电子电路故障原因与检测技术

李 博

（国网河北省电力有限公司南皮县供电分公司，河北 沧州 061500）

0 引 言

电子电路广泛应用于通信、能源、制造等领域，推动了我国科技的创新和产业的发展。但电子电路容易发生故障，导致设备损坏、生产中断甚至严重的生产安全事故，因此及时对电子电路进行故障检测至关重要。及时、准确的故障检测可以及早发现潜在的故障问题，降低事故发生率，确保设备稳定运行，提高设备生产效率，降低维修成本，保障人身和财产安全。

1 电子电路故障原因

1.1 元器件故障

元器件是组成电子电路系统的关键，但也可能成为电路故障的源头。一方面，元器件会由于老化、电路过载等出现故障，干扰电路的正常运行。例如，电阻器会因长时间高负荷工作而失去电阻值，影响电路的性能[1]。晶体管在高压条件下可能发生击穿，导致电路损坏。此外，元器件之间接触不良、引脚连接不稳定等问题，也会导致电路故障。另一方面，元器件的质量问题，如制造缺陷或材料质量不符合设计要求等也可能引发电路故障。因此，在电子系统的设计、制造和维护过程中，要选择高品质的元器件、实施合理的热管理、进行负载控制以及定期的检测和维修。

1.2 人为因素

无论是在电路设计初期，还是在制造、操作、维护等环节，人为因素都有可能成为电子电路发生故障的潜在风险。人为因素的作用范围广，主要表现为设计师选择错误的元器件或连接方式、制造工人的疏忽或操作者操作失误、维护保养过程中存在误操作等。这些人为产生的错误不仅存在于技术层面，还可能涉及操作员的技能培训不足和操作意识的问题。虽然这些错误在产生初期可能不会立即导致电子电路故障，但是长期的累积会对电子电路产生负面影响。

1.3 电路接触不良

在电子电路系统中，元器件之间的连接是系统稳定运行的基础[2]。但连接插头松动、焊接质量不佳或元器件氧化（见图1）等问题会造成元器件接触不良，干扰电流传输、信号传递或导致电路中断。这些微小的问题难以在外表上察觉，但能引发整个电子电路的功能紊乱。当电子电路系统在振动或温度变化较大等环境影响下运行时，电路接触不良的问题会愈发明显，可能会给电路造成不可预测的故障问题。

图1 元器件氧化

1.4 干扰故障

电子电路系统中存在电磁辐射、电磁感应和静电放电等多种干扰，会破坏信号传递的完整性和元器件的正常工作，影响整个电路的性能。这种情况在高频电路或噪声敏感环境下尤为明显，会削弱电路性能，甚至引发严重故障。为避免干扰引发的电子电路故障问题，相关工作人员从设计阶段开始就要采取相应的屏蔽和布局优化等策略，以降低外部干扰对电路的影响，保障电子电路系统的稳定运行。

2 电子电路故障检测方法

2.1 直接观察法

直接观察法是基本的电子电路故障检测方法之一，即通过实时观察电路的工作状态和信号波形来判断电路是否存在故障。实际操作时可以借助示波器（见图2）等仪器，监测电路中的电压、电流、信号波形等。对于放大电路，可以观察输出信号的波形是否与预期相符、是否存在失真现象，并对测得的参数进行分析，如计算信号的频率响应、增益等。对于数字电路，可以通过逻辑分析仪监测信号的高低电平、脉冲宽度。检测过程中，要根据电路的特性设定参考参数，并与实际观察结果进行比较，找出异常[3]。

图2 示波器

直接观察法具备快速性和直观性等优势，能够快速定位问题，尤其适用于初步排查简单的电路。但该方法不适用于对复杂电路或微小信号的观察，易受观察者主观因素的影响。

2.2 参数测试法

参数测试法的核心原理是通过测量电路中各元件的参数数值，并与预设的标准数值进行对比，从而判定电路是否存在故障。电子元件（如电阻、电容、晶体管等）正常工作状态下的参数值会有一定的取值范围。以电阻为例，在标准工作条件下，10 kΩ电阻的阻值范围为9.8～10.2 kΩ。如果在实际测试中测得电路中10 kΩ电阻阻值为8.5 kΩ，且电阻周围温度超过正常范围，可初步判定该元器件存在问题。如果1个标称容量为100 μF的电容的容值在95～105 μF，测得电路中的容值为80 μF，就可初步断定该电容可能存在问题。NPN型晶体管的基极-发射极的电压阈值范围通常为0.6～0.7 V，如果测得的晶体管电压阈值远低于该范围，如0.3 V，表明该晶体管可能受到损害或存在质量问题。

在进行实际的参数测试时，要确保测量设备和参考模型的准确性。由于不同元件的参数范围存在差异，需要针对不同类型的元件建立相应的标准参数范围，以便进行参数比对判断。

2.3 信号追踪法

当电子电路发生故障时，信号往往会在故障点附近受阻、偏移或中断，导致信号路径发生异常。信号追踪法通过在电路中注入测试信号，可以观察信号在不同元件之间的流动情况，从而推测出故障位置。以一个放大电路故障为例，正常情况下输入信号经过放大器后会增强，并传递到输出端[4]。如果放大电路中某个放大器出现问题，会导致信号无法得到适当放大或信号无法通过该放大器。通过注入测试信号并逐步追踪信号路径，可以确定信号出现问题的阶段，从而锁定故障位置。

信号追踪法的关键是选择合适的测试信号和监测仪器，常见的测试信号有正弦波、脉冲信号等，能帮助工程师观察信号的变化和流动情况；监测仪器如示波器、频谱分析仪等，可以可视化地观察信号的变化情况，以判定故障所在位置。

2.4 整机比较法

整机比较法是以正常工作的电子设备为基准，将待测试设备与正常工作的电子设备进行逐一比较，观察两者之间的差异，从而定位故障位置。例如，测试一个音响系统是否存在故障时，首先将一个正常工作的音响系统作为样本，包括放大器、扬声器等组件；其次使待测试音响系统与样本播放相同的音频，监测两者的输出效果；最后对二者进行比较，若待测试音响系统输出的音频质量明显差于样本，则可以初步判断其存在故障，并进行进一步的检查和比较。

整机比较法的关键在于要保证样本能正常工作，且与待测试设备在结构和功能完全相同。无论是在生产线上进行设备质量检测，还是在设备运行中进行故障排除，整机比较法都是一种快速有效的检测手段。该方法不仅适用于数字电路，也适用于模拟电路，可以用于较为复杂的混合信号电路，且能发现一些不容易被传统手段察觉的隐蔽性故障，确保设备可靠运行。

2.5 替换法

替换法是把疑似存在问题的元件按排列的先后顺序，逐个替换成相同规格或型号的能正常运行的元器件，并实时观察替换后电路的变化情况，以此来判断故障所在位置。首先，根据故障的性质和可能出现问题的元器件，选定一组最可能引起故障的元件，并用相同规格或型号的元件进行替换[5]。替换元件时，要确保替换元件与原元件在电性能、参数和连接方式等方面保持一致。其次，测试替换元件后的电路，观察故障是否消失，如果故障现象消失或故障位置改变，表明被替换的元件可能是故障点之一。最后，判断故障发生原因。如果替换后的元件并未消除故障，可以排除被替换元件是故障源的可能性；如果故障现象消失，可以初步确定被替换的元件与故障相关。

2.6 电容器旁路法

采用电容器旁路法，首先要将已知工作正常的电容器与待测电容器的两端并联，构成一个并联电容器组合。其次将一个信号源（通常是脉冲信号或正弦信号）连接到并联电容器组合上，通过测量电路的电压响应或相位差，得到电路的频率响应特性。该频率响应特性包含待测电容器和已知电容器的共同影响；最后判断电容器是否存在故障，若待测电容器的频率响应特性与已知工作正常的电容器的特性存在较大差异，则表明待测电容器存在故障。电容器故障类型有开路、短路、极性反向等。在电容器旁路法中，这些故障会表现在频率响应特性中。例如，当待测电容器存在开路故障时，由于电容器无法存储电荷，电容器的频率响应会在某个截止频率处骤降；发生短路故障时，待测电容器的频率响应会在截止频率处骤升。通过对比已知正常工作的电容器与待测电容器的频率响应特性，维修人员可以快速判断待测电容器是否存在故障并确定故障类型。

2.7 基于小波分析和马氏距离的模拟电路故障诊断

小波变换（Wavelet Transform，WT）能将信号分解成不同尺度的子信号，更好地呈现信号的时频特征。马氏距离（Mahalanobis Distance）是一种有效的相似性度量方法，可以实现更精确的故障分析。马氏距离考虑了各特征之间的相关性，能更准确地反映不同信号之间的差异。基于小波分析与马氏距离的电路故障检测技术，通过监测电路工作状态，可以捕捉电路潜在的故障特征。该故障检测技术通过比较电路输出信号与预期的正常工作状态，利用小波分析提取出子信号的马氏距离来衡量信号间的差异。如果马氏距离超出预先设定的阈值，意味着电路可能存在故障。这种模拟电路故障诊断的检测技术不仅能检测出电路存在的故障，还能发现一些电路潜在的问题，为电子设备提供更为可靠的监测与维护。

3 结 论

电子电路作为现代科技的核心组成部分，对各行业的正常工作和发展不可或缺，因此要及时解决电子电路故障问题。随着科技的进步，电子电路故障检测技术持续发展。通过分析研究电子电路故障原因和故障检测方法，能有效提升电子设备运行的可靠性，为科技进步提供有力支撑。