奇葩设计大赏

只看该作者 · 2023-1-1 15:35

几天前，售后发给我一台他们无法解决的故障机，让我想办法修好。我在研究与维修的过程中，发现该设备设计思路之奇特，元件参数选择之随意，调试过程之繁复，令我不经感叹我还是太年轻了~
先说一下该设备的功能：
1.设备接入样品后，选择恒压模式，通过对样品施加0-100V电压激励，得到其样品的响应。0-100V电压有手动调节和自动调节两种模式；
2.设备接入样品后，选择恒流模式，通过对样品的周边线圈施加0-0.95A电流激励，得到其样品的响应。0-0.95A电流有手动调节和自动调节两种模式；
3.采集部分可以手动或自动测量，自动测量数据通过RS232上传给上位机。
整体框图如下：

奇葩设计一：电源滤波电容耐压参数选择随意

上图为0-100V电压调节电路框图。这次设备故障就出在这里。现象是手动调节电压，电压表显示数值一直下降直至某一固定值。
我先测量NPN发射极处的电压值，发现调节电位器，电压可以正常在0-100V之间调节，并且没有出现电压下降的情况。之后测量线性光耦的两侧的电压值，也并未发现有异常。最后测量电压表输入前级的运放输出，发现电压持续下降，至此故障点“确定”。
尝试更换运放，上电后发现问题依旧。因为板子残留有大量的助焊剂，所以怀疑板子漏电，于是清洗板子。结果问题依旧。更换板子还是不能解决问题。至此问题似乎无解了。无意中用万用表测量运放的供电电压，结果发现与要求的15V电压有很大差距，且上电瞬间电压为15V，之后电压持续下降，且下降到远低于运放最大输入电压值，运放一直处于饱和状态。故障点真正确定。
之后检查15V电压电源电路，发现在整流桥和7815之间的电容耐压选择为25V！我们知道整流桥全桥输出的电压值是其输入电压的1.1~1.3倍，在该电路中，整流桥输入18VAC的交流电压，则其输出电压大约在19.8~23.4V。实际测量21.6V。似乎选择25V耐压的电容没什么问题，但是由于是并入市电，电网电压并不稳定，所以这个电容上的电压值有时会高于这个21.6V！电压器制造误差也会使得18VAC输入有些许误差。同时电容都使用了很长一段时间，各参数性能下降，不排除耐压下降的可能。实际发现此处电容有鼓包，更换同容量50V耐压电容后问题解决。查看同一批产品，有些电容也出现了鼓包的现象，于是决定全部更换高耐压的电容。
后来和工艺员谈论此事，工艺员说这个25V耐压使他们选的，之前耐压值为16V！！！由于一上电就炸，所以选择25V耐压的电容。我瞬间无语了。
奇葩设计二：控制信号同时作为实际测量信号

上图为恒流源的系统框图。一般情况下大家是将A点的信号作为实际输出测量信号还是B点呢？在该系统中选择控制信号的B点通过放大电路输入到电压表。同时为了解决控制信号与实际电流信号数值不相等的问题，还十分贴心的使用电位器控制放大倍数。这就带了一个问题，在产品出厂后，必须多一步测量实际电流值并调节电位器，使之电压表显示与实际电流值相等。
奇葩设计三：自动测量与手动测量不一致
试问一个问题，如果用一个温度计测量室温，在手动测量下测得为31度，那么在自动动态测量下应该是多少？假设该温度计动态测量性能与静态测量性能一致，那么测量值也应该是31度。可是实际情况下测量的值为100并且有人告诉你这是正确的，估计正常的人都会表示别在这扯淡。我在研究该设备时发现自动测量得到的数据曲线与手动测量得到的数据曲线不重合，在恒压模式下调节电位器使得手自动曲线重合，但到恒流模式下手自动曲线不重合。两种模式有一种必然出现不重合现象。和同事说了此事，结果回复说这是正确的。为了排除测量系统的动态测量性能与静态的不一致，即增益随测量频率变化出现偏差，我用示波器观察自动测量板信号输入端手动和自动条件下不同测量频率的曲线，结果发现曲线重合了。说明是上位机的问题。和上位机的开发聊了一下，以前确实有过上位机修改增益参数的情况。至此问题得到明晰了。
奇葩设计四：电位器大王---精度全靠电位器
说到这里我不得不佩服生产人员，面对十几个电位器调整，繁难的调试工艺，他们是怎么做到大规模量产时不疲劳不出错的。设计人员为了精度，不在电路设计上下功夫，不选择较高精度的阻容件，放一个电位器了事。就比如进入AD之前的电阻分压也是用电位器而不是一定精度的固定电阻。曾经我设计采集板时，为保精度选择了0.5%的电阻，被嘲笑了半天，摆出了理论依据也没人听，说什么他们这里就用5%的精度。我也是无语了。
奇葩设计五：生搬硬套的自动采集系统

该设备的自动采集系统完全使用的是适配示波器的解决方案。框图如上图所示。可是由于上位机是PC，不连接示波器，所以这种自动采集系统就不完全合适了。说一下这块板子的设计思路：
在恒流源板上提供一个5V峰值的锯齿波并规定其对应0-0.95A电流。该锯齿波既是采集板采集的信号还是恒流源板的控制信号，由于器件的误差，5V的锯齿波不一定会对应0-0.95A，为了实际到达0.95A，锯齿波幅度要调整，同时为了对应采集板的要求，所以还需要再加一个带电位器的放大电路使控制信号锯齿波对应到0-5V。到了恒压源这里，0-2.5V的锯齿波作为控制信号扫描出0-100V电压，实际锯齿波幅度会有微调，然后在这块板子上电压实际输出信号通过电位器调整到0-5V提供给采集板。
为了提供5V锯齿波信号，两块板子分别由单片机提供100Hz的方波给各自板上的恒流源的开关，通过电容充电产生锯齿波，同时提供电位器使得锯齿波输出幅度为5V。
其实到这里可以看到设计的混乱与复杂，且不说两块板子共使用了两块单片机，且十分奢侈的是单片机的作用是只提供100Hz的方波，而且为了满足5V的幅度要求需要通过电位器调节。之后又要根据实际需要再微调。恒压与恒流提供给采集板的信号分别是实际输出信号与控制信号。采集板上又有一块单片机负责AD采集与通讯。到这里我实在想不出为什么不用DAC提供控制信号，实际输出通过1:1或1:100分压产生反馈信号，然后由一块单片机负责控制DAC、采集信号与通讯？这样手动与自动可由一块单片机负责，既节约成本，又很容易满足精度，软件编写也很容易，同时不需要复杂的电位器调节。电位器调节的一个问题是电位器因温漂震动会影响精度，难道要求用户每次每次开机调一遍电位器？
其实用示波器XY模式的采集方案也未尝不可，但是为了精度如此添加电位器，信号链如此的复杂混乱也是闻所未闻。结合设计要求，选择合适的方案而不是生搬硬套十分重要。