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[摘要]随着微电子技术的迅速发展，电路的复杂性日益提高，使得用传统的实验设备和方法进行微电子电路和系统的维护已变得日趋困难，甚至不可能。如何能使电子设备处于完好的状态，如何能使电子设备的维修更加快捷、准确是我们面临的一项重要课题。
[关键词]数字电路板 故障诊断 理论
中图分类号：TN7 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1110020－01
一、电路板故障诊断的发展及研究方向
自60年代以来，对数字系统故障诊断的研究受到工业界和科技界的极大重视，并取得了一些成果。理论上较成熟的方法有通路敏化法、布尔差分法、D算法、星算法、特征分析法、因果函数分析法，它们都是对具体电路生成测试序列，分析确定故障的诊断方法。在数字电路故障诊断中，关键的一步是测试向量的生成，确定施加什么样的激励、在什么地方施加激励可以使故障激活以及确定在什么地方作测量。对于大规模电路的测试最昂贵、最复杂、最费时的部分是测试生成。目前，获取数字系统测试集的方法主要有非确定性测试生成和确定性测试生成两类。非确定性测试生成算法是指人工测试生成，即由测试人员根据对被测系统功能的了解，并结合实际测试经验，用人工的方法产生检测被测系统故障的测试集，它也包括随机测试生成，即用软件方法产生伪随机数，通过故障仿真对伪随机码进行筛选，以产生故障覆盖率较高的测试集。确定性测试生成是采用测试生成算法自动推导数字电路的测试矢量。
二、故障诊断理论
（一）故障诊断。故障诊断就是指在一定检测策略的指导下实施对被诊断系统的自动检测，也就是发现故障、定位故障的过程。诊断是建立在检测和故障测试的基础之上，同时又是检测和测试的进一步发展。故障诊断的目的是:提高系统运行的可靠性与安全性，提高系统的运用率，降低运用综合成本，优化运行管理。
（二）故障诊断模型。一个元件、电路或系统的物理故障是千变万化的，一方面故障的种类是各种各样的，以短路故障为例，一个门电路就存在输入端之间的短路、输入端与输出端之间的短路等等。另一方面，故障的数目在各种系统中有很大的差异。因此为了研究故障对电路或系统的影响、诊断故障的位置，有必要对故障作一些分类并构造典型的故障，这个过程叫做故障的模型化。用来代表一类故障的典型故障称为模型化故障。故障模型化的基本原则有两个：一个是模型化故障应能准确地反映某一类故障对电路或系统的影响，即模型化故障应具有典型性，准确性和全面性；另一个原则是模型化故障应该尽可能简单，以便作各种运算和处理。以下是几种常用的故障模型。
1．固定型故障。固定型故障模型主要反映电路或系统中某一根信号线上的信号不可控，即系统运行过程中该信号线，永远固定在某一个值上。在数字系统中，如果该信号线固定在逻辑高电平上，则称之为固定1故障（s-a-1）；反之，如果该信号线固定在逻辑低电平上则称为固定0故障(s-a-0)。故障模型s-a-1和s-a-0都是针对故障对电路的逻辑功能而言的，同具体的物理故障没有直接联系。
2．桥接故障。桥接故障常见的有元件输入端之间的短路，输入端与输出之间的短路(形成了反馈)。固定型故障不会改变电路的拓扑结构，它只是使电路中某一节点的值不可控。桥接故障会改变电路的拓扑结构，导致系统的基本性能发生根本性的变化，这会使自动测试与故障诊断变的十分困难。另外，还有开路故障和时滞故障和时滞故路这样的故障，由于它已经使原电路的拓扑结构发生了改变，而故障诊断的基本依据就是电路的拓扑结构，所以通常会回避这种短路故障或在诊断前采用专门的技术来排除掉它。因此在这里我们只研究固定型的单故障。
（三）故障诊断原理。数字系统诊断的基本思想是暗箱理论即向被测对象输入测试代码，再根据输出的响应信息和响应的故障模型、函数算法和运算规则，确定出故障的类型和位置。它是用测试程序产生的测试向量去激励被测对象并获取相应的输出响应，再经过与正常情况的比较确定故障点给出诊断结果。在故障诊断中，核心的问题是确定施加什么样的激励，可以使故障激活同时能在可及端测量出来，以及确定在什么地方施加激励、什么地方进行测量。
三、诊断方法
不同种类的PCB板有不同的功能和不同的故障特点，它们故障检测、诊断的方法也各不相同。常用故障诊断的方法有：
（一）故障字典法。它是目前比较典型也较实用的方法。它的基本思想是预先根据经验或实际需要，确定所要诊断的故障集，再求电路存在某一个故障时的响应，然后将所得响应作必要处理，作为相应故障的特征。这样就可编制成一部故障与特征对应的字典，将其存入标准数据库，建立故障查寻表。在利用这部字典作实际电路诊断时，对电路施加与测前模拟时完全一样的激励，取得响应的特征，最后在故障查寻表中查找与此特征对应的故障。如果字典中查不到与特征对应的故障，说明发生了字典中未收录的故障。由于测前模拟的工作量和字典容量的限度，字典法适合作硬件故障的诊断，对于少量软件故障的处理也是在转化为硬件故障的条件下来处理的。
（二）特征分析法。为了进行特征分析，应使被测电路在一定信号的激励下运行起来，因此一般需要从被测电路中取得四个信号:启动信号、停止信号、时钟信号和数据信号。其中时钟信号决定进行同步测量的速率，完全周期性的重复启动、停止，对信号确定了一个时间窗口，而所谓的特征分析就是在这个窗口内观测数据信号的波形，提取特征。该特征信号能正确反映被测点波形的特征，通过比较该特征即可进行故障检测。在提取特征前经常需要把响应序列进行压缩以减少占用计算机的内存和提高测试速度。这种诊断方法能把故障定位到元件级，故障检测率达99.9%以上，但它对被测电路只能进行动态的观测，使其使用范围受到一定的限制。目前常用的特征是由线性反馈移位寄存器(LFSR)组成的特征分析器、跳变次数测试(TC)和症候群测试(Syndorme)等得到的特征。
（三）边界扫描测试法。边界扫描技术是一种扩展的自测试技术，在测试时不需要其它的测试设备。它不仅可测芯片或PCB板的逻辑功能还可测试C1之间或PCB之间的连接是否存在故障。边界扫描测试是基于IEEEI149.1标准的一种测试法，IEEEll49.1意味着每一个符合IEEE1149.1标准的器件，在其引脚和内部逻辑之间插入标准的边界扫描单元，这些单元彼此串联在器件的边界构成移位寄存器。边界扫描技术只适合具有边界扫描特性器件的电路板，有关BS器件的不断增加，这种技术将在故障检测领域中占主导地位。
湘南学院科学研究项目，项目编号是：05Y027
参考文献：
[1]王格方、冯锡智、吴国庆、刘亚卿、刘胜利，电子装备综合测试诊断系统的软件设计[J].国外电子测量技术.1999.（05）.
[2]何俊山、黄汉松，印制电路板在线故障诊断系统[J].航空精密制造技术.2002.（02）.
[关键词]数字电路板 故障诊断 理论
中图分类号：TN7 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1110020－01
一、电路板故障诊断的发展及研究方向
自60年代以来，对数字系统故障诊断的研究受到工业界和科技界的极大重视，并取得了一些成果。理论上较成熟的方法有通路敏化法、布尔差分法、D算法、星算法、特征分析法、因果函数分析法，它们都是对具体电路生成测试序列，分析确定故障的诊断方法。在数字电路故障诊断中，关键的一步是测试向量的生成，确定施加什么样的激励、在什么地方施加激励可以使故障激活以及确定在什么地方作测量。对于大规模电路的测试最昂贵、最复杂、最费时的部分是测试生成。目前，获取数字系统测试集的方法主要有非确定性测试生成和确定性测试生成两类。非确定性测试生成算法是指人工测试生成，即由测试人员根据对被测系统功能的了解，并结合实际测试经验，用人工的方法产生检测被测系统故障的测试集，它也包括随机测试生成，即用软件方法产生伪随机数，通过故障仿真对伪随机码进行筛选，以产生故障覆盖率较高的测试集。确定性测试生成是采用测试生成算法自动推导数字电路的测试矢量。
二、故障诊断理论
（一）故障诊断。故障诊断就是指在一定检测策略的指导下实施对被诊断系统的自动检测，也就是发现故障、定位故障的过程。诊断是建立在检测和故障测试的基础之上，同时又是检测和测试的进一步发展。故障诊断的目的是:提高系统运行的可靠性与安全性，提高系统的运用率，降低运用综合成本，优化运行管理。
（二）故障诊断模型。一个元件、电路或系统的物理故障是千变万化的，一方面故障的种类是各种各样的，以短路故障为例，一个门电路就存在输入端之间的短路、输入端与输出端之间的短路等等。另一方面，故障的数目在各种系统中有很大的差异。因此为了研究故障对电路或系统的影响、诊断故障的位置，有必要对故障作一些分类并构造典型的故障，这个过程叫做故障的模型化。用来代表一类故障的典型故障称为模型化故障。故障模型化的基本原则有两个：一个是模型化故障应能准确地反映某一类故障对电路或系统的影响，即模型化故障应具有典型性，准确性和全面性；另一个原则是模型化故障应该尽可能简单，以便作各种运算和处理。以下是几种常用的故障模型。
1．固定型故障。固定型故障模型主要反映电路或系统中某一根信号线上的信号不可控，即系统运行过程中该信号线，永远固定在某一个值上。在数字系统中，如果该信号线固定在逻辑高电平上，则称之为固定1故障（s-a-1）；反之，如果该信号线固定在逻辑低电平上则称为固定0故障(s-a-0)。故障模型s-a-1和s-a-0都是针对故障对电路的逻辑功能而言的，同具体的物理故障没有直接联系。
2．桥接故障。桥接故障常见的有元件输入端之间的短路，输入端与输出之间的短路(形成了反馈)。固定型故障不会改变电路的拓扑结构，它只是使电路中某一节点的值不可控。桥接故障会改变电路的拓扑结构，导致系统的基本性能发生根本性的变化，这会使自动测试与故障诊断变的十分困难。另外，还有开路故障和时滞故障和时滞故路这样的故障，由于它已经使原电路的拓扑结构发生了改变，而故障诊断的基本依据就是电路的拓扑结构，所以通常会回避这种短路故障或在诊断前采用专门的技术来排除掉它。因此在这里我们只研究固定型的单故障。
（三）故障诊断原理。数字系统诊断的基本思想是暗箱理论即向被测对象输入测试代码，再根据输出的响应信息和响应的故障模型、函数算法和运算规则，确定出故障的类型和位置。它是用测试程序产生的测试向量去激励被测对象并获取相应的输出响应，再经过与正常情况的比较确定故障点给出诊断结果。在故障诊断中，核心的问题是确定施加什么样的激励，可以使故障激活同时能在可及端测量出来，以及确定在什么地方施加激励、什么地方进行测量。
三、诊断方法
不同种类的PCB板有不同的功能和不同的故障特点，它们故障检测、诊断的方法也各不相同。常用故障诊断的方法有：
（一）故障字典法。它是目前比较典型也较实用的方法。它的基本思想是预先根据经验或实际需要，确定所要诊断的故障集，再求电路存在某一个故障时的响应，然后将所得响应作必要处理，作为相应故障的特征。这样就可编制成一部故障与特征对应的字典，将其存入标准数据库，建立故障查寻表。在利用这部字典作实际电路诊断时，对电路施加与测前模拟时完全一样的激励，取得响应的特征，最后在故障查寻表中查找与此特征对应的故障。如果字典中查不到与特征对应的故障，说明发生了字典中未收录的故障。由于测前模拟的工作量和字典容量的限度，字典法适合作硬件故障的诊断，对于少量软件故障的处理也是在转化为硬件故障的条件下来处理的。
（二）特征分析法。为了进行特征分析，应使被测电路在一定信号的激励下运行起来，因此一般需要从被测电路中取得四个信号:启动信号、停止信号、时钟信号和数据信号。其中时钟信号决定进行同步测量的速率，完全周期性的重复启动、停止，对信号确定了一个时间窗口，而所谓的特征分析就是在这个窗口内观测数据信号的波形，提取特征。该特征信号能正确反映被测点波形的特征，通过比较该特征即可进行故障检测。在提取特征前经常需要把响应序列进行压缩以减少占用计算机的内存和提高测试速度。这种诊断方法能把故障定位到元件级，故障检测率达99.9%以上，但它对被测电路只能进行动态的观测，使其使用范围受到一定的限制。目前常用的特征是由线性反馈移位寄存器(LFSR)组成的特征分析器、跳变次数测试(TC)和症候群测试(Syndorme)等得到的特征。
（三）边界扫描测试法。边界扫描技术是一种扩展的自测试技术，在测试时不需要其它的测试设备。它不仅可测芯片或PCB板的逻辑功能还可测试C1之间或PCB之间的连接是否存在故障。边界扫描测试是基于IEEEI149.1标准的一种测试法，IEEEll49.1意味着每一个符合IEEE1149.1标准的器件，在其引脚和内部逻辑之间插入标准的边界扫描单元，这些单元彼此串联在器件的边界构成移位寄存器。边界扫描技术只适合具有边界扫描特性器件的电路板，有关BS器件的不断增加，这种技术将在故障检测领域中占主导地位。
湘南学院科学研究项目，项目编号是：05Y027
参考文献：
[1]王格方、冯锡智、吴国庆、刘亚卿、刘胜利，电子装备综合测试诊断系统的软件设计[J].国外电子测量技术.1999.（05）.
[2]何俊山、黄汉松，印制电路板在线故障诊断系统[J].航空精密制造技术.2002.（02）.