电路仿真技术在电路板修理中的研究与应用

0 引言

现有航电系统中，电路板种类繁多、功能复杂。电路板的深修精修需要分析电路原理图，理解电路工作原理，针对不同类型的电路板采取不同的修理方法。对于修理者来说，一方面，分析电路工作原理却难以验证分析的正确性和完整性；另一方面，对于未接触过的或较复杂的电路难以明白其工作原理，无法直观地观察信号波形。随着电子技术的飞速发展，电路板的功能越来越复杂，给电路板的修理工作带来很大的挑战，对修理者的知识、技能和经验提出了更高的要求。

电路仿真技术是应对这一挑战的有效手段之一。通过仿真，可以高效准确地掌握电路工作原理，为电路板修理提供有效的帮助。电路仿真技术是利用电路仿真软件对电路的功能行为进行模拟的工程方法。本文研究的是基于电路仿真的电路板修理技术，利用PSpice仿真软件对复杂电路进行功能仿真与分析，直接得到任意工作点的输出波形，通过比对电路仿真波形与实际输出波形，对故障板进行故障定位与修复。

1 电路仿真软件简介

Cadence/OrCAD软件是电子设计自动化（EDA）家族成员之一，该软件提供原理图输入、电路仿真、PCB制版等完整的设计流程。在电路板修理中应用这一软件，首先需要使用Capture绘制仿真原理图，然后利用PSpice对电路进行仿真。在PSpice中，软件可以进行电路工作点仿真分析，计算出电路中各节点的电压和流过各元件的电流[1]，因此，在相同激励情况下对比仿真结果与故障板卡同一节点的输出波形，即可判断故障状况。

2 电路仿真技术应用

2.1 在板卡电路分析中的应用

数字电路中存在竞争—冒险现象，从原理图和逻辑函数式中很难发现，而且随着输入变量的增多这种现象更难于发现[2]，而应用电路仿真技术，结果却可以直观地显示。下面以修理某型板卡时遇见的情况为例进行说明。

某型信号处理机测量器的自检信号产生电路由与非门（D21）和译码器（D10）组成，使用Capture搭建仿真电路图，如图1所示。

图1 自检信号产生电路仿真图

图1中Q0～Q7是时钟周期为1μs的八位二进制计数器的输出信号。通过理论分析可知，译码器使能端有效的周期为32μs，译码器地址端循环周期为256μs，译码器输出8路极性脉冲信号，周期 256μs，脉宽 1μs，各路相差32μs。测量译码器D10的Y0和Y1管脚，电路仿真结果如图2所示。

从图2中可以看出，在宽度为1μs的脉冲前约16μs处出现脉宽极小、幅度为1的尖刺脉冲。实测波形图如图3所示，实测结果与仿真结果基本一致，只是尖刺脉冲的幅度不同。而对电路工作原理进行分析的结果是这个尖刺脉冲不应该存在。

结合电路仿真分析可知，在不考虑延时的情况下，译码器输出的8路脉冲信号应该在译码器使能端G1为1时，G2B的下降沿开始，上升沿结束。由于与非门存在延时，使得G2B的上升沿比G1的上升沿滞后，导致在G1的上升沿出现G1为0、G2B为1的情况，出现竞争—冒险现象。由于仿真中输出信号只有0和1两种状态，没有中间态，最终脉冲幅度为1，而在实际电路板中上升沿和下降沿均有一定的时间且电压值连续，使得实际脉冲的脉宽和幅度都很小。由此可知，实测波形中出现的尖刺信号是电路本身产生的，不影响电路正常工作，也不是电路板的故障或者电路测试过程导致的问题。

组合逻辑电路由于芯片延时导致存在竞争—冒险现象，会产生多余的尖刺信号，如果在修理测试中测量到这类尖刺信号，很难判断是测试问题还是电路板问题，需要专业的知识才能做出正确的分析，对修理者的要求较高。而通过电路仿真可以很直观地看到这种现象，进而做出正确的判断。

2.2 在电路板修理中的应用

1）电路仿真故障定位方法

在电路板修理中应用电路仿真技术，可以对电路板进行逐级故障定位。基于电路仿真的故障定位方法是通过比对电路仿真的波形图与实际电路板的输出波形来判断板卡是否有故障。当输入信号相同，仿真波形与电路板相同工作点输出波形相同时，板卡无故障；当两者的波形不同时，板卡存在故障。通过比对每一个工作点的波形，可以对板卡进行逐级故障检查和定位。应用电路仿真对电路板进行故障定位的流程如图4所示。

图2 Y0和Y1仿真波形图

图3 Y0和Y1实测波形图

图4 故障定位流程图

2）应用实例分析

某型低频接收机放大器中三级放大电路的实物图如图5所示。根据电路原理图，使用Capture搭建的电路仿真图如图6所示。图6中蓝色探针为输入信号，黑色探针为输出信号。由图6可见，电路由6个三极管及相应的电容电阻组成三级放大结构，从原理图很难分析出电路的直流偏置、放大倍数和最终结果，而且随着输入信号幅度和频率的改变，理论分析更加困难。

应用电路仿真技术，得到仿真波形如图7所示。

为此块板卡提供相同的激励，通过示波器测试对应输出点的输出波形图如图8a）所示，两图波形明显不同，此时可判定电路板存在故障。通过在仿真电路中逐级设置探测点，与实际电路板对应点的输出波形进行比对，定位晶体管Q9Q10无输出，更换后测试输出波形图如图8b）所示，与仿真波形基本一致，此时可以判断故障排除，通电检测合格，完成修复。

由此可见，在仿真图中的任意位置添加探针，运行仿真得出任意工作点的波形，可以对电路板进行逐级故障定位。另外，还可以改变输入信号的幅度和频率，来检查放大电路的幅度响应和频率特性，对电路板进行更全面的故障检查。

图5 电路实物图

图6 三级放大电路仿真图

图7 仿真电路波形图

图8 板卡输入输出波形图

3 结束语

电路分析是电路板修理工作中关键的一步，电路分析的正确性和完整性直接决定了修理工作的效率和质量。电路仿真是电路设计与优化的必备工具，在电路板修理中应用电路仿真技术，可以帮助修理者从设计者的角度理解电路工作原理，高效便捷地完成电路分析，实现电路板逐级故障定位，提高对复杂电路和疑难问题的处理能力，是实现电路板深修精修的有效手段。