曹 勇， 谷興龍， 邵思杰， 熊 偉

(1. 裝甲兵工程學(xué)院控制工程系，北京 100072； 2. 裝甲兵工程學(xué)院兵器工程系，北京 100072； 3. 63623部隊(duì)，甘肅 蘭州 732750)

ASA(Analog Signature Analysis)測(cè)試[1-3]技術(shù)是指在電路節(jié)點(diǎn)注入一定幅度和頻率的周期信號(hào)，得到電流隨電壓變化的關(guān)系曲線，即V-I曲線。V-I曲線的形狀由被測(cè)節(jié)點(diǎn)間的阻抗特性所決定，由于器件故障通常表現(xiàn)為管腳端口之間阻抗特性的改變，因而相應(yīng)的V-I曲線也將發(fā)生變化。通過比較好壞電路板上相同節(jié)點(diǎn)或好壞器件相同管腳的V-I曲線是否一致，可以發(fā)現(xiàn)故障節(jié)點(diǎn)或器件[4-6]。因此，利用ASA測(cè)試技術(shù)可以完成在線電路的故障診斷，具有易于上手、無需了解電路原理、測(cè)試效率高等優(yōu)點(diǎn)[7-8]。ASA測(cè)試技術(shù)的實(shí)現(xiàn)以V-I曲線數(shù)據(jù)的有效采集為前提，設(shè)計(jì)可以準(zhǔn)確獲得V-I曲線數(shù)據(jù)的ASA測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)于相關(guān)研究的開展具有重要意義。

1 基本思路

將連續(xù)信號(hào)分割成一系列不同幅值的脈沖信號(hào)，作為ASA測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的激勵(lì)源，如圖1所示，其具有如下特點(diǎn)。

圖1 將連續(xù)信號(hào)分割成脈沖信號(hào)

1) 每個(gè)采樣點(diǎn)的測(cè)試時(shí)間可調(diào)，測(cè)試電壓幅值可控，可以針對(duì)不同的測(cè)試對(duì)象設(shè)計(jì)不同的電壓幅值范圍和測(cè)試時(shí)間。圖1為等間隔的三角波離散函數(shù)，其中測(cè)試時(shí)間t可調(diào)，脈沖信號(hào)幅值Vt可控，調(diào)節(jié)t和Vt可以得到任意波形的離散脈沖信號(hào)。

2) 與傳統(tǒng)的采用連續(xù)信號(hào)(如正弦波)作為ASA測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的激勵(lì)源相比，采用脈沖信號(hào)的激勵(lì)源設(shè)計(jì)方案，使連續(xù)的時(shí)域測(cè)試轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)字域測(cè)試，避免了將連續(xù)信號(hào)離散化帶來的復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算。

3) 小信號(hào)、窄脈沖的電壓源設(shè)計(jì)，不易對(duì)被測(cè)器件造成損壞，保證了ASA測(cè)試的安全性。

4) 連續(xù)加電測(cè)試的采樣點(diǎn)不好控制，即便可以對(duì)其進(jìn)行離散化，卻不能保證采樣和激勵(lì)的同步，而以脈沖信號(hào)作為激勵(lì)源，可以有效實(shí)現(xiàn)采樣和激勵(lì)的同步，確保具有參考價(jià)值的2個(gè)點(diǎn)在同一條件下完成測(cè)試，使獲得的ASA測(cè)試數(shù)據(jù)更具有說服力。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要由PC機(jī)、串口通信模塊、單片機(jī)控制模塊、采樣保持電路以及調(diào)幅調(diào)寬電路組成。

圖2 硬件總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

ASA測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作過程為：將探針1、2接入被測(cè)電路，由PC機(jī)通過串口通信模塊向單片機(jī)發(fā)送開始指令，單片機(jī)將PWM信號(hào)經(jīng)調(diào)幅調(diào)寬電路后施加給被測(cè)器件，同時(shí)，單片機(jī)通過采樣保持電路將相應(yīng)的V-I曲線數(shù)據(jù)經(jīng)軟件濾波處理后再通過串口通信模塊反饋給PC機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心是調(diào)幅調(diào)寬電路以及采樣保持電路。

2.1.1 調(diào)幅調(diào)寬電路

調(diào)幅調(diào)寬電路如圖3所示，其采用2級(jí)運(yùn)放結(jié)構(gòu)對(duì)PWM脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)理：第1級(jí)為同向放大器結(jié)構(gòu)，單片機(jī)將產(chǎn)生的PWM信號(hào)(頻率約為85 kHz，幅值為0.05～4.95 V)經(jīng)一級(jí)同向放大器放大到ASA測(cè)試所需要的電壓幅值范圍后輸出；第2級(jí)為電壓跟隨器，主要起驅(qū)動(dòng)作用，可以提高整個(gè)電路的驅(qū)動(dòng)能力。

圖3 調(diào)幅調(diào)寬電路

在圖3中，三極管Q2、Q1構(gòu)成了圖騰柱結(jié)構(gòu)的開關(guān)電路，單片機(jī)的PC5引腳為此開關(guān)電路的控制端。其工作原理為：PWM脈沖信號(hào)通過一級(jí)同向放大器放大到ASA測(cè)試所需要的幅值范圍，之后單片機(jī)通過控制PC5引腳來控制開關(guān)電路，進(jìn)而控制電壓跟隨器的輸出與隔離。

單片機(jī)與一級(jí)同向放大器實(shí)現(xiàn)了調(diào)幅功能，PC5控制開關(guān)決定了激勵(lì)源施加時(shí)間的長(zhǎng)短，單片機(jī)按一定規(guī)律來控制PC5，可以實(shí)現(xiàn)電路的調(diào)寬功能。當(dāng)PWM脈沖信號(hào)呈線性遞增趨勢(shì)、PC5開關(guān)按固定周期規(guī)律控制時(shí)，就可以得到如圖1所示的ASA測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的脈沖激勵(lì)源。

2.1.2 采樣保持電路

由于不能直接對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行采樣，所以，首先要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，即通過I-V變換電路來實(shí)現(xiàn)，其原理如圖4所示。仍然采用2級(jí)運(yùn)放結(jié)構(gòu)，電阻R10為采樣電阻，其作用是將V-I測(cè)試的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)2級(jí)放大后將最終輸出電壓V(I)變換到單片機(jī)進(jìn)行AD采集的電壓范圍之內(nèi)，并將電壓V(I)作為電流I的參數(shù)值。這樣V、I的關(guān)系就可以用V、V(I)的關(guān)系來表示，即將采集V、I數(shù)據(jù)的任務(wù)轉(zhuǎn)化為采集V、V(I) 數(shù)據(jù)。

圖4 I-V變換電路

考慮零點(diǎn)漂移現(xiàn)象的存在，在圖4中，由R15、R16組成偏置電路，在將被測(cè)對(duì)象接入圖3、4中的探針1、2之前，首先要在0輸入條件下，通過偏置電路將圖4中的一級(jí)放大電路輸出的漂移電壓調(diào)為0 V。

采樣保持電路如圖5所示，主要由2片高速采樣保持器構(gòu)成，輸入電壓V經(jīng)調(diào)幅調(diào)寬電路的探針1處引入，V(I)則是經(jīng)I-V變換電路的輸出引入，單片機(jī)則通過控制PC3引腳來控制整個(gè)電路的工作。該電路設(shè)計(jì)的突出優(yōu)點(diǎn)是通過單片機(jī)控制PC5、PC3引腳可以使采樣與激勵(lì)同步進(jìn)行，保證了V-I曲線數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性。

圖5 采樣保持電路

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的目的:1) 配合硬件電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖激勵(lì)源的調(diào)幅、調(diào)寬控制；2) 采集V、V(I)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算處理；3) 通過循環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)不同激勵(lì)下的連續(xù)采樣測(cè)試，得到完整的V-I曲線數(shù)據(jù)信息。

圖6 軟件流程

軟件流程如圖6所示，主程序?qū)υO(shè)備進(jìn)行初始化,以設(shè)置定時(shí)器和控制端口，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，根據(jù)不同的測(cè)試對(duì)象，單片機(jī)對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行調(diào)幅、調(diào)寬工作,以選擇合適的測(cè)試電壓范圍和施加測(cè)試的時(shí)間。幅值調(diào)節(jié)可以是線性的遞增或遞減，也可以根據(jù)具體要求呈某種曲線形式；寬度調(diào)節(jié)是調(diào)節(jié)施加測(cè)試的時(shí)間，以達(dá)到將連續(xù)信號(hào)離散化的目的。通過合理的調(diào)幅、調(diào)寬，可以得到任意波形的脈沖信號(hào)并作為ASA測(cè)試的激勵(lì)源。根據(jù)ASA測(cè)試的特點(diǎn)，在脈沖信號(hào)源的幅值范圍內(nèi)設(shè)置N個(gè)采樣點(diǎn)，通過循環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)V、V(I)數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理以及連續(xù)采樣，直到采滿N組ASA測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，單片機(jī)將V、V(I)數(shù)據(jù)信息發(fā)送給PC機(jī)進(jìn)行顯示。待測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，寄存器被清空，PWM計(jì)數(shù)器重新計(jì)數(shù)，準(zhǔn)備進(jìn)行下一組測(cè)試，如此循環(huán)。

3 VI曲線采集驗(yàn)證分析

應(yīng)用ASA測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在線采集V、V(I)數(shù)據(jù)，并以串行數(shù)據(jù)的形式體現(xiàn)出來。為了便于說明，在ASA測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中同步接入存儲(chǔ)示波器，以X-Y坐標(biāo)的形式觀察測(cè)試波形。

3.1 典型元件ASA測(cè)試

以實(shí)際測(cè)得的典型分立元件(即電阻、電容、電感)的V-I曲線波形為例,來驗(yàn)證ASA測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性。

電阻的V-I曲線波形如圖7所示。由圖7可知：電阻的測(cè)試數(shù)據(jù)圖形是一條直線，直線的斜率是電阻值的倒數(shù)，即電阻值的大小與直線斜率成反比；隨著電阻阻值的增大，V-I曲線的斜率逐漸減??；一旦電阻發(fā)生故障，如短路，則斜率接近無窮大。

圖7 電阻V-I曲線波形

電容的V-I曲線波形如圖8所示。由圖8可知：電容的測(cè)試數(shù)據(jù)圖形是一條曲線，隨著電容值的增大，其阻抗特性降低，斜率增大，越來越接近Y軸；一旦電容發(fā)生故障，如斷路，則此時(shí)阻抗為無窮大，V-I曲線斜率則為0。

圖8 電容V-I曲線波形

電感的V-I曲線波形如圖9所示，雙斜線是由電流滯后于電壓造成的。由圖9可知：隨著電感值的增大，阻抗增大，曲線斜率逐漸降低；一旦電感元件發(fā)生故障，如短路，則斜率趨于無窮大。

圖9 電感V-I曲線波形

3.2 模擬電路ASA測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證方案的可行性，以模擬電路的ASA測(cè)試為例進(jìn)行說明。為了便于說明，給出模擬電路原理圖，如圖10所示，共設(shè)立了4個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖10 模擬電路原理圖

在正常狀態(tài)下，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，所得V-I曲線如圖11(a)所示(圖中“1-2”表示節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2間的V-I曲線，依此類推)。

在此模擬電路上設(shè)置短路故障，如圖10中橢圓圈所標(biāo)，即把節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3之間的電容C1短路，此時(shí)測(cè)得的V-I曲線如圖11(b)所示。

圖11 模擬電路V-I曲線

對(duì)比圖11(a)、(b)可發(fā)現(xiàn)：節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)3之間的V-I曲線發(fā)生了明顯變化。根據(jù)故障后節(jié)點(diǎn)2、3之間的電壓為0 V，電流沿Y軸直線上升的特點(diǎn)，可判斷是節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)3之間發(fā)生了短路。

以上驗(yàn)證分析過程表明：不同元器件對(duì)應(yīng)不同的V-I曲線，通過對(duì)V-I曲線差異的分析，可以對(duì)元件及電路故障進(jìn)行判斷。

4 結(jié)論

與以往的普遍將正弦波作為ASA測(cè)試激勵(lì)源相比，系統(tǒng)采用幅值、寬度可調(diào)的脈沖激勵(lì)源的設(shè)計(jì)，優(yōu)化了ASA測(cè)試激勵(lì)源設(shè)計(jì)方案；在測(cè)試過程中，使激勵(lì)和采樣同步，保證了 ASA測(cè)試的針對(duì)性、安全性以及有效性。驗(yàn)證分析結(jié)果表明：ASA測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案合理可行。下一步,可考慮在此基礎(chǔ)上加入在線隔離技術(shù)，最終以工程化形式將此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)引入到ASA測(cè)試的實(shí)際應(yīng)用中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張建峰.基于ASA在線測(cè)試的研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京:東南大學(xué),2003.

[2] 趙楊,生擁宏,增光裕,等.模擬特征分析的在線測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息工程大學(xué)學(xué)報(bào),2013,14(1):103-108.

[3] Huntron lnc. Fundamentals of Signature Analysis: An In-depth Overview of Power-off Testing Using Analog Signature Analysis[R].Mill Creek:Huntron,2009.

[4] 牛海斌.基于V-I曲線的在線測(cè)試的研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2008.

[5] 許春聰,馬鳴錦.利用端口特征分析實(shí)現(xiàn)故障的快速定位[J].微計(jì)算機(jī)信息,2005,21(11):149-150.

[6] 鄭偉正,王躍鋼,王學(xué)浩.基于隔離技術(shù)的器件在線功能測(cè)試方法研究[J].兵工技術(shù), 2010, 10(21): 5269-5273.

[7] 馬真.快速排除集成電路線路板故障的ASA技術(shù)[J].科技與應(yīng)用,2003,3(2):41-43.

[8] 張弛,崔佩璋,段修生.ASA技術(shù)在電路板故障診斷中的應(yīng)用研究[J].測(cè)控技術(shù),2004,23(6):21-22.