智能仪器常见故障诊断与处理

       一、常见故障类型

       1. 常见的硬件故障

       1） 逻辑错误

       仪器硬件的逻辑错误通常是由于设计错误、加工过程中工艺性错误或使用中其他因素所造成的。这类错误主要包括错线、开路、短路、相位出错等几种情况,其中短路是最常见的也较难排除的故障。智能仪器在结构设计上往往要求体积小,从而使印刷电路板的布线密度高,使用中异物等常常造成引线之间的短路而引起故障。开路故障则常常是由于印刷电路板的金属化孔质量不好,或接插件接触不良所造成的。

       2） 元器件失效

       元器件失效的原因主要有两个方面： 一是元器件本身已损坏或性能差,诸如电阻电容的型号、参数不正确,集成电路已损坏,器件的速度、功耗等技术参数不符合要求等；二是由于组装原因造成的元器件失效,如电容、二极管、三极管的极性错误,集成块的方向安装错误等。

       3） 可靠性差

       系统不可靠的因素很多,例如,金属化孔、接插件接触不良会造成系统时好时坏,经不起振动；内部和外部的干扰、电源的纹波系数过大、器件负载过大等都会造成逻辑电平不稳定；另外,走线和布局的不合理等情况也会引起系统可靠性差。

       4） 电源故障

       若智能仪器存在电源故障,则加电后将造成器件损坏。电源的故障包括：电压值不符合设计要求；电源引出线和插座不对应；各档电源之间短路；变压器功率不足,内阻大,负载能力差等。

       2. 常见的软件故障

       1） 程序失控

       这种故障现象是以断点连续方式运行时,目标系统没有按规定的功能进行操作或什么结果也没有。这是由于程序转移到没有预料到的地方或在某处循环所造成的。这类错误产生的原因有： 程序中转移地址计算有误、堆栈溢出、工作寄存器冲突等。

       在采用实时多任务操作系统时,错误可能在操作系统中,没有完成正确的任务调度操作；也可能在高优先级任务程序中,该任务不释放处理机,使CPU在该任务中死循环。

       2）中断错误

       （1）不响应中断。

       CPU不响应任何中断或不响应某一个中断。这种错误的现象是连续运行时不执行中断服务程序的规定操作。当断点设在中断入口或中断服务程序中时反而碰不到断点。造成错误的原因有： 中断控制寄存器（IE、IP）初值设置不正确,使CPU没有开放中断或不允许某个中断源请求；

       对片内的定时器、串行口等特殊功能寄存器的扩展I/O口编程有错误,造成中断没有被激活；某一中断服务程序不是以RETI指令作为返回主程序的指令,CPU虽已返回到主程序,但内部中断状态寄存器没有被清除,从而不响应中断；由于外部中断的硬件故障使外部中断请求失效。

       （2） 循环响应中断。

       这种故障是CPU循环地响应某一个中断,使CPU不能正常地执行主程序或其他的中断服务程序。这种错误大多发生在外部中断中。若外部中断以电平触发方式请求中断,那么当中断服务程序没有有效清除外部中断源（例如,8251的发送中断和接收中断在8251受到干扰时,不能被清除）时,或由于硬件故障使得中断一直有效,此时CPU将连续响应该中断。

       3） 输入输出错误

       这类错误包括输入操作杂乱无章或根本不动作。错误的原因有： 输出程序没有和I/O硬件协调好（如地址错误、写入的控制字和规定的I/O操作不一致等）；时间上没有同步；硬件中还存在故障等。        总之,软件故障相对比较隐蔽,容易被忽视,查找起来一般很困难,通常需要测试者具有丰富的实际经验。

       二、 故障诊断的基本方法

       前面已经说过,由于微处理器引入到仪器仪表中,使智能仪器的功能大大增强,同时也给诊断故障和排除故障增加了困难。首先,判断出仪器故障属于软件故障还是硬件故障就比较困难,这项工作要求维修人员具有丰富的微处理器硬件知识和一定的软件编程技术才能正确判断故障的原因,并迅速排除。

       虽然利用自诊断程序可以帮助我们进行故障的定位,但是,任何诊断程序都要在一定的环境下运行,如电源、微处理器工作正常等环境。当系统的故障已经破坏了这个环境,诊断程序本身都无法运行时,诊断自然就无能为力了；另外,诊断程序所列出的结果有时并不是惟一的,不能定位在哪一具体部位或芯片上。因此,必要时还应辅以人工诊断才能奏效。下面介绍一些诊断故障的基本方法。

       1. 敲击与手压法

       我们经常会遇到仪器运行时好时坏的现象,这种现象大多数是由于接触不良或虚焊造成的,对于这种情况可以采用敲击与手压法。

       所谓敲击,就是对可能产生故障的部位,通过橡皮榔头或其他敲击物轻轻敲打插件板或部件,看看是否会引起出错或停机故障。所谓手压,就是在故障出现时,关上电源后,对插接的部件和插头插座重新用手压牢,再开机试试是否会消除故障。如果发现敲打一下机壳正常,最好先将所有接插头重新插牢再试；如果手压后仪器正常,则将所压部件或插头的接触故障消除后再试；若上述方法仍不成功,则选用其他办法。

       2. 利用感觉法

       这种方法是利用视觉、嗅觉和触觉发现故障并确定故障的部位。某些时候,损坏了的元器件会变色、起泡或出现烧焦的斑点；烧坏的器件会产生一些特殊的气味；出故障的芯片会变得很烫；另外,有时用肉眼也可以观察到虚焊或脱焊处。

       3. 拔插法

       所谓“拔插法”,是通过拔插智能仪器机内一些插件板、器件来判断故障原因的方法。如果拔除某一插件或器件后仪器恢复正常,则就说明故障发生在那里。

       4. 元器件交换试探法

       这种方法要求有两台同型号的仪器或有足够的备件。将一个好的备品与故障机上的同一元器件进行替换,查看故障是否消除,以找出故障器件或故障插件板。

       5. 信号对比法

       这种方法也要求有两台同型号的仪器,其中有一台必须是正常运行的。使用这种方法还要具备必要的设备,例如,万用表、示波器等。按比较的性质可将其分为电压比较、波形比较、静态电阻比较、输出结果比较、电流比较等。

       具体的做法是： 让有故障的仪器和正常的仪器在相同情况下运行,而后检测一些点的信号,再比较所测的两组信号。若有不同,则可以断定故障出在这里。这种方法要求维修人员具有相当的知识和技能。

       6. 升降温法

       有时,仪表工作时间较长或在夏季工作环境温度较高时就会出现故障。关机检查时正常,停一段时间再开机也正常,但是过一会儿又出现故障,这种故障是由于个别IC或元器件性能差,高温特性参数达不到指标要求所致。为了找出故障原因,可以采用升降温方法。所谓降温,就是在故障出现时,用棉纤将无水酒精在可能出故障的部位抹擦,使其降温,观察故障是否消除。所谓升温,就是人为地把环境温度升高,比如将加热的电烙铁靠近有疑点的部位（注意,切不可将温度升得太高以致损坏正常器件）,试看故障是否出现。

       7. 骑肩法

       骑肩法也称并联法。把一块好的IC芯片安装在要检查的芯片之上,或者把好的元器件（电阻、电容、二极管、三极管等）与要检查的元器件并联,保持良好的接触。如果故障出自于器件内部开路或接触不良等原因,则采用这种方法可以排除。

       8. 电容旁路法

       当某一电路产生比较奇怪的现象,例如显示器上显示混乱时,可以用电容旁路法确定有问题的电路部分。例如,将电容跨接在IC的电源和地端；将晶体管电路跨接在基极输入端或集电极输出端,观察对故障现象的影响。如果电容旁路输入端无效,而旁路它的输出端时,故障现象消失,则问题就出现在这一级电路中。

       9. 改变原状态法

       一般来说,在故障未确定前,不要随便触动电路中的元器件,特别是可调整式元器件更是如此,例如电位器。但是,如果事先采取复位参考措施（例如,在未触动前先做好位置记号或测出电压值或电阻值等）,必要时还是允许触动的,也许改变之后故障会消除。

       10. 故障隔离法

       故障隔离法不需要相同型号的设备或备件做比较,而且安全可靠。根据故障检测流程图，分割包围逐步缩小故障搜索范围,再配合信号对比、部件交换等方法,一般会很快查到故障所在。

       11. 使用工具诊断法

       利用维修工具和测试设备对IC芯片、电阻、电容、二极管、三极管、晶闸管等元器件进行测试、分析、判断。测试观察的内容主要是信号波形、电流、电压、频率、相位等参数,根据这些所得信息进行故障诊断。

       12. 直接经验法

       维修人员经过一定时间的维护实践,对于所使用的仪器系统已比较熟悉,积累了丰富的经验,清楚什么部位有什么特征,什么是正常现象,什么是异常现象。当系统发生故障时,常常可用直接观察的方法,凭借维修经验,找出故障并迅速排除。

       13. 软件诊断法

       软件诊断法也是智能仪器的一种有效的故障诊断方法。通常智能仪器都是具有故障自动诊断功能,这是由预先编制的软件程序实现的。具体方法已在第2章介绍过,这里不再叙述。

       三、故障的处理方法

       上面介绍了故障诊断的一些方法,但诊断出故障的准确部位只能说是完成了维修工作的一大部分,剩下的10％的任务是修理工作。即便是这一小部分工作,如果不加以重视,也会达不到预期的目标甚至是功亏一篑。本节主要介绍一些智能仪器修理方面的知识,这些知识对于任何电子产品的修理也是适用的。

       1. 去除被替换元器件

        如果已经诊断出某个元器件已经损坏,或者怀疑它有问题,就要把它从原位置上取下来。这一工作对于两个接线端或者带插座的IC器件是比较容易的,但是对于那些直接焊接在印刷电路板上的IC芯片或者多头的元器件,如三极管、继电器、电阻排等,就决非易事。要拆除这类元器件一般可用下面几种方法：

       (1) 使用“塑料吸管”,也就是不带电烙铁的吸锡器。使用过程是先用电烙铁加热要去除的焊锡,直到熔化,然后把真空吸管对准热的焊锡,快速移去烙铁,同时放松真空泵上的弹簧,这样就能把焊锡吸到管内的一个存放室。

       (2) 采用兽医用的大号注射针头将其磨平后,一边用烙铁加热焊锡使其熔化,一边快速将针头套住引脚插下去,使焊锡与引脚分离。

       (3) 先用一根铜丝束带与焊锡相接触,然后加热焊点附近处的铜束,铜束很快升温,并且把热量传给焊锡,焊锡就熔化,在毛细作用下进入铜丝束带,焊锡被吸走。

       (4) 采用一种叫做“起出器”和“熔焊头”的专用工具。要焊下芯片时,只要把这个“起出器”插在芯片上,同时用“熔焊头”在印刷板的背面加热,待焊锡全部熔化后，压下“起出器”上方的按钮,这时弹簧片对芯片产生一个向上的弹力,芯片就会弹起,脱离电路板。

       2. 去除焊接残留物

       取出元器件后,电路板孔中不可避免地还有残留的焊锡。这时可以先加热使其熔化,然后快速地将牙签或小铁钉插入孔中待焊锡冷却后拔出,这样就能使孔保持敞开,以便以后再插入元器件。去除堵在焊孔中的焊锡的另一种方法是使用微型钻头把焊孔钻通,但采用这种方法时,一定要把钻孔产生的碎屑全部清除干净。可以用放大镜来进行仔细检查。

       3. 修理电路板

       在焊上新元件以前,先要检查一下有没有与板脱离了的导线或焊片。如果导线断了,则应重新焊接使导线连上,可使用18＃或20＃导线。最好使用背面有粘着剂的印刷线重新贴在损坏的地方,刮去新印刷线两端表面的氧化层,使它能与老的线路相焊接,再把多余的锡粒全部扫清,钻通所有被垃圾填没的引脚孔。

       4. 检查替换的元器件

       在焊接以前先检查一下替换的元器件是很有必要的。这就需要维修人员具有较高的理论知识和测试技术,借助于常用的测试仪器对电阻、电容、二极管、三极管、IC芯片等进行测试判断。也可采用更简单的办法,把芯片和其他元器件的引脚插到对应的焊孔中去,并且用牙签塞紧,然后上电。如果功能正常,则就可以拔去牙签,焊上元件。

       5. 焊接

       毫无疑问,手工焊接是电子维修中最不引起重视、最容易操作失误的一项工作。许多人不但焊接技术差,而且烙铁也经常用错。焊接不是仅仅简单地把两种金属连在一起,它的正确意义是,把两种金属熔化并组合成一种像机械连接在一起的、牢靠的电气连接。在这一过程中对时间和温度的要求很严,在正确使用烙铁时,手工焊接通常在1.5 s或更短的时间内完成。为了清洁焊接处的油腻、灰尘或氧化层,应该使用品质良好的清洁助焊剂。

       焊接成功的关键是电烙铁。要选择一把工作温度与要修理的电路板相适应的烙铁,功率太低或太高的电烙铁都是不正确的。烙铁头应该尽可能大些,但要比被焊的元件稍小。为了使烙铁头不被氧化腐蚀,在使用过程中随时给焊头烫上一层锡,这样既可以使热传导加快,同时也避免其被氧化。用旧了的焊头总是发黑而肮脏的,并有被腐蚀的凹坑,它的导热性能不那么好,应该用砂纸进行摩擦后重新烫上锡,就能再次使用。在焊头还未冷却时,用湿海绵进行拭擦,这是一种错误的方法,这样会擦去其保护层,从而使焊头表面暴露在空气中受到氧化。最好的方法是烫上一些新的锡。

       6. 调试

       修理完毕后,应该对某些参数重新调试并试运行,使得维修后仪器的性能指标和原来的产品一致。只有这样,整个维修任务才算完成,否则就得重新维修。