数字电路的故障检查和排除

1、数字电路的故障检查和排除实验中,完全不出故障是比较困难的,通常会遇到下述三类典型的故障:设计错误、布线错误、 器件与底板故障,其中大量的故障出现在布线错误上,如:导线插入面包板插孔不够深,接触不到金 属导体或接触不良,或者插孔外裸露导线部分太多,左右相邻孔间导线造成短路等。清楚和规则的布 线才能有利于实现电路功能,并为检查和排除电路故障提供方便。下面基于正确设计前提下,总结故障检查方法。1、全部连线接好以后,通电前仔细检查一遍。检查集成芯片是否选择正确,方向是否插对,引 脚有无折弯、互碰情况,多余输入端处理是否正确,是否有两个以上输出端错误地连在一起等。布线 是否合理,是否有相碰短路现象。2、

2、电源线与地线在内的连线是否有漏线与错线。每个集成芯片只有在加了额定电源电压时才能 正常工作,完成其逻辑功能。对 TTL 电路,应为 5V ; CMOS 电路,一般为 4V 15V ,错误的电压值 可能导致芯片不工作、功能错误甚至损坏。所以在给电路提供电源前,需要先用万用表的 “ 欧姆 ×10” 挡,测量实验电路的电源端与地线端之间的电阻值,排除电源与地线的开路与短路现象,并且使用万 用表的 “ 直流电压挡 ” 测量直流稳压电源输出电压是否为所需值, 然后再将稳压电源的输出接到实验电 路中,并观察电路及各器件有无异常发热等现象。如芯片过烫、冒烟应立即切断电源。 图 1正确的检查芯片工作

3、电源的方法 图 2 错误的检查芯片电源的方法3、在 2的基础上再检查各集成芯片是否均已加上电源。可靠的检查方法是如图 1所示那样, 用万用表的测试表笔直接测量集成芯片电源端和地线两引脚之间的电压。这种方法可以检查出断 线、引线虚接、因芯片管脚折断或折弯而未能插入实验底板的情况。图 2中,虽然能判断出电源 已经接到面包板的窄条上,但不能确保芯片工作电源正确。4、 如果无论输入信号怎样变化, 输出一直保持高电平不变, 则可能集成电路没有接地或接地 不良。若输出信号保持与输入信号同样规律变化,则可能集成芯片没有接电源。5、对有多个与输入端的器件,如果实际使用时有输入端多余,在检查故障时,可以调换另外

4、 的输入端试用。6、对于组合电路,常采用静态法(或单步工作测量。使电路处于某一输入状态下,观察电 路的输出是否与设计要求相一致,用真值表检查电路是否正常。若发现差错,则把电路固定于这 一故障状态,用万用表测试电路中各器件输入、输出端的电压。对于 TTL 电路,所测值应该符合 表 1的数值范围。除了三态门外,数字电路的输出要么高电平,要么低电平。若某点出现了中间 状态,那么该点肯定有问题。表 1 TTL电路静态工作时各引出端电压值引出端所处状态 电压范围输出高电平 2.7V输出低电平 0.4V悬空输入端(所有与输入端均悬空 1.01.4V悬空输入端(有一个与输入端接低电平 0.3V 0.4V悬空

5、输入端(有一个与输入端接地 0.1V两输出端短路(两输出端状态不同时 0.62.0V7、对于时序电路,首先用示波器检查时钟信号是否加上,是否满足电路对时钟的要求。如时 钟频率,高低电平,上升、下降时间等。再用静态或动态的方法进行检查。静态检查是将时钟信 号改为 “ 手动单次 ” 脉冲,在某一故障的工作状态,逐级检查。动态检查则在某一规律信号作用下 检查各级工作波形。具体检查次序可以从输入端开始,按信号流程依次逐级向后检查,也可以从 故障输出端向输入方向逐级向前检查,直至找到故障点为止。8、 对于含有反馈线的闭合电路, 应设法断开反馈线进行检查, 必要时对断开的电路进行状态 预置后,再进行检查。

6、9、当怀疑某一集成芯片损坏时,要将其输入、输出端与其他电路断开,单独对其功能进行测 试。10、 TTL 电路工作时产生电源尖峰电流,可能会通过电源耦合破坏电路正常工作,应采取必 要的去耦措施。11、当电路工作在频率较高时,应从下列方面采取措施:(1减小电源内阻,加粗电源线与地线,扩大地线面积或采用接地板,将电源线与地线夹在 相邻的输入与输出信号线之间起屏蔽作用;(2各逻辑线尽量不要紧靠时钟脉冲线;(3缩短引线长度;(4驱动多路同步电路的时钟脉冲信号,要求各路信号的延时时间尽可能接近。12、对于 CMOS 电路,要预防锁定效应,这是器件的固有故障现象。其原因是由于器件内部 有正反馈,使工作电流越

7、来越大,直至发热烧坏。当 CMOS 器件工作在较高电源电压或输入、输 出信号由于某种原因高于 VDD 或低于 VEE 时,就可能出现锁定效应。因此,在电路中应采取措 施加以预防。13、有时故障比较隐蔽,如集成芯片性能下降而造成器件功能不正常,则可以用相同型号的 优质器件替代,再观察电路故障是否消除。应用此方法时,一定要在断电情况下才能拔插更换芯 片。对电路的故障排除过程,多是借助示波器、万用表等仪器仪表进行的,所以要求使用者一定 要熟悉这些仪器设备。一般在进行实验前,先检查仪器是否能正常使用。而对于仪器设备引起的 故障,测量线损坏或接触不良发生率最高,使用者要尤其注意。其次在使用仪器设备时做到

8、安全 使用,延长仪器寿命。组合电路安装调试技巧以图 3所示的由门电路实现的一个小规模组合电路为例来说明电路安装调试及故障排除的方 法与过程。首先在原理图上加上文字说明及数字标号, 作为实验接线的依据, 如图 4所示。 U1代表 7400, U2代表 7420。在每个门的输入、输出端标注使用的器件的引脚。根据该电路在面包板上搭试电 路,信号 A 、 B 、 C 、 D 由实验箱上的的逻辑开关提供,以获得所需的逻辑电平输入;输出 Y 连接 到 LED 指示灯上,用于观察输出电平的变化。测试输入变量各种情况下的输出,列出真值表如表 2所示。AB Y 图 3 小规模组合电路 图 4 有文字标注的小规模

9、组合电路表 2 电路对应的真值表如果测试该电路时,某种输入下的输出与原理分析有悖,则要排除故障。对于组合电路,可 根据逻辑表达式或真值表由前向后逐级检查。但更快的检查方法,应该是由后向前逐级检查。 现在人为制造一个故障点, 如将 U1-4的 11脚与 U2-1的 4脚断开, 来介绍故障排除的一般流 程。将输入逻辑开关置在 0011状态,根据逻辑图的分析,此时输出指示灯应为灭,但显示灯却是 亮的。用万用表首先检查三个芯片的电源引脚是否供电稳定。排除电源的问题后。用万用表从后 向前测各点的电平并与理论值比较。最后一级与非门输出应为 “0” ,根据 “ 有低出高,全高出低 ” , 则检查 U1-3的

10、 9脚、 10脚是否为 “1” ,会发现 U1的 10脚出现错误的 “0” ,从而导致结果错误。 那么这个错误的 “0” 信号是由于什么原因造成的呢?再 “ 顺藤摸瓜 ” 去检查 Uu2的 6脚是什么状态。 如果 U2的 6脚也是 “0” ,还要向前找问题(如果 u2的 6脚是 “1” ,就要检查 U2的 6脚到 u1的 3脚间的导线是否插错位置,或者断线 。检查 U2-1的三个输入端 1脚、 2脚、 4脚的状态,根据理 论分析,此时 U2的 1脚为 “1” , U2的 2脚为 “1” , U2的 4脚为 “0” 。用万用表分别测量芯片的三 个引脚,发现 1脚和 2脚均是 “1” ,约 5V

11、,而 4脚仅有 1.4V ,再向前检查 U1-4的 11脚,发现该 引脚状态正常。则缩小范围,问题是在 U1的 11脚到 U2的 4脚连接上,可能是断线、错接、漏 接,或者面包板接触不良,造成此两点间未能正常导通。把该跟导线重新接好,则故障排除,电 路能够正常工作了。注意:如果向前检查到第一级的输入,都没有找到问题,还应继续检查逻辑开关输出状态。 时序电路调试技巧和所有数字电路调试一样,在开始时序电路调试之前,首先要先清楚了解电路中所有的器件 功能,了解使能端、清零端、置位端的使能电平是什么,时钟端是上升沿触发还是下降沿触发, 电路的初始状态是什么,自启动特性如何,大致画出各部分电路的状态转移

12、图和时序关系图。常 用的时序电路的调试方法主要有两种, 静态 (单步 调试和动态调试。1、静态调试静态调试是时钟输入端加单步脉冲,同时根据状态转移的要求合理设置输入信号值,遍历时 序电路的全部状态,来验证电路的结果是否符合要求,发现和确定故障点的调试方法。常用的调 试步骤如下:1 把电路的各输入端分别接到逻辑电平开关上,根据电路的要求,通过逻辑电平开关给输入信 号置相应的电平2 把经过消抖处理的手动单次脉冲发生器输出端连接到电路的时钟脉冲输入端3 把输入端、时钟端、输出端和一些关键节点如各触发器的输出端等接至发光二极管或数码管 上,连接时注意输出信号高、低位的排列顺序。4 首先调试控制电路部分

13、,保证计数器、分频器、序列发生器等控制信号产生电路能正常工作。 根据电路的要求,依次按动逻辑电平开关和手动单次脉冲按钮,观察输入、输出状态的变化 和转换情况是否符合状态转换表的规定。5 然后调整数据处理电路 , 如各种寄存器、计数器、累加器、编码、译码器等6 如电路存在故障,则把电路固定在某一故障状态,逐级进行检查,找出故障点。特别要注意 检查电路中时序功能件如集成触发器、 计数器等的使能端、 清零端、 置位端是否按要求接好。可单独测试其复位、置位和翻转功能,直至找到故障为止。7 如各单元电路工作正常,则相互连接,进行整体调试,调试方法和单元电路基本相同。 2、 动态调试动态调试是指电路的时钟

14、输入端在某一规律时钟信号作用下,借助示波器或逻辑分析仪观察 各级工作波形,检查时序电路是否按照预定的状态图(流程图要求,在时钟脉冲及输入信号作 用下完成预定的状态转换及输出控制信号。1 把时序脉冲发生器输出的连续周期性脉冲信号接到时序逻辑电路的时钟输入端,同时将电路 中的特定节点接到系统的显示部分作辅助检测电路2 给电路的时钟输入端加一周期性的连续时钟信号,并从需观察的所有波形中选择一个频率变 化最慢、最有特征的波形作为参考波形将该参考波形固定地送至双踪示波器 CH1通道,时钟 信号送到 CH2通道。例如,用示波器观测一个十进制加法计数器的 CP 及输出端 Q 0、 Q 1、 Q 2、 Q 3

15、的波形图。根据参考波形的选择原则,可以选择 Q 2或 Q 3作为参考波形。3 保持 CH1通道的参考波形不变,将电路的其他输出端依次接到 CH2通道,分别观察各输出 端信号与参考波形之间的关系,得到对应的波形图。这样观察的波形能正确反映彼此之间的 相位关系。4 对记录下来的波形进行分析,判断被测电路功能是否正确5 对于一些较难在示波器上观察清楚的信号,可以采用分组的方式进行观察。以数字钟上用到 的 60进制 BCD计数器为例,由于一个完整周期的周期数比较多,很难直接在示波器上清楚 观察,考虑到高位计数器的每个周期中都包含了低位上 10进制,因此可将其分为模 10和模 6两组进行观察。 第一组包括输入时钟、 低位模 10计数器的 4位 BCD 输出 Q 3Q 2Q 1Q 0; 第二组 包括低位模 10计数器的进位信号、高位模 6计数器的 3位 BCD 输出 Q 2Q 1Q 0。由于时序逻辑电路对各单元之间时序关系有严格要求,所以出现故障不易找出原因,因此无 论静态调试还是动态调试都应该注意以下问题:1 注意检查容易产生故障的环节,掌握排除故障的方法。出现故障时,可以从简单部分开始逐 级查找, 逐步缩小故障点的范围, 也可以对某些预知点的特性进行静态或动态测试, 判断故 障部位。2 应当十分注意各部分电路的时序关系。对各单位电路的输入和输出波形的时间关系要十分熟 悉;也要