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接收机出现奇怪的高频,我巧妙找到PCB“故障点”

2021-05-14 Vladimir Rentyuk 阅读:
当我站在那儿看着频谱分析仪显示屏上的异常频率时,工人关掉了屏蔽室的灯——异常频率突然从显示屏上消失了!我重新打开灯,异常频率又出现了......

多年前,我在一家无线电通信研究所工作。那时我还是一名年轻的工程师,是磁记录设备小组的组长。我们部门有一个小组为我们最新的接收机设计了一个控制单元,这个控制单元的功能非常简单:切换五个预设FM频道中的一个。控制单元是采用类似4000系列的新型CMOS IC设计的。t0Aednc

将控制单元组装到接收机后,负责生产的工程师打电话给我们,说有很多接收机不能正常工作——其频率高得令人无法接受。我们以前从未遇到过这种问题。t0Aednc

接收机设计小组的一名工程师前往组装车间,证实许多(尽管不是全部)库存接收机确实有这个问题。他进行了试验,想找出原因,但无功而返。他开始换下接收机中的控制单元(谢天谢地,控制单元采用了模块化设计),换了RF、IF甚至音频组件,看是不是能找出问题。他甚至把没有发生故障的接收机中的RF、IF和音频组件也取出来了,仍然无济于事。生产被迫停止,情况十分紧急。t0Aednc

我们的总工程师发飙了。他下令整个接收机设计小组集中时间与精力全以力赴解决此问题,并在一两天内得出结果。接收机小组进行了彻查,甚至检查了工作场所、测量仪器和屏蔽室。一切似乎都没有问题。我们的工程师在电路中放了新的旁路电容器,但接收机的频率仍然出奇地高。两天时间一晃而过,然而我们仍然束手无策。t0Aednc

我从来没有设计过接收机,但是总工知道我是一个拥有创新思维的人,因此他让我到接收机设计小组去帮忙查找问题。我回想了一下目前为止所做的全部努力,发现除控制单元之外的所有组件都已换掉了。“为什么更换了几乎所有的组件,却不更换控制单元?控制单元接收机中唯一的新组件。我们试试插入一个旧的控制单元,”我对接收机设计小组说。t0Aednc

他们回答说:“Vladimir,你必须知道,控制单元只不过包含几个D触发器,不可能产生这种异常高的频率,因为它没有任何高频发生器。”但是,在我的坚持下,接收机设计小组按我的要求做了,关键是也没有其它的路子。工程师在接收机中重新装上旧的控制单元,拆下新的控制单元——可恶的高频随之消失!然后,再装上新的控制单元,不正常的高频又清晰地出现在频谱分析仪的显示屏上,就像变魔术一样。t0Aednc

控制单元中的确没有任何高频发生器,它只有几个D触发器,这些D触发器用作带解码的简单RS触发器。装配车间用回旧的控制单元,恢复了生产,我们也就有时间进行故障分析了。既然出现了故障,我们就必须找也原因,这事关我们的声誉。t0Aednc

我们装上了几个旁路电容,重新检查了所有电路。然后并没有产生令人惊喜的结果。午餐时间到了,我独自站在屏蔽室的门口,管测试设备的人准备去吃午饭。他从来不关示波器或频谱分析仪,这次他也没有关PSU。t0Aednc

当我站在那儿看着频谱分析仪显示屏上的异常频率时,工人关掉了屏蔽室的灯——异常频率突然从显示屏上消失了!我重新打开灯,异常频率又出现了。我疑惑不已,不断重复开关灯的动作,显然,异常频率只有在我打开照明灯的时候才出现。t0Aednc

我用手制造出一块阴影,终于发现了控制单元的PCB上“产生”异常频率的位置:一个D触发器。t0Aednc

我首先想到,光是从IC的塑料封装中透出来的。我将手指放在上面,很高兴地发现异常频率消失了。但是,当我用不透光的屏幕盖住IC时,却没得到满意的结果,我有点忧伤。我现在离答案仅一步之遥。t0Aednc

我检查了PCB布局,发现其中一个D触发器的第二部分的R、C、D和S输入未连接至GND或Vcc。PCB表面有点脏(我认为是光致抗蚀剂),在D触发器打开的输入和输出之间产生了一些泄漏电流(这是一个正反馈),因为CMOS IC具有非常高的阻抗输入。这就是为什么D触发器有时会用作高频发生器。遗憾的是,原理图中并没有显示这部分。t0Aednc

问题的根源在于设计控制单元的工程师没有使用CMOS IC的经验,以前他只使用TTL逻辑。在那个时候,CMOS IC还算比较新的元件,年长一些的工程师不太熟悉。t0Aednc

找到了产生异常频率的原因,我们将R、C、D和S输入连接到GND,麻烦解决了。 我们保住了面子,我是那天当之无愧的明星。t0Aednc

(原文刊登于Aspencore旗下EDN英文网站,参考链接:A dark story,由Jenny Liao编译。)t0Aednc

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