电子设备模块化维修方法应用研究

彭 中,李建军

(1.31680部队,四川 成都 611234;2.77120部队,四川 成都 611931)

0 引言

设备维修是一项通过修复或更换损坏零件、调整精度和排除故障等方法,旨在恢复设备原有功能的技术活动。其主要作用在于恢复设备精度、性能指标,并延长使用寿命[1-2]。维修工作是设备功能恢复的重要手段,尤其在通信保障工作中,它发挥着不可替代的作用[3]。

模块化是一种将复杂系统分解为多个更好管理的模块的方式[4-5]。新型设备提倡模块化设计,这种设计提升了设备的稳定性和可靠性,同时也给设备维修工作带来了很大的便利。然而,随着新设备功能复杂度越来越高,模块之间的关联变得更加紧密,目前的维修方式主要是通过更换板件来进行。但是,板件更换维修在保障过程中对物资器材、运输力量和仓储空间的要求较高,因此只适合短暂的紧急抢修任务,不适合单位长期的保障工作[6-7]。

本文介绍的模块化维修方法(简称“五步法”)是以设备功能为依托,运用模块化思维将设备按照功能进行区域划分,并进一步划分出更小的区域,直至压缩到故障部位并排除故障[8];该方法能有效强化维修人员的基础能力,帮助新上岗人员快速将理论知识与实际维修工作相结合,提高维修人员的综合素质,有效减轻器材保障的压力[9-11]。

1 模块化维修方法介绍

模块化维修方法的主要思想是,以设备功能为核心,将设备整体看作是一个功能模块;以模块功能实现的条件为参考,逐级分解出更多的功能模块;对最小功能模块进行分析和判断,找出故障点[12-14]。

1.1 查询功能原理

功能原理是指设备能够实现的功能和实现这些功能所依据的科学原理。功能原理不仅是设备功能实现的理论依据,也是维修工作的方向指导。如果不懂功能原理,可能会导致后续的维修方向错误。

不同的设备具有完全不同的功能(例如:通信设备的主要功能是信号的收发,电源设备的主要功能是能源转换,输入设备的主要功能是信息的采集等);维修作业首先需要确定该设备的具体功能。查询设备功能的常见方法包括:查询设备使用手册、总结工作经验、咨询操作使用人员和咨询生产厂家等。

了解设备的功能后,再进一步查询其功能实现的科学原理。每一种功能的实现都有其科学理论做支撑,设计者以不同科学理论为依据,实现设备的各种功能。例如:脉宽调制开关电源的核心目的是通过控制开关管的导通时间来稳定输出电压。维修人员只需要关心开关管的控制关系,而不用太过关心为什么开关管导通时间能改变输出电压。再比如:发电机的核心目的是通过发动机产生的动能带动发电机做切割磁力线的运动。维修人员只需要关心动能的产生和控制以及磁力线的产生和控制,而不用太过关心为什么切割磁力线就能产生电能。查询工作原理的常见方法包括:互联网搜索查询、工作经验积累、咨询专业院校和咨询生产厂家。

1.2 切割分解电路

分解电路是指按照功能的不同,对设备进行功能模块的分解和电路区域的分割。一台设备通常由多个功能模块组合而成。在查询到设备的相关功能后,可以查阅设备的技术手册或根据相关经验,对该设备的所有功能进行分解。在分解出某一部分电路或模块后,可以选择重复第一步或第二步对该部分电路进行分解,或者继续进行设备整体功能的分解;直到将设备的所有或部分功能分解为模块电路。

例如:对于短波电台的功能进行划分,其主要功能可分为接收功能和发射功能两种。查询资料可知,发射功能可以继续划分为:信号输入部分、信号调制部分、信号变频部分、功率放大部分等;接收部分功能可分为:射频信号接收部分、选频部分、信号变频部分、信号解调部分、音频放大部分等。

将设备按照每个对应的功能进行分解后,以每个部分的功能为参考,按照第一步的方法进一步了解其功能和原理。然后,通过故障现象对故障部位进行初步定位。

1.3 确定工作条件

工作条件是指设备或设备某部分电路或者某功能模块正常运行所需要的条件。每个模块正常工作都需要一定的条件支持,只有当该模块电路所需要的所有工作条件都达到指定要求后,模块电路才能正常运行,才有完成设计目标的可能。若缺少必要的工作条件或条件未达到指定要求,可能导致模块或设备不能正常运行。

例如:假设某电路模块需要最低24 V直流供电作为电源,但是因为某些原因导致直流24 V电源下降至10 V,此时说明该电路的电源供电这个工作条件未能正确提供,电路不能正常工作。工作条件直接影响模块电路工作的稳定性,错误的工作条件可能导致模块电路不能正常工作,甚至直接损坏模块电路。

除了电源,还有其他重要的工作条件,比如:数字电路的时钟信号、单片机软件运行所需的数据、模拟电路运行所需的各类控制信号等。不同模块电路的工作条件各不相同,有时单个出现,有时多个同时出现,甚至有的模块电路需要十几种工作条件同时具备才能正常运行。只有正确掌握模块电路工作条件,才能根据工作条件判断模块电路的好坏。

可以通过以下几种渠道获取模块的工作条件:(1)在互联网上查询模块生产厂商的数据手册;(2)通过相关工作经验积累;(3)查看设备电路图集;(4)咨询设备生产厂家。

1.4 测量通道信号

通道信号是指将物理量转换为电信号的模块或电路。在电路中,当某个点的电信号发生变化时,另一个点的电信号也会跟随变化,这两个点之间的电路就是该信号的通道。而信号发生变化的点被称为通道信号的输入端,被影响而发生变化的点则被称为通道信号的输出端。

每个模块电路都是为实现某种功能而依据相关科学理论研制的。这些功能实现的根本目的是对相关的物理量进行相应的处理,比如温度、重量、湿度、声音等。在一个模块中,通常只能完成一部分的功能。在多个模块之间的信号传递过程中,信号进入模块称为模块输入,信号从模块传出称为模块输出。

通过测量模块输入与输出的值并结合模块电路和工作条件等进行分析,可以判定模块状态是否正常。模块输入输出信号是模块电路是否正常的具体表现。在维修时,一定要准确掌握模块电路的输入信号与输出信号的幅度、频率等参数特征。

然而,模块电路的信号特征不像模块工作条件那么直观,判定较为困难。初学者或新接触的设备可用对比法进行对比测量,或根据查询到的模块数据进行对比,以确定信号参数是否正常,再进行故障判断。

1.5 分析排除故障

分析故障是指结合设备故障分析可以在故障排除过程的任何时刻进行。

在故障排除过程中,查询功能原理一定优先进行。功能原理是维修方向的总体指导,不理解功能会导致维修思路不清晰甚至整体方向错误。

同时,切割分析电路和工作条件检查以及信号通道测量几个步骤可以重复交叉进行。例如:当测量发现某模块电路的工作条件之一-5 V供电不正常时,应将该-5 V供电电路视作一个功能模块,然后以该功能模块为对象进行查询功能。由于功能已经非常明了,所以可以直接进行第二步,对该-5 V供电电路进行划分,并测量该模块的工作条件及输入与输出信号,从而进一步确定故障位置。

当故障位置确定后,可根据情况对故障进行处理。如果能够判定到元器件,则可以直接更换元器件;如果不能判定到具体元器件或没有合适的元器件进行更换,则可以采用功能相同、性能参数接近的模块进行替换。在选择替换模块时,应注意保持模块的工作条件一致。

2 故障分析举例

本文以某型军用短波电台的故障现象为例,详细介绍如何使用本方法进行分析和判定故障。某型军用短波电台开机后始终处于发射状态,且能正常发送信号。故障分析过程如下。

第一步,对该电台的功能进行确定。首先,本研究需要明确该短波电台的主要功能。通过查阅相关资料并结合实际经验,该电台的主要功能是接收和发送各种信息,包括模拟话音、数据信息、数字话音等。本研究可以将其视为一个功能模块,在操作人员与短波信道之间起到桥梁的作用。该电台接收短波信道的信息,并将其转换为操作人员能够理解的话音信号或信息终端能识别的数据信号,这个过程称为接收信号。同时,该电台还将操作人员的话音信号或信息终端的数据信号转换为能够在短波信道中传输的信息并发射到短波信道中,这个过程称为发射信号。为了实现上述两个过程,该设备内部有接收通道和发射通道。接收通道负责实现信息接收信号,而发射通道则负责实现信息发送。在明确了这些功能之后,本研究需要进一步了解这些功能的实现原理。通过查询无线通信原理并结合实际工作经验,本研究了解到接收信号和发射信号的实现均需要进行多次频率搬移和信号的转换。实现这些核心功能需要一系列电路的支持,包括混频电路、本振电路、功率放大电路、AD/DA转换电路、调制与解调电路等。此外,为了实现操作人员对设备的控制,还需要操作输入电路、显示输出电路、收发控制电路等的支持。综合考虑以上分析,本研究可以大致整理出该设备应具有的电路模块,包括混频电路、本振电路、功率放大电路、AD/DA转换电路、调制与解调电路、电源供电电路、显示输出电路、键盘输入电路以及相应的控制电路等。在详细了解各个功能所需的支持电路后,本研究就可以对照设备内部实际模块电路对其进行功能划分。

第二步,根据前面分析得出的功能电路,对电台的电路区域进行划分。首先,本研究将接收通道视为一个独立的模块,以话音通信为例。接收信号是从空中电磁波信号(即载波)中提取出有用的话音信号。在此过程中,天线从空中感应的载波信号为接收通道的输入信号,扬声器输出的话音信号为接收通道的输出信号。根据设备资料,接收通道的天线接口单元用于感应空中电磁波,谐波滤波单元用于滤除不需要的频率信号,信道单元提取出需要的频率点并进行下变频,主控单元用于解调出话音信号,前面板单元将话音信号放大并驱动扬声器播放话音,以便操作人员收听。相反,发射信号是将有用的话音信号加载到载波信号上并发射到空中。在发射过程中,麦克风采集的话音信号为发射通道的输入信号,天线向外发射的载波信号为发射通道的输出信号。根据设备资料,发射通道的天线接口单元用于连接天线并将电磁信号发送到空中,谐波滤波单元用于滤除不需要的频率信号,功率放大单元用于将指定频率的已调载波信号进行放大以达到足够的功率向外辐射,信道单元将已调载波上变频到指定的频率上,主控单元将话音信号加载(调制)到载波上,前面板单元采集话音信号。根据上述分析,该电台的接收通道包括天线接口单元、谐波滤波单元、信道单元、主控单元和前面板单元。发射通道包括天线接口单元、谐波滤波单元、功率放大单元、信道单元、主控单元和前面板单元。其中,天线接口单元、谐波滤波单元、信道单元和前面板单元是收发共用的通道。由于电台一般为半双工工作模式,所以该电台的接收和发送不能同时工作。因此,该电台的接收和发射部分工作状态切换需要有相应的控制电路。查询资料得知,该电台在正常情况下处于接收状态,当操作人员按下话柄上的PTT按键后,电台才从接收状态转换为发射状态,发射通道开始工作。通过对各部分电路的划分,本研究已经基本了解了各部分电路在整机中完成的功能。接下来可以对全部或部分电路进行工作条件分析检查。

第三步,对需要重点分析电路的工作条件进行确定和分析。根据故障现象,电台开机后处于常发状态且能正常发射信号。能正常发射信号说明发射通道的所有功能模块正常,但是长期处于发射状态,可以初步判定为控制电路出现故障,导致设备处于长发状态。此时可将收发转换控制电路作为入手点对设备进行检查。通过查询设备资料,该设备的收发转换电路由主控单元检测操作人员按键后发出的PTT信号控制。由于发射状态时设备能正常工作,说明所有单元的控制电路均启动,可以确定控制信号是由主控单元整体发出导致所有单元均转为发射状态,所以重点检查主控单元PTT信号发出电路。对于收发转换而言,电台主控单元和面板单元提供了控制信号的通道。对于控制通道而言,操作人员按下PTT按键的动作就是需要传输的信息,按下PTT按键就是输入信号,PTT控制信号就是输出信号。根据五步法维修原则,将完成控制功能的控制通道视作一个模块;首先查询该模块资料,该模块是由一块单片机芯片和内部软件以及相应的支持电路比如电源、时钟、数据等组成;然后测量该控制通道的工作条件以及输入输出信号。

第四步,使用仪表对电路的工作条件和交流信号进行测量。首先,对芯片的各项工作条件进行了测试,结果显示供电、时钟以及数据信息均正常。然后,本研究继续测试了PTT控制信号产生电路的输入输出信号。根据原理分析,PTT控制信号是在用户按键动作后,由控制芯片内部产生的一个高电平信号。正常情况下,按键检测信号的电平应随话柄的按下和放开而变化。然而,在测量时发现按键检测信号并未随话柄的状态改变,这表明某个元件故障导致了PTT检测信号被锁死。为了进一步诊断问题,本研究将PTT控制通道视作一个独立模块,重复了前述的测试步骤。结果显示,虽然模块的工作条件正常,但其输入信号不正常,这使得本研究怀疑是PTT控制通道的信号输入端出现了问题。查阅相关资料后,本研究发现该按键检测信号是由前面板单元的PTT检测电路在检测话柄插座XS1的第X号引脚状态后产生的。PTT信号输出至主控制单元。进一步分析前面板PTT检测电路,本研究发现该电路由集成芯片74HC00及相应的供电电路组成。它的工作条件是+5 V供电。主要工作原理是检测话柄插座XS1的第X号引脚(该引脚连接话柄上的按键开关)是否对GND(负极)短路。若短路,说明操作人员按下了按键,74HC00的6号引脚会输出一个高电平;若未按下按键,6号引脚则会输出一个低电平。根据上述原理,本研究对该PTT检测电路的工作条件进行了测量,发现供电电压正常。然而,在未按下按键时,该电路的输入信号与GND的阻值为0(应当为无穷大)。这正好验证了该故障现象。因此,本研究得出结论:该电路的输入端与GND短路正是引起整机常发的故障原因。

第五步,重复上述步骤,对故障部位进行判定。经过多次查询测量该PTT检测电路的输入端,发现该集成芯片74HC00的2号引脚内部短路导致了整机处于常发状态,更换该集成芯片后故障排除。

在案例中,设备故障现象比较常见。根据五步维修原则,本研究首先确定了设备的主要功能是信息的接收和发送。为了支持这两个核心功能,设备中还包含了许多辅助功能电路。这些辅助功能既可以看作是两个核心功能的工作条件,也可以单独划分出来作为单独的模块。在明确了大部分电路的功能后,结合故障现象和设备的特性,本研究以收发通道切换电路为入手点,对故障进行了分析。发现收发转换控制电路不正常,初步判定故障原因。本研究将收发转换控制电路假设为一个单独的功能模块,再次运用维修原则,确定该电路的核心功能是将操作人员的按键操作转换为电台的收发转换控制信号。通过对该电路的工作条件和通道信号进行测试,发现由于芯片故障导致电路错误地识别为人员按键操作,从而造成了该故障现象。经过反复对电路进行逐渐划分、压缩和测量分析,本研究最终排除了故障。综上所述,通过运用五步维修原则,本研究能够快速、准确地确定设备故障的原因,从而有效地排除故障。这展示了五步维修原则在设备维修中的重要性和实用性。

3 方法总结

五步维修法对于新手或新接触陌生设备的维修效果非常显著,它可以帮助新手更好地理解和解决故障问题。对于熟悉的设备,结合相关的维修经验和故障分析,五步维修法同样能够有效地提高故障排除的效率。在运用五步维修法时,应注意以下几点。

3.1 功能查询的完整性

查询功能步骤是五步维修法的核心步骤。在维修过程中,本研究假定的模块对象可能分别是整机、完整的功能模块或某个单元电路。然而,无论对象是什么,本研究在查询其功能时必须尽可能地全面和详细。对对象功能的充分了解将极大地有助于后续的故障分析和判断。

3.2 区域分割的模糊性

区域分割主要是在已知模块功能的前提下进行的。由于现代设备功能复杂,为了实现某些功能或达到规定的性能指标,会在设备中添加许多辅助功能电路或元器件,而且某些电路或元件可能在多个电路中同时起作用。在进行电路区域分割时,每个器件的区域归属的划分不必过于严格,应时刻以模块输入输出信号流向为主导,重点明确核心元件的位置,确保对模块输入信号和输出信号之间的主要通路有清晰的理解。

3.3 工作条件的准确性

模块的主要目的是实现某种特定功能,而工作条件则是模块运行的前提。在设备维修过程中,确定功能是维修工作的理论前提,而工作条件的判定则是实际操作的第一步。工作条件的准确性对后续的故障判定有着直接的影响。在确定模块功能后,对模块的工作条件进行检查时,必须准确查清所有工作条件,以防止遗漏。

3.4 通道信号的动态性

信号是设备或模块需要处理的实际物理量,设备或模块在不断对信号进行处理的过程中形成了信号通道。在实际维修过程中,由于信号在传输(电信号的变化)的过程中会不断发生变化,因此在判定工作条件正常后,需要详细分析模块对信号的处理过程,然后测量各点的信号并与分析结果(或同型号正常设备)进行对比,找出引起差异的原因,最终确定故障。

4 结语

现代电子设备的功能日趋复杂,更新速度日新月异,对电子系统的依赖程度也越来越高。机械设备与电子系统的融合度也越来越深,这给维修工作带来了新的挑战。作者总结的五步维修法则是多年维修经验的结晶。在实际维修过程中,作者运用该方法成功完成了大量陌生电子设备的故障排除,不仅为设备维修工作带来了便利,同时也提升了自己的维修能力。本文旨在为新入行的同行提供一个快速上手的引导,仅供参考和借鉴。