1.3.2 數字電路的故障診斷方法

數字電路故障診斷的原理是暗箱理論，是通過向被測電路的輸入端加載激勵信號，根據輸出端的響應信號、整個電路的拓撲結構及一定的函數算法與運算規則，確定出電路的故障原因及其故障位置的。它的基本過程是，先通過測試程序在被測電路加載測試激勵信號，然后在輸出端得到該激勵信號的響應信號，把得到的響應信號與正確情況下的進行比較，兩者一致表明電路系統的功能正常，如果不一樣就能判斷被測電路存在功能性問題，并判斷故障的位置。但是，應該認識到，對電路系統進行故障檢測，并不是僅僅為了判斷電路是否存在故障，而是為了判斷出電路存在故障后，能對故障進行修復。實際上，故障修復是電子系統故障診斷中非常重要的一部分，不僅需要確定故障的位置，還要結合電路原理圖和電路工作狀態判斷故障出現的原因。故障修復是建立在對使用的數字電路有清楚的認識的基礎上的，后續在電路的設計和工藝上做出相應改進，提高電路的安全性和可靠性。

數字電路，是指用數字信號完成對數字量進行算術運算和邏輯運算的電路。由于數字電路中的狀態非0即1，所以數字電路中的元器件需要擁有兩種或多種狀態來完成數字電路中的信號處理。

根據電路的邏輯功能，數字電路分為時序邏輯電路和組合邏輯電路兩種。時序邏輯電路具有存儲功能的觸發器。時序邏輯電路的輸出信號除了與當前的輸入信號有關，之前的輸入信號對邏輯電路現在的輸出信號也有影響。而組合邏輯電路與時序邏輯電路不同，組合邏輯電路是由各種各樣的邏輯門電路組成的，沒有存儲功能的觸發器，沒有存儲記憶功能。這樣的電路不存在反饋，某一時刻的輸出信號只與這個時刻的輸入信號有關系。

數字電路系統的故障診斷，需要逐步對故障進行定位，根據電路原理依照一定的順序，結合數字電路的輸入信號和輸出信號進行比較，判斷故障的位置。如果電路中存在非周期性的數字信號，傳統的方法行不通，需要利用邏輯分析儀對數字電路進行測量，觀察信號，判斷被測數字電路的運行狀態。實際上，常見的被測數字電路的輸入和輸出變量從幾十個到數百個，被測數字電路系統的復雜度很高，對數字電路進行故障診斷的實際操作非常復雜。如果是時序邏輯電路和組合邏輯電路的混合電路，診斷的難度就更高了，所以需要計算機輔助處理，人工實現的可能性太低。

隨著制造工藝更加精良，數字電路的器件越來越精細，集成度越來越高。但是電路中依然存在一定數量的缺陷，相當部分缺陷發生在電路內部，而進入數字電路的內部觀察是不現實的，只能對電路的外部引線進行測量。

1.組合邏輯電路的故障診斷

組合邏輯電路任意時刻的輸出狀態僅由該時刻的輸入狀態決定。組合邏輯電路的故障診斷方法有多種，下面對常用的兩種方法的原理進行闡述。

（1）偽窮舉法

偽窮舉法的主要思想就是，在所有可能的輸入信號中，列出所有和故障有關的激勵信號。顯然，如果電路的輸入信號只有幾個，通過窮舉法來進行診斷是可行的，但是如果數字電路的規模非常大，則窮舉法非常煩瑣。為了解決窮舉法難以實現的問題，工程技術人員在窮舉法的基礎上提出了偽窮舉法。

窮舉法的最大缺陷就是工作效率低下。窮舉法的時間復雜度是與解空間的個數有關的，而解空間的個數為2n（n是電路輸入信號的維數）。

偽窮舉法的關鍵就是分塊，逐步細化與故障有關的端口，通過電路分塊減小輸入矢量的維度，降低電路的規模。

（2）故障表法

按照測試目錄的選擇，故障表法可以分為固定目錄法和自適應目錄法。固定目錄法指的是，測試結果和選擇哪個測試目錄沒有關系的故障表法。相反，自適應目錄法指的是，測試結果和選擇哪個目錄有關的故障表法。

利用故障表法，求固定目錄故障檢測最小測試集，其主要過程如下：

1）第一，構造故障表。

2）第二，構造故障檢測表。

3）第三，確定最小的測試集。

2.時序邏輯電路的故障診斷

由于時序邏輯電路中存在存儲元件，所以時序邏輯電路的故障診斷的復雜性遠大于組合邏輯電路。針對時序邏輯電路的故障診斷的解決方法主要包括兩類：第一種叫作線路測試法；第二種叫作轉換核對法。這兩種方法的區別主要在于，工程技術人員對電路中的故障是否確定并且了解。線路測試法，是建立在工程技術人員對電路中可能發生的故障確定了解的基礎上的；而轉換核對法是假設工程技術人員對電路的故障不了解，但是知道要對電路實現的轉換。前者在小規模電路中的應用比較多，效率比后者高。

（1）線路測試法

對于任意的同步時序邏輯電路來說，都存在一組最短的故障測試序列，可以覆蓋電路中所有的永久性故障。

用線路測試法進行故障診斷時，先做如下的假設：

1）被測電路是最簡狀態的。

2）電路中的故障是永久性的固定0故障或固定1故障，或者多故障。

3）復位信號可以使被測電路處于唯一的初始狀態，而且故障發生后會產生新的存儲單元。

（2）轉換核對法

轉換核對法的一般步驟如下：

1）第一階段，被測電路系統先到達一個指定狀態，通常來講，這個初狀態是把一個復原序列加載到系統上，然后再觀察電路系統的響應，直到被測電路的狀態達到期盼的一種啟動狀態。

2）第二階段，又稱為狀態識別階段，把一個可以區分的序列重復地加載到被測電路系統上，觀察電路系統的響應狀態是不是有N種。

3）最后一個階段，又稱為狀態核對階段，在被測電路上執行所有可能的轉換。