為什么“示波器級(jí)”診斷必不可少？

在汽車維修和研發(fā)中，由于現(xiàn)在汽車電氣系統(tǒng)復(fù)雜，很多問題難以察覺，急需一種能直觀呈現(xiàn)電信號(hào)的工具。有些故障只在特定條件下出現(xiàn)，等檢測(cè)時(shí)又沒了；僅憑故障代碼和經(jīng)驗(yàn)換零件，成本高且不一定能解決問題；表面看起來是軟件問題，實(shí)際是硬件干擾；想要復(fù)現(xiàn)故障車上出現(xiàn)的問題也很難做到。

昊量光電推出TiePie無線示波器，能提供一套完整的汽車故障檢測(cè)系統(tǒng)，它直接觀察線路與總線上的真實(shí)電壓、電流、差分/共模變化與時(shí)序耦合，從而在故障根因定位、一次修復(fù)率、誤換件率三項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)上帶來實(shí)質(zhì)提升。

無線示波器應(yīng)用案例

1.使用加示波器和速度計(jì)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)功率測(cè)量

為了確定發(fā)動(dòng)機(jī)是否正常工作，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行功率測(cè)量以檢查是否達(dá)到額定功率輸出。使用加速度計(jì)和無線示波器，可以在不使用測(cè)功機(jī)或其他測(cè)試設(shè)備的情況下對(duì)車輛進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)功率測(cè)量。功率測(cè)量可以在車輛加速工作時(shí)進(jìn)行。

將加速度計(jì)的X軸連接器連接到無線示波器，并將加速度計(jì)水平放置在車輛的地面上，X軸箭頭指向與行駛方向相反的方向，見圖1。

圖1 功率測(cè)量接線示意圖

在示波器軟件界面中輸入汽車的總重量，包括駕駛員和乘客。確保車輛在安全路段上進(jìn)行測(cè)試，點(diǎn)擊“開始按鈕”，進(jìn)行加速度計(jì)校準(zhǔn)并啟動(dòng)測(cè)量。在汽車第一檔和第二檔之間全油門加速，直到準(zhǔn)備切換到第三檔。加速后，立即踩下離合器踏板或?qū)⒆詣?dòng)變速箱置于空擋，讓車輛滑行約4或5秒鐘。點(diǎn)擊“停止”按鈕停止測(cè)量。得到測(cè)量結(jié)果如圖2。

圖2 功率測(cè)試曲線圖

圖2中的紅色信號(hào)表示速度，黃色表示前向力（單位為牛頓），綠色表示功率（單位為瓦特）。右上角表中顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)總輸出功率，單位為千瓦和馬力，而圖中的最大功率低于表中顯示的功率，因?yàn)楸碇袦y(cè)得的數(shù)據(jù)包括了傳動(dòng)系統(tǒng)、滾動(dòng)摩擦和空氣阻力的功率損失。在加速后讓車輛滑行一段距離，這樣可以測(cè)量克服各種摩擦力所損失的負(fù)功率。由于這些功率損失也發(fā)生在加速過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際產(chǎn)生的功率等于最大功率與最小功率之間的差值。通過這個(gè)方法就測(cè)得了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。

2. Volvo XC70動(dòng)力不足、亮故障燈、偶發(fā)熄火，使用無線示波器來檢測(cè)故障

一輛二手沃爾沃XC70被修理廠多次修理后仍存在動(dòng)力不足、亮故障燈、偶發(fā)熄火的問題；讀取到的故障碼包括：凸輪相位誤差、爆震傳感器電路、MAF 傳感器信號(hào)不合理、混合氣不正確，超出控制范圍。既可能是多處獨(dú)立的問題，也可能由同一原因引起。

使用無線示波器，按汽車測(cè)試與信息系統(tǒng)ATIS預(yù)設(shè)的“生命體征”做四通道同步檢測(cè)（曲軸/凸輪/噴油/點(diǎn)火），設(shè)置2.6s記錄、手動(dòng)觸發(fā)回溯 2.3s，在車輛“頓挫”瞬間觸發(fā)抓取波形。圖3中除了來自汽車的四路信號(hào)外，此測(cè)量還包含發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（紫色）。觀察轉(zhuǎn)速曲線，可以明顯看到發(fā)動(dòng)機(jī)受阻，轉(zhuǎn)速顯著下降。所有其他信號(hào)無明顯異常，一段時(shí)間后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到原始值。這表明電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行正常，問題應(yīng)該出現(xiàn)在其他地方。

圖3 汽車“生命體征”測(cè)試曲線圖

隨后對(duì)比正常車輛（圖4）和故障車輛（圖5）的凸輪對(duì)曲軸相位：正常車輛中凸輪下降沿領(lǐng)先曲軸基準(zhǔn)10齒，故障車僅5齒；因曲軸信號(hào)盤共60齒，每齒6°，可知凸輪滯后約30°。再測(cè)MAF并加載參考軌跡，發(fā)現(xiàn)其全程偏高約0.4V，解釋了“MAF/混合相關(guān)故障”的報(bào)錯(cuò)；更換MAF后問題減輕但沒有完全解決，仍需要繼續(xù)排查。

圖4： 正常車輛：曲軸和凸輪軸正時(shí)測(cè)量曲線圖

圖5：故障車輛：曲軸和凸輪軸正時(shí)測(cè)量曲線圖

檢查“MAF 信號(hào)不合理”、“混合比已修正到極限”兩個(gè)報(bào)錯(cuò)，這兩個(gè)報(bào)錯(cuò)涉及燃油空氣混合物和質(zhì)量空氣流量（MAF）傳感器。這兩者之間存在直接關(guān)系，因此對(duì)MAF傳感器的信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。汽車示波器被設(shè)置為長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)量，并加載了一個(gè)來自良好MAF傳感器的參考信號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，然后緩慢加速到更高的轉(zhuǎn)速。信號(hào)如圖6所示。

圖6：MAF 傳感器信號(hào)

圖6中兩個(gè)信號(hào)顯示出相似的模式，時(shí)間上略有偏移。在整個(gè)模式期間，來自MAF傳感器的信號(hào)似乎比參考信號(hào)高0.4V。這表明傳感器可能存在問題，解釋了關(guān)于混合氣和MAF傳感器的兩個(gè)報(bào)錯(cuò)。更換了新的MAF傳感器后，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況更好了，但是仍然不是理想狀態(tài)。

回到凸輪軸的調(diào)整，通過實(shí)際操作發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸由齒輪驅(qū)動(dòng)，而調(diào)整這個(gè)齒輪的一個(gè)齒會(huì)在曲軸和凸輪軸之間產(chǎn)生18°的角度差。經(jīng)過檢查，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸相比運(yùn)行良好的發(fā)動(dòng)機(jī)晚了30°。通過將齒輪調(diào)整一個(gè)齒以提前凸輪軸的相位，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況得到了顯著改善，動(dòng)力輸出也有所增加，不再出現(xiàn)動(dòng)力不足或熄火的情況。進(jìn)一步的機(jī)械調(diào)整使凸輪軸的相位僅比正常情況晚6°，發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)在運(yùn)行正常，故障指示燈也不再亮起。

最終確定了這輛車存在的故障，MAF漂移和凸輪正時(shí)偏差兩處獨(dú)立故障疊加，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行不良。多故障疊加的情況下，傳統(tǒng)檢測(cè)方法難以準(zhǔn)確定位病灶，然而，通過使用無線示波器 ATS5004D，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的基本生命信號(hào)，多通道時(shí)序參考對(duì)比，兩個(gè)問題的原因都被揭示出來，避免了繼續(xù)錯(cuò)誤換件。

3. 大眾高爾夫發(fā)動(dòng)機(jī)異響故障檢測(cè)

一輛高爾夫4 GTI（AGU）最大功率為109kW，加速時(shí)存在嚴(yán)重問題。從0加速到80km/h大約需要16秒，這對(duì)于這輛車來說太慢了。除了動(dòng)力不足外，發(fā)動(dòng)機(jī)每半秒會(huì)進(jìn)行一次減速，并產(chǎn)生大量排氣爆炸聲。檢測(cè)無故障碼，多家修理廠盲目更換渦輪、ECM、MAF、點(diǎn)火模塊與增壓控制閥仍無法解決問題。我們使用無線示波器對(duì)其進(jìn)行故障檢測(cè)：

功率測(cè)試：

用ATS5004D示波器+加速度計(jì)做功率測(cè)試，軟件直接從加速度計(jì)算車速與發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線，實(shí)測(cè)功率僅約69kW、曲線劇烈波動(dòng)，客觀量化了“加速慢”的問題。

圖7：加速過程中的發(fā)動(dòng)機(jī)功率和速度

關(guān)注渦輪增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的氣流，測(cè)量點(diǎn)火信號(hào)、噴射信號(hào)和質(zhì)量空氣流量（MAF）傳感器信號(hào)。同步采集噴油控制與MAF的信號(hào)，如圖8，在頓挫瞬間看到MAF突增至6V以上、噴油時(shí)間延長(zhǎng)MAF峰值與排氣“爆炸”一一對(duì)應(yīng)，由此所測(cè)信號(hào)與故障現(xiàn)象建立了關(guān)聯(lián)。

圖8：發(fā)動(dòng)機(jī)受阻時(shí)的 MAF 信號(hào)和噴射信號(hào)

接下來對(duì)渦輪壓力、渦輪壓力閥控制信號(hào)以及MAF傳感器信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。其中，MAF傳感器的作用是測(cè)量進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣量，以便發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊（ECM）能夠據(jù)此調(diào)整燃料的添加量，從而實(shí)現(xiàn)最佳燃燒效果。將其連接到無線示波器的通道2，如果MAF信號(hào)出現(xiàn)較大的峰值，這可能意味著空氣流量出現(xiàn)了顯著增加，而這種情況可能是由渦輪引起的。

壓力傳感器能夠測(cè)量進(jìn)氣歧管之間的渦輪壓力。將其連接到無線示波器的通道1。渦輪壓力閥調(diào)節(jié)渦輪壓力，該閥門由ECM使用脈寬調(diào)制信號(hào)控制，信號(hào)的占空比決定了閥門的開閉程度。渦輪壓力閥信號(hào)連接到無線示波器的通道3。

圖9：發(fā)動(dòng)機(jī)保持制動(dòng)時(shí)的渦輪增壓壓力

測(cè)試結(jié)果圖9中增壓壓力閥信號(hào)（綠色信號(hào)）迅速攀升至100%，這表明發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)應(yīng)該產(chǎn)生更高的增壓壓力（紅色信號(hào)）。然而，壓力本身上升得很緩慢，同時(shí)MAF傳感器的信號(hào)（黃色信號(hào)）也沒有快速上升，這說明空氣流量并沒有快速增加。由于該系統(tǒng)沒有配備增壓壓力傳感器，ECM只能依據(jù)MAF信號(hào)來控制增壓壓力。從增壓壓力閥信號(hào)達(dá)到最大值這一現(xiàn)象可以看出，如果MAF信號(hào)偏低，為了獲取更大的空氣流量，ECM會(huì)嘗試提高壓力。圖9中MAF信號(hào)（黃色信號(hào)）在某一時(shí)刻急劇上升，遠(yuǎn)超正常值。ECM試圖通過關(guān)閉部分壓力閥來補(bǔ)償大幅增加的空氣流量，占空比降至70%。然而，這一舉措不僅未能改善情況，反而使問題更嚴(yán)重。MAF信號(hào)開始出現(xiàn)波動(dòng)，壓力也隨之下降。由此可以得出結(jié)論，是排氣管中的“爆炸”導(dǎo)致了空氣流量的突然大幅增加。

回歸一開始的討論，從測(cè)量燃油壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮和點(diǎn)火系統(tǒng)開始。測(cè)量結(jié)果顯示：在怠速狀態(tài)下，燃油壓力為正常的250kPa（2.5bar）。然而，當(dāng)斷開燃油壓力調(diào)節(jié)器的真空管時(shí)，燃油壓力僅上升到270kPa，而正常情況下應(yīng)該達(dá)到約300kPa。即便關(guān)閉燃油的回流路徑，燃油力壓依然維持在270kPa，而按照正常邏輯，此時(shí)燃油壓力應(yīng)當(dāng)升高至大約600kPa。所有這些數(shù)據(jù)足以表明，燃油泵就是問題的根源所在。

更換新的燃油泵后重新測(cè)量渦輪增壓壓力和空氣流量，以及發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

圖10：更換燃油泵后發(fā)動(dòng)機(jī)保持制動(dòng)時(shí)的渦輪增壓壓力

圖10顯示了更換燃油泵后的渦輪壓力和MAF信號(hào)。壓力建立和MAF信號(hào)良好，占空比穩(wěn)定在70%。更換了新的燃油泵之后，再次對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率進(jìn)行了測(cè)量，如圖11所示，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)能夠產(chǎn)生108kW的功率，發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)正常。

圖11：更換燃油泵后的功率測(cè)試圖

確定故障：排氣管中的爆炸可能是由于燃油混合氣過稀造成的。由于爆炸導(dǎo)致MAF 信號(hào)增加，噴油器稍微增加打開時(shí)間，使發(fā)動(dòng)機(jī)得以繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。但隨后系統(tǒng)中燃油混合氣題再次達(dá)到過稀狀態(tài)，這個(gè)過程一直反復(fù)。

TiePie的高速WiFi示波器擁有高達(dá)1 GSa/s的快速采樣能力和12、14、16位的高分辨率，以及在所有四個(gè)通道上256MSamples的大內(nèi)存。該示波器支持連續(xù)流測(cè)量高達(dá)200MSa /s，并可以與其他示波器使用CMI接口或者WCMI無線模塊同步，形成一個(gè)多通道組合儀器與同步時(shí)基。