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数字电路检修方法和特点

    微处理器(MPU)、智能仪器、脉冲电路、大规模集成电路在医疗仪器设备中应用日益广泛,数字电路的维修已成为医学工程技术人员所必须掌握的基本技能。但由于数字脉冲电路的复杂性及其维修方法的特殊性,许多维修技术人员尤其是中小医院的工程技术人员有所畏难,不知如何着手。笔者结合自己多年来的维修经验,简单地谈谈数字电路的一般检修方法,以供同行参考。
一、数字检测设备 原来适用于一般医疗设备维修的电子仪器,大部分已不适应数字电路的维修。因此,在维修数字电路前,应首先具备维修数字电路所必须的专用电子检测仪器,一般有:数字多用表,逻辑探针,逻辑脉冲源,脉冲示波器,电流跟踪仪,逻辑分析仪及其它专用检测设备。
二、组合逻辑电路的特点 组合逻辑电路其任一时刻的输出取决于该时刻的输入,而与以前各时刻的输入无关。常见的组合逻辑电路有编码器、译码器、半加器、全加器,结构相对简单,维修可按照电路的逻辑功能,通过逻辑脉冲源产生激励信号作为输入,利用多用表或逻辑探针测试电路的输出状态(“高电平”、“低电平”、或“高阻”),以确定具体单元电路的好坏。常见故障原因有:
1、输入或输出开路。 当TTL 电路输入悬空相当于输入处于“高电平”状态,对于输入来说可能阻塞前级过来的输入信号,对于输出来说,将使受该输出激励的所有下级电路的输入为高电平,可能导致逻辑功能的改变。
2、输入或输出对地短路。当对地短路时,输入或输出将始终保持“低电平”,同样将导致逻辑功能的改变,发生故障。
3、输入或输出对电源短路。输入或输出对电源(VCC,+5V)短路将始终保持“高电平”,影响信号的输入或输出,使逻辑功能混乱,发生故障。
4、集成电路故障 集成电路故障将导致整个与其相关的电路逻辑功能发生改变,影响该电路的正常运行。对怀疑损坏的IC可进行功能测试或替代法来确定。
三、含有时序逻辑电路的数字电路特点 时序逻辑电路其任一时刻的输出不仅取决于该时刻的输入,而且还与过去各时刻的输入有关。常见的时序逻辑电路有触发器、计数器、寄存器等。由于时序逻辑电路具有存储或记忆的功能,检修起来就比较复杂。带有时序逻辑电路的数字电路主要故障分析:
1、时钟时钟是整个系统的同步信号,当时钟出现故障时会带来整体的功能故障。时钟脉冲丢失会导致系统数据总线、地址总线或控制总线没动作。时钟脉冲的速率、振幅、宽度、形状及相位发生变化均可能引发故障。
2、复位 含有微处理器(MPU)的设备,即使是最小系统,一般都具有复位功能。复位脉冲在系统上电时加载到MPU上,或在特定情况下使程序回到最初状态(例如看门狗Watchdog 程序)。当复位脉冲不能发生、信号过窄、信号幅度不对、转换中有干扰或转换太慢时,程序就可能在错误的地址启动,导致程序混乱。
3、总线 总线传递指令系列和控制事件,一般有地址总线、数据总线和控制总线。当总线即使只有一位发生错误时,也会严重影响系统功能,出现错误寻址、错误数据或错误操作等。总线错误可能发生在总线驱动器中,也可能发生在接收数据位的其它元件中。
4、中断 带微处理器(MPU)的系统一般都能够响应中断信号或设备请求,产生控制逻辑,以暂时中断程序执行,转到特殊程序,为中断设备服务,然后自动回到主程序。中断错误主要是中断线路粘附(此时系统操作非常缓慢)或受到干扰(系统错误响应中断请求)。
5、信号衰减和畸变 长的并行总线和控制线可能会发生交互串扰和传输线故障,表现为相邻的信号线出现尖峰脉冲(交互串扰),或驱动线上形成减幅振荡(相当于逻辑电平的多次转换),从而可能加入错误数据或控制信号。发生信号衰减的可能原因比较多,常见的有高湿度环境、长的传输线、高速率转换等。而大的电子干扰源会产生电磁干扰(EMI),导致信号畸变,引起电路的功能紊乱。
四、数字电路的检修程序和方法 在检修数字电路之前应尽可能熟悉系统的结构原理和电路,然后是分析故障的表征特性,尽可能地缩小故障产生的范围。较高档的医疗设备一般带有自诊断程序,可充分利用它查找故障,将故障定位到较小范围。
1、检查电源 数字电路较常采用±5V、±15V、±12V 电源。当电源对地短路或电源稳定性差都可能导致系统故障,表现为系统无反应、系统程序紊乱等。一般来说,电源对地短路是因为电容(去耦电容)短 路产生的,找到故障电容最好的办法是采用电流跟踪仪跟踪短路电流,没有电流跟踪仪的只好将电路分单元查找替换。
2、检查时钟 时钟电路一般由石英晶体电路组成(也有采用R C振荡电路的)。根据经验,石英晶体较易损坏。可用示波器测试时钟信号的频率、振幅、相位,或简单地用逻辑探针检测时钟脉冲的有无。对各个单元电路的时钟均应检测,以防断线、松脱、干扰等引起时钟脉冲的不正确。
3、检查总线 用逻辑探针检查总线上是否有脉冲活动,若总线上没有脉冲活动,可继续检查总线驱动器输入端有无脉冲信号、驱动器是否在允许状态、驱动器是否响应激励等,来确定故障是否是由于总线驱动器引起的,然后轮流检查每一个总线接收者。另外,可以关掉电源,用多用表检查总线各线的 对地电阻,如果所有线的阻值一样,那么总线估计正常;如果一条或多条线的阻值与其余的不同,那么该线值得怀疑;如果有两根线的阻值相同,而又高于或低于其它的线,那么这两条线可能相互短路了。
4、检查关键的脉冲信号 用逻辑探针、示波器或逻辑分析仪观察复位、使能、选通、读写、中断、读内存等控制信号,可以较好地判断集成电路(IC)是否正常工作。当复位信号有效时,输出应被清零或置位,IC 程序应回到初始状态运行;当使能信号有效而时钟脉冲正常时,数据线上应有脉冲活动;IC当逻辑探针连到读内存线上,而指示灯没有闪烁显示(即读内存线上没有脉冲活动),说明微处理器可能在 程序的某处卡住了,因为每一条指令读地址处存储器时,读内存线上通常是应有脉冲信号的;对于中断信号,可用逻辑探针来观察是否发生中断线路粘附,也可通过外加直流电压或低电平来控制(允许或禁止)被测试的中断。

5、检查接口 接口卡、印刷板与插座插接时可能松脱或偏离中心导致接触不良而引发故障,实际上很多故障的确是由此产生的,对此可用无水酒精擦拭清洁接口后再重新插接固定。另外数字系统还常常通过外部通信线路(RS232、MODEM、IEEE-488 等) 与其它系统连接,而连接线通常很长,还可能暴 露于电子干扰源下,例如继电器、电机、变压器、大型 X 线机、阴雨天闪电等,连接口接触不良和电子干扰源的电磁干扰(EMI)均可能会产生错误的数据传送,甚至损坏相关的元件。对电磁干扰最好找出干扰源后排除它,其次可改善工作环境 (如湿度和温度等),加强屏蔽,或改用屏蔽性能好的连接线。数字电路的检修有许多方法技巧,必须通过长期实际工作摸索总结经验,才能更好地诊断、发 现、排除故障,提高数字电路的维修技术水平。

 

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