尤为重要.

2数字电路的工作原理及故障特点

2.1数字电路的工作原理

数字信号主要是指在时间上和数值上都离散的信号,数字电路就是专门处理离散的数字信号的电路.数字电路的工作原理就是通过两个状态的电路元器件来表示离散信号,它的基本电路单元相对比较简单.

2.2数字电路的故障特点

数字电路故障具有复杂性的特点,因此,在数字电路的检测和诊断中,必须要严格依照数字电路规定的顺序进行电路施加测试,根据测试对数字电路进行逐个观察,检查电路是否正常.由于数字电路的测试对象繁多,测试电路的输入和输出变量的数据时可能存在一定程度的偏差,因此需要对数字电路进行逐个检查.

数字电路存在一定的物理缺陷,由于集成电路门和记忆元件是密封安装在芯片里的,导致检测人员无法直接通过肉眼观察数字电路的输入和输出波形,无法检测到电路门和记忆元件的逻辑电平,从而使得检测人员无法迅速检测出数字电路的故障所在.

3数字电路故障原因

3.1数字电路老化

数字电路在使用的过程中,由于发生碰撞或摩擦,会在一定程度上使数字电路的元器件受到损坏.数字电路的元器件大部分由金属材料构成,经过长期、反复的使用,会出现一部分元器件老化以及元器件参数性能降低的情况.另外,在高温或者极其严寒的恶劣天气下,一部分数字电路元器件也会发生参数值改变的情况.

3.2数字电路接触不良

数字电路发生故障的原因有很多,但因数字电路接触不良引起的电路故障所占比重很大.日常生活中的许多保管不善或使用不当的行为,都有可能造成电器的外观被破坏,导致数字电路元件直接暴露在空气中,甚至出现让电器进水的情况,在这种情况下,电器内部的元器件和芯片容易被氧化,最终造成数字电路的电路板发生故障.同时,在数字电路安装时,若出现断线、漏线以及插错电路元器件等事故,这些事故都会造成数字电路产生故障.

3.3电路受工作环境影响

电路的正常运行离不开良好的运行环境,但由于受到人力和财力方面的制约,有一部分的电路运行环境相对较差,当运行环境的温度、湿度以及电磁场发生改变时,就会导致数字电路发生故障,进一步影响设备的正常工作.

3.4数字电路元器件过了有效期

数字电路元器件均具有使用期限,只有在规定的使用期限内使用才能保证元器件的正常运行.当电路元器件过了使用的有效期后,元器件无法负荷电路运转,最终会出现元器件性能指标降低、参数发生改变的情况.所以,当数字电路元器件超过使用的有效期限后,数字电路发生故障的频率也会有所提高.

3.5元器件设计存在缺陷

按道理来说,普通的与非门输出的低电压可以带不超过10个的同类门电路,然而在现实的生活中,普通的与非门所带的同类门个数远远超过了10个.在这种情况下,数字电路输出的低电压将会迅速升高,从而破坏数字电路原有的性能；当电路输出高电平也同样会破坏电路原有的性能.这些问题最终都会导致电路系统无法正常运行.

4传统的数字电路故障检测方法

4.1观察检测法

观察检测法适用于有丰富电路故障检测经验的维修人员,主要就是利用肉眼直接观察电路故障的部位,根据电路故障出现的现象判断数字电路发生故障的主要原因.观察检测法在一定程度上为检测提供了便利,节省了维修人员和客户的时间.例如,在日常生活中,家里的电视机突然出现黑屏的现象,维修人员可以通过观察电视机的外观是否损坏、用手触摸电视机外壳的温度、查看电视机插头是否断开、闻闻电视机后盖是否存在异味等,利用这些方法判断电视机的故障部位,最后针对故障部位进行检测,整个故障检测过程方便快捷.

值得注意的是,观察检测法只适用于经验丰富的维修人员,对一些经验不足的维修人员来说,建议不要轻易使用,否则可能会把时间浪费在寻找故障部位上而影响故障的及时维修.

4.2顺序检测法

顺序检测法在检测数字电路故障时通常可以分为两种检测方法.第一种方法是在电路输入端加上信号,以输入级为起点向输出级方向进行检测,若出现信号中断或出现信号异常的现象时,即电路的故障部位所在.第二种方法是在电路输入级与输出级之间加上信号,若出现信号异常的现象,则以此为节点进行下一段电路的故障检测.当故障被电路节点中隔离出来后,维修人员就可以对故障进行观察,通过利用逻辑探头、逻辑脉冲发生器及电流等设备进行检测,从而进一步确定电路故障的具体部位.

顺序检测法具有准确性高的特点,但这种方法在检测时需要花费较多时间,因此已经逐渐被社会淘汰.

4.3对比检测法

对比检测法是检测数字电路故障时常用的一种检测方法.维修人员若想迅速检测数字电路的故障具体部位,通常会对各个电路的关键节点进行测试,从而得出具体的测试参数,根据相同且能正常运行的电器的各个关键节点,测试其具体参数,再与之前测试的故障电路的参数进行对比,若在对比时出现参数不一样的情况,则出现不一样的部位就是数字电视的故障点所在.对比检测法虽然在检测数字电路故障时比较常用,但在时间效率方面却相对比较低,由于大部分数字电路发生故障的地方比较细小,维修人员能够快速检测出数字电路故障部位的情况很少.厂家在生产数字电路的过程中,通常会对数字电路的电路板相对细小的部位进行多次加工以保证电路板的质量,而在不容易发生故障的部位则没有进行加固,在这种情况下,维修人员很难判断数字电路发生故障的部位是否在电路板的关键节点上,因此必须进行逐一对比检测,检测的效率就降低了.

4.4替代检测法

当出现电路比较复杂的情况,维修人员在使用观察检测法、顺序检测法和对比检测法后,依然无法找到故障的具体部位,这时可以考虑使用替代检测法进行数字电路故障检测.替代检测法通常是指将数字电路中的电子元器件用同等类型、同等质量的电子元器件代替,从而达到检测电路故障具体部位的目的.

维修人员只需要把同等类型、同等质量的电子元器件安转到原电路板中,打开电源开关,观察电路板是否可以正常运行.如果电路板可以正常运行,则说明是电子元器件出现故障,数字电路的故障部位很快就能找出；反之,则说明是电路板出现故障,找出电路板故障后,还要对电路板的各个部位进行检查,对故障再做进一步处理.替代检测法与其他检测方法一样,需要花费大量的时间和精力.

5新型的数字电路在线检测技术

随着电子技术的发展,数字电路的使用性能得到大幅提高.在这样的背景下,导致数字电路抵抗外部环境干扰的能力降低,进一步增加了数字电路发生故障的频率.因此,为了增强数字电路的可靠性,快速检测数字电路中存在的故障,建议使用新型的数字电路在线检测技术.

所谓的“数字电路的在线检测”,主要是指在数字电路正常运行时对电路进行非并发测试和并发测试.非并发测试是在整个电路系统处于正常运行中但其中的子系统并非都处于运行 状态下进行的.检测人员通过选择一个离线的子系统,在具有充足时间的情况下对其进行测试.然而非并发性测试无法检测数字电路的瞬态故障及间歇性故障.并发测试是在被测部位与电路系统正常运行的情况下同时进行的,从而完成电路故障检测.

5.1在线内建自测技术

在数字电路在线故障检测技术方法中,在线内建自检测技术对昂贵的外部设备依赖程度低、故障检测覆盖率高等特点,因此一直备受国内外学者青睐.在线内建自测技术主要用于数字电路的非并发测试,是在数字电路的工作间隙完成对电路的检测的,和传统的只能在离线状态下对电路进行测试的检测方法不同,在线内建自测试可以在电路正常运行时完成对数字电路的故障检测.值得注意的是,使用在线内建自测技术对数字电路进行测试,必须要在电路正常运行的前提下进行.

在线内建自测技术的基本结构如图一所示.当选择器出现的输入是上一级电路的输出响应时,则不进行电路检测.当被测电路处于运转间隙的阶段时,被测电路的输入来源于测试向量发生器,随后对被测电路的输出响应和被测电路的期望值进行对比.若被测电路的输出响应和电路的期望值一样,则说明被测电路无故障存在；反之,则说明被测电路有故障存在.

传统的内建自测技术只能在离线状态下对数字电路进行故障检测,而在线内建自测技术与传统的技术相比,能在数字电路正常工作的情况下进行故障检测,并且能减少数字电路对昂贵的外部设备的依赖,为客户解决I/O端口数量有限的问题,还能降低故障测试时对数字电路造成的损耗.

5.2全自检在线检测技术

全自检在线测试技术主要由全自检功能模块和全自检检验器两部分组成.全自检功能模块就是被测数字电路,并且要求被测电路中只允许发生单向故障.单向故障主要指数字电路内部的故障导致电路的个别输出由零变为一,或由一变为零的情况,但这两种情况不允许同时发生.在数字电路故障中,单向故障发生的概率较高.在数字电路正常运行时,全自检功能模块接上一级电路的输出响应,对电路的输出进行编码,与此同时,全自检功能模块以自身输出响应电路系统.

全自检检验器主要是根据编码特性对数字电路的编码输出进行检测的.所谓“编码特性”,就是将全自检检验器的编码与数字电路使用的编码对应.比较常见的做法是检测全自检功能模块的编码输出是否存在双尾码.若数字电路输出的是双尾码且只包括{0,1}或{1,0}的编码,则说明数字电路无故障；若数字电路输出的编码包含{0,0}或{1,1}的其中一组,则说明数字电路存在故障.

使用全自检在线检测技术检测数字电路的故障问题,不仅能快速检测出数字电路存在的故障,还能对自身的电路进行故障检测.在全自检在线检测技术电路自身无故障的情况下,数据栏中的电路输出f和g保持双尾码构成形式,因此说明全自检电路无故障.而当校验位补码生成器中出现固定0型故障时,利用全自检技术可以对自身电路进行检测,若数据栏中的电路输出f和g出现了非双尾码的情况,此时说明全自检技术自身出现故障.由于全自检在线检测技术同时具有检测数字电路和检测自身电路故障的优势,因此被运用到航空领域和医疗领域等对可靠性要求极高的场合.全自检在线检测技术的运行原理如图二所示.

5.3扫描设计在线检测技术

在数字电路的日常应用中,时序电路出现比重相对较大,且一直呈上升趋势,而扫描设计在线检测技术在时序电路故障测试中能快速检测故障,因此扫描设计在线检测技术是当前数字电路设计领域中被广泛运用的具有较高可测性的检测技术.扫描设计的在线检测技术的大体思路是把时序电路分成组合电路与寄存器两个部分,随后使用扫描设计的寄存器替换原有的寄存器,从而形成一个或多个长的移位寄存器链,使时序电路的内部关键节点能够被检测人员观察和控制.

扫描设计在线检测技术主要分为全扫描和部分扫描两大部分.全扫描是指把数字电路中全部的寄存器连接成移位寄存器链；部分扫描是指把数字电路中部分寄存器连接成寄存器链.扫描设计在线检测技术在检测时,通常运用带多路选择器的D型触发器,把时序电路内部的寄存器连接成移位寄存器链,换言之就是将寄存器连接成内部扫描链.扫描设计在线检测技术的有效运用,能够很好的完成数字电路的非并发测试.在数字电路进行工作运行前,先要对各个扫描单元进行自检测.当控制信号显示为11时,把每个扫描单元的功能DFF串联起来进行测试.测试数据将从SI端口输入,先后经过选择器B―功能DFF―选择器C,最终从SO端口输出.如果从SI端口输入的数据与从SO端口输出的数据一致,就说明数字电路各个单元相关的功能DFF不存在故障.当控制信号显示为00时,把每个扫描单元的功能DFF串联起来进行测试.测试数据将从SI端口输入,先后经过选择器A―测试DFF―选择器C―SO端口输出.如果从SI端口输入的数据与从SO端口输出的数据一致,就说明数字电路各个单元相关的测试DFF不存在故障.测试DFF的测试过程与扫描移入或移出的控制信号一致,并且能够与数字电路正常运行同时进行,从而实现非并发测试.

本文选用ISCAS’89集中的s298进行非并发在线测试,具体测试情况如表一、表二所示.s298中有三个输入端口,六个输出端口以及十四个D型触发器.本次非并发在线测试于s298运行三个周期后进行测试,测试完成后继续运行两个周期.把测试电路的输出情况与在同等初始状态下的直接运行四个周期的数字电路进行对比.表格中的“运行一”代表第一个运行周期,“测试一”表示第一个测试周期.“测试DFF”代表电路各个单元的测试DFF运行情况,把各个DFF的数据写在一起,转化成十六进制.

经过测试发现,表二中s298进行测试时的运行情况与表一中s298无测试时的运行情况基本吻合,数字电路的运行情况没有因非并发测试而改变,因此证明扫描设计在线检测技术在对数字电路进行非并发测试是可行的.

6结语

综上所述,随着我国科学技术的高速发展,数字电路已经被广泛运用到人们的日常生活中,而对数字电路的故障检测也变得尤为重要.在传统的数字电路检测方法无法满足社会需要的背景下,可以使用在线内建自测技术、全自检在线检测技术、扫描设计在线检测技术等新型的数字电路在线维修技术,及时解决已经出现或可能出现的电路故障,对提高数字电路检测和维修的效率具有重要意义.因此,数字电路的故障检测技术必须要不断完善,才能更好的适应社会发展的需求,为人们的日常生活提供便利条件.