陶家園 馮希辰 李健壯 黃曉宗

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。

關(guān)鍵詞：紅外探測(cè)器；預(yù)處理電路；失效分析；可靠性

0 引言

預(yù)處理電路是紅外探測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)硬件，通過(guò)其處理最大化發(fā)揮紅外探測(cè)器的性能出來(lái)[1]。紅外探測(cè)系統(tǒng)功能框圖如圖1所示，預(yù)處理電路實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)器信號(hào)采集與調(diào)理、偏置電壓產(chǎn)生、時(shí)序驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生、溫度采集、圖像處理及傳輸?shù)裙δ堋?/p>

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?，F(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[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。

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。

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）。

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。

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)處理電路異常現(xiàn)象，通過(guò)建立故障樹逐步進(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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