摘要：作為紅外探測(cè)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)硬件和關(guān)鍵部件，預(yù)處理電路的性能直接影響紅外探測(cè)系統(tǒng)成像質(zhì)量。針對(duì)某型紅外探測(cè)器預(yù)處理電路的故障現(xiàn)象，建立故障樹(shù)逐步進(jìn)行失效分析，定位異常處并通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，進(jìn)而提出糾正措施避免類似異常的發(fā)生。經(jīng)過(guò)本次失效分析，找到了偶然事件產(chǎn)生的根源，通過(guò)采取糾正措施，降低了偶然失效發(fā)生的概率，對(duì)產(chǎn)品可靠性的提高具有顯著實(shí)用價(jià)值。

圖1 紅外探測(cè)系統(tǒng)功能框圖

預(yù)處理電路是紅外探測(cè)系統(tǒng)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的橋梁，其采集性能、圖像處理能力及輸出信號(hào)直接影響紅外探測(cè)系統(tǒng)成像質(zhì)量，是整體系統(tǒng)的關(guān)鍵部件^[2-3]。

某型紅外探測(cè)系統(tǒng)在進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)圖像異常，成像圖片中有較多雪花點(diǎn)，定位為紅外預(yù)處理電路功能異常。本文對(duì)該異常現(xiàn)象進(jìn)行失效分析。

1   失效原因分析

該款紅外探測(cè)器預(yù)處理電路原理框圖如圖2 所示，電路主要由信號(hào)采集與調(diào)理單元、電源管理單元、溫度采集單元、數(shù)字處理單元、偏壓產(chǎn)生單元組成。

該紅外探測(cè)系統(tǒng)工作流程為預(yù)處理電路將紅外探測(cè)器圖像信號(hào)采集并發(fā)送到后級(jí)成像，中間不對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。工作過(guò)程中出現(xiàn)圖像成像異常，圖片中有較多雪花點(diǎn)。

根據(jù)故障現(xiàn)象及預(yù)處理電路功能實(shí)現(xiàn)判斷，引起圖像異常的原因可能為：預(yù)處理電路數(shù)據(jù)傳輸功能異常、探測(cè)器時(shí)序功能異常、偏置電壓異常、信號(hào)采集與調(diào)理功能異常。根據(jù)上述分析建立故障樹(shù)[4-5]，如圖3 所示，下面對(duì)各個(gè)事件進(jìn)行排查分析。

1.1 數(shù)據(jù)傳輸功能分析

預(yù)處理電路數(shù)據(jù)傳輸通路為FPGA 輸出LVDS信號(hào)，如圖2 數(shù)字處理單元所示。數(shù)據(jù)傳輸功能可通過(guò)FPGA自身生成測(cè)試數(shù)據(jù)，然后用EDA 軟件SignalTapII 對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行抓取進(jìn)行對(duì)比分析。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，電路發(fā)送的數(shù)據(jù)與成像的數(shù)據(jù)一致，發(fā)送的數(shù)據(jù)包幀頭、幀尾，其編碼值與約定的數(shù)值一致，傳輸數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)與圖像接收的個(gè)數(shù)一致，未出現(xiàn)錯(cuò)幀、跳幀現(xiàn)象。因此，排除數(shù)據(jù)傳輸功能異常。

1.2 探測(cè)器時(shí)序功能分析

預(yù)處理電路通過(guò)內(nèi)部FPGA 產(chǎn)生2 組穩(wěn)定的時(shí)序信號(hào)提供給探測(cè)器，如圖2 數(shù)字處理單元所示。時(shí)序信號(hào)可通過(guò)示波器抓取進(jìn)行分析，表1 所示為抓取結(jié)果。

測(cè)試結(jié)果表明波形正常，且與時(shí)序功能設(shè)定一致。因此，排除探測(cè)器時(shí)序功能異常。

1.3 偏置電壓功能分析

預(yù)處理電路通過(guò)電壓基準(zhǔn)及DA 調(diào)理為探測(cè)器提供6 路偏置電壓，如圖2 偏差產(chǎn)生單元所示。偏置電壓可通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)試，表2 所示為測(cè)試結(jié)果。

測(cè)試結(jié)果表明，偏置電壓波形正常，在指標(biāo)范圍內(nèi)。因此，排除探測(cè)器偏壓功能異常。

1.4 信號(hào)采集與調(diào)理功能分析

預(yù)處理電路主要通過(guò)差分運(yùn)放對(duì)探測(cè)器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)理，然后通過(guò)AD 采集調(diào)理后的信號(hào)，如圖2 信號(hào)采集與調(diào)理單元所示。信號(hào)采集與調(diào)理功能可通過(guò)信號(hào)發(fā)生器輸入波形，利用SignalTapII 抓取FPGA 接收到的調(diào)理信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，圖4、圖5 所示分別為輸入3.75 V 直流信號(hào)與10 kHz，（1.6~4.6）V 的正弦信號(hào)測(cè)試結(jié)果。

圖4 直流信號(hào)測(cè)試結(jié)果

圖5 正弦信號(hào)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)運(yùn)放調(diào)理及AD 轉(zhuǎn)換后出現(xiàn)波形失真：直流信號(hào)出現(xiàn)毛刺，正弦信號(hào)出現(xiàn)臺(tái)階跳變。

測(cè)試結(jié)果也表明，波形失真體現(xiàn)在局部，未出現(xiàn)整體偏移或振蕩。因此，初步判斷信號(hào)調(diào)理部分功能正常，采集部分功能異常。從圖2 信號(hào)采集與調(diào)理單元可以看出，信號(hào)采集功能通過(guò)AD 實(shí)現(xiàn)，可初步定位AD 轉(zhuǎn)換存在異常，可分為以下2 種情況：

1）AD 芯片自身功能異常；

2）互聯(lián)鍵合絲異常（短路或者開(kāi)路）。

由于預(yù)處理電路中使用的是裸芯片AD，且密封在金屬腔體內(nèi)部，不便于單獨(dú)測(cè)試AD 芯片功能，故先從互連鍵合絲入手進(jìn)行異常排查。首先對(duì)異常電路進(jìn)行X射線檢查，圖6 所示為X 射線照相圖。

圖6 異常電路X射線照相圖

從圖6 中可以看出，AD 芯片上有2 根鍵合絲扭曲，疑似短路（圖6 中紅色標(biāo)記處）。

為進(jìn)一步確認(rèn)AD 芯片內(nèi)部鍵合絲是否短路，我們對(duì)異常電路進(jìn)行開(kāi)帽鏡檢，如圖7 所示，發(fā)現(xiàn)這2 根鍵合絲確實(shí)存在接觸短路的情況，短路引腳分別對(duì)應(yīng)AD芯片數(shù)據(jù)位的D9、D10 位（此款A(yù)D 芯片共14 位，最高位為D1，最低位為D14）。

圖7 異常電路開(kāi)帽鏡檢圖

當(dāng)AD 芯片中D9、D10 位短路時(shí)，兩個(gè)數(shù)據(jù)位輸出編碼電平一致。當(dāng)D9、D10 轉(zhuǎn)換結(jié)果均為1 或均為0時(shí)，輸出編碼正常；當(dāng)D9 為0、D10 為1 或D9 為1、D10 為0 時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)電平的競(jìng)爭(zhēng)，出現(xiàn)編碼的異常跳動(dòng)，AD 轉(zhuǎn)換輸出將會(huì)出現(xiàn)毛刺，與前述觀察現(xiàn)象一致。

1.5 測(cè)試驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證，將D9、D10 短路鍵合絲進(jìn)行分離處理，然后再通過(guò)信號(hào)源輸入3.75 V 直流信號(hào)與10 kHz，（1.6~4.6）V 的正弦信號(hào)測(cè)試，SiganalTapII抓取波形如圖8、圖9 所示。

圖8 短路鍵合絲分離后直流信號(hào)測(cè)試結(jié)果

圖9 短路鍵合絲分離后正弦信號(hào)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明波形正常：直流信號(hào)無(wú)毛刺，正弦信號(hào)波形平滑，且與信號(hào)采集與調(diào)理單元理論計(jì)算值一致；將處理后的預(yù)處理模塊重新裝入紅外探測(cè)系統(tǒng)中成像質(zhì)量良好，異?，F(xiàn)象消失。

綜上所述， 確認(rèn)該預(yù)處理電路異常由AD 芯片D9、D10 數(shù)據(jù)位短路導(dǎo)致。

2   糾正措施

當(dāng)預(yù)處理電路中AD 芯片數(shù)據(jù)位短路時(shí)，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)，引起采集信號(hào)失真，造成紅外探測(cè)器成像異常。

因此，保證AD 芯片正常鍵合，不短路即可解決該問(wèn)題。針對(duì)預(yù)處理電路模塊采取以下措施避免類似狀況發(fā)生：更改板級(jí)鍵合點(diǎn)位置，避免鍵合絲朝向同一側(cè)引入短路風(fēng)險(xiǎn)；嚴(yán)格控制鍵合工藝，鍵合前應(yīng)在樣件進(jìn)行鍵合試驗(yàn)，并對(duì)鍵合絲進(jìn)行拉力試驗(yàn)等測(cè)試，確保鍵合正常；嚴(yán)格執(zhí)行封帽前的鏡檢，避免因觀察不仔細(xì)漏過(guò)異常位置；在封帽前后增加信號(hào)采集與調(diào)理單元波形測(cè)試，確保信號(hào)采集與調(diào)理功能正常。

經(jīng)采用上述措施，后續(xù)該電路多批次產(chǎn)品均未出現(xiàn)因AD 鍵合絲短路出現(xiàn)的異常。

3   結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某型紅外探測(cè)器預(yù)處理電路異?，F(xiàn)象，通過(guò)建立故障樹(shù)逐步進(jìn)行失效分析，定位異常并通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，進(jìn)而提出糾正措施避免類似異常的發(fā)生。經(jīng)過(guò)本次失效分析工作，找到了偶然事件產(chǎn)生的根源，通過(guò)采取糾正措施，降低了偶然失效發(fā)生的概率，對(duì)產(chǎn)品可靠性的提高具有顯著實(shí)用價(jià)值。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年6月期）