李海東

（渤海大學(xué)，遼寧 錦州 121000）

0 引言

Multisim11.0作為目前世界上較為先進(jìn)的電子自動(dòng)化設(shè)計(jì)軟件，通過(guò)它強(qiáng)大的性能和比較領(lǐng)先的自動(dòng)化機(jī)制引起了電子專家的注意。人們開始嘗試將multisim11.0應(yīng)用于模擬或數(shù)字電路的故障診斷與排除，并取得了非常顯著的效果，本文將重點(diǎn)介紹multisim11.0在故障診斷方面的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用過(guò)程中需要注意的問題。

1 什么是Multisim11.0

Multisim11.0是目前在電子領(lǐng)域知名度和應(yīng)用度都比較高的一款電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，它和NI Ultiboard一樣都屬于美國(guó)國(guó)家儀器公司，都作為電路設(shè)計(jì)軟件套件而被眾人所認(rèn)知。同樣，由于其不凡的產(chǎn)品性能，該應(yīng)用軟件成功入選伯克利加大SPICE項(xiàng)目，能獲得這一殊榮的電子應(yīng)用軟件為數(shù)并不多。在具體的應(yīng)用實(shí)踐中，該軟件主要應(yīng)用在電路圖的設(shè)計(jì)和電路的教學(xué)。在這一過(guò)程中，參與者可以真實(shí)的感受到電路的整個(gè)交互式的搭建過(guò)程，并且體驗(yàn)其強(qiáng)大的捕獲、仿真和分析功能。所以在電子學(xué)教育中Multisim11.0被廣泛應(yīng)用，幫助教育工作者實(shí)現(xiàn)從理論到原理圖設(shè)計(jì)甚至電路故障的診斷和測(cè)試的完整的綜合設(shè)計(jì)流程。Multisim11.0的突出性能如下：

1.1 圖形界面比較直觀

Multisim11.0的操作界面具有很強(qiáng)的直觀性，它的呈現(xiàn)方式如同一個(gè)正在進(jìn)行的電子實(shí)驗(yàn)的工作臺(tái)，在電路的繪制過(guò)程中，只需借助鼠標(biāo)就可完成電路所需個(gè)元件和測(cè)試儀器與導(dǎo)線的連接而且，在控制面板上所顯示的模擬電路與操作方式基本一致，在操作過(guò)程中可以通過(guò)顯示器清楚的看到測(cè)量數(shù)據(jù)，以及各相關(guān)數(shù)據(jù)的波形軌跡和特性曲線，幫助實(shí)驗(yàn)者或者系統(tǒng)維護(hù)人員更好的進(jìn)行電路的維護(hù)和保養(yǎng)。

1.2 元器件比較豐富

Multisim11.0和上代的軟件相比，擁有了更為強(qiáng)大的元器件供應(yīng)，目前在全世界已經(jīng)有上萬(wàn)種元件為其提供專業(yè)的支持，而且軟件自身可以方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)元件的參數(shù)按照實(shí)際的需要進(jìn)行相應(yīng)的修改，并且軟件本身可以借助自帶的模擬生成器及代碼自創(chuàng)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)自己所需元件的生成與創(chuàng)建，可以說(shuō)具有很強(qiáng)的智能性。

1.3 較強(qiáng)的仿真能力與豐富的檢測(cè)儀器

Multisim11.0和上代的軟件相比，借由SPICE3F5和Xspice的內(nèi)核作為仿真的引擎，通過(guò)帶有的增強(qiáng)設(shè)計(jì)功能將數(shù)字和混合模式的仿真性能進(jìn)行優(yōu)化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、電路向?qū)У裙δ?，這些仿真功能在具體的實(shí)際操作中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。同時(shí)，該軟件提供了近20多種的虛擬儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種電路動(dòng)作的實(shí)際監(jiān)測(cè)。例如，比較常見的萬(wàn)能表，以及函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、瓦特表、示波器、字符發(fā)生器、邏輯分析儀等設(shè)備，雖然這些設(shè)備只是該軟件的一個(gè)虛擬構(gòu)成，但它得的設(shè)置與運(yùn)行和真實(shí)生活中的一樣，這種交互式的動(dòng)態(tài)顯示幫助我們更好的對(duì)模擬或數(shù)字電路進(jìn)行有效的分析。同時(shí)，該軟件還可以通過(guò)自定義相關(guān)儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)電路測(cè)試的升級(jí)與靈活控制各應(yīng)用程序的儀器。

1.4 分析手段比較完備

Multisim11.0具有比較完備的分析手段，通過(guò)進(jìn)行對(duì)直流工作點(diǎn)的分析，以及交流和瞬態(tài)分析來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)原型開發(fā)和測(cè)試設(shè)計(jì)的迅速完成。具體來(lái)說(shuō)，該軟件利用仿真產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來(lái)完成數(shù)據(jù)的執(zhí)行與分析，這個(gè)范圍比較廣泛，從簡(jiǎn)單的基本數(shù)據(jù)到異常的極端數(shù)據(jù)都可以進(jìn)行完整的分析，并且每一個(gè)數(shù)據(jù)的分析都為下一步分析做好鋪墊，具有了符合電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的交互式的測(cè)量和分析性能。

1.5 比較好的信息轉(zhuǎn)換的兼容性

在Multisim11.0軟件中，提供了比較完備的原理圖與仿真數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換?？梢酝ㄟ^(guò)自帶的相關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的輸出，可以進(jìn)行將原理圖輸出到布線，也可以輸出為網(wǎng)絡(luò)表文件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)的共享。在數(shù)據(jù)輸出以前，軟件會(huì)首先對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析運(yùn)算。例如，進(jìn)行基本的算數(shù)運(yùn)算，三角運(yùn)算，復(fù)合運(yùn)算，向量運(yùn)算和邏輯運(yùn)算等等，從而提高結(jié)果分析的可靠性，與此同時(shí)，該軟件支持C代碼、匯編代碼以及16進(jìn)制代碼，并兼容第三方工具源代碼；包含設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行、查看和編輯內(nèi)部RAM、特殊功能寄存器等高級(jí)調(diào)試功能。

2 Multisim11.0的模擬或數(shù)字電路故障診斷

在當(dāng)今社會(huì)，數(shù)字化發(fā)展非常迅速，已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)今世界發(fā)展的主要潮流。不夸張的獎(jiǎng)，在各個(gè)行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域，數(shù)字化都有其非常廣泛的應(yīng)用，這也是未來(lái)發(fā)展的方向。在數(shù)字化的進(jìn)程中，它發(fā)展的主題是電路。從傳統(tǒng)的模擬電路到今天的數(shù)字電路，見證者科技的突飛猛進(jìn)。數(shù)字化的核心就是其數(shù)字電路，數(shù)字電路也是計(jì)算機(jī)硬件電路和通信電路以及信息自動(dòng)化的關(guān)鍵所在。數(shù)字電路經(jīng)歷了電子管、半導(dǎo)體分立器以及集成電路等重要的歷史發(fā)展階段。它是模擬電路的提升與改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行的數(shù)字量化與一系列的數(shù)字運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。由于其較強(qiáng)的穩(wěn)定性和良好的抗干擾性，自60年代以后得到了非常廣泛的運(yùn)用，速度比模擬電路還要快。在這中間模擬電路和數(shù)字電路在各個(gè)領(lǐng)域推廣，極大的帶動(dòng)了電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。尤其是上個(gè)世紀(jì)末，微型處理器的出現(xiàn)讓數(shù)字電路有了本質(zhì)的提升，規(guī)模更大，功能也更加強(qiáng)大。現(xiàn)在已經(jīng)超過(guò)過(guò)去的簡(jiǎn)單的二進(jìn)制演變?yōu)榘诉M(jìn)制甚至是多進(jìn)制。

2.1 模擬或數(shù)字電路故障產(chǎn)生的主要原因

在本文中我們重點(diǎn)分析數(shù)字電路產(chǎn)生故障的主要原因。首先我們要簡(jiǎn)單了解一下數(shù)字電路的基本組成單位，那就是門電路。門電路的主要功能是用來(lái)實(shí)現(xiàn)基本的邏輯運(yùn)算與復(fù)合的邏輯運(yùn)算。通俗來(lái)講，門電路其實(shí)就是一個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)電路。一般我們經(jīng)?？吹降氖桥c門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或和同或門等幾種，而這些門電路的主要構(gòu)成是：半導(dǎo)體二極管、半導(dǎo)體三極管、CMOS等具有開關(guān)特性的元件及電阻、二極管。這些開關(guān)特性所處的條件不同其元器件所處的跳轉(zhuǎn)狀態(tài)也會(huì)不同。所以面對(duì)如此多的門電路，尤其是出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的集成電路，將電路的大多數(shù)部分甚至是全部集中在一個(gè)小芯片上，一旦某一物理元件存在缺陷或者出現(xiàn)一些細(xì)微的變化，都會(huì)影響整個(gè)電路的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)對(duì)整個(gè)電路造成意想不到的傷害。所以，對(duì)正在運(yùn)行的電路進(jìn)行定期的診斷顯得尤為重要，另外在電路運(yùn)行前的檢查也是必要的，例如，各引線之間的連接，以及是否存在短路，各個(gè)接口，插件之間的連接是否出現(xiàn)接觸不良等等。

2.2 模擬或數(shù)字電路故障的主要特點(diǎn)

數(shù)字電路的故障來(lái)源門電路，門電路的輸入可以唯一，也可以為兩個(gè)，甚至更多，這就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)目炻龁栴}，雖然門電路的傳輸時(shí)延很小，但是，對(duì)于不同的器件材料，延時(shí)區(qū)別是很多的，比如三極管材料要遠(yuǎn)大于CMOS材料的器件。當(dāng)一個(gè)門電路的輸入有多個(gè)，且根據(jù)不同路徑到來(lái)時(shí)候，由于時(shí)間的先后順序，這就會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致冒險(xiǎn)現(xiàn)象。數(shù)字電路是用0和1表示電平信號(hào)的高低，但是在數(shù)字電路的傳輸過(guò)程中依然是電流或者電壓的傳播，在每一個(gè)門電路中，或多或少都會(huì)有耗能器件，這時(shí)候，隨著信號(hào)的流通，耗能必不可少，這就可能影響電平的情況，甚至?xí)绊戦T電路的驅(qū)動(dòng)問題，即前一個(gè)門電路的輸出達(dá)不到驅(qū)動(dòng)下一個(gè)門電路的能力，這會(huì)使電路無(wú)法正常工作。信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中也會(huì)收到外界電磁的影響，這可能會(huì)是信號(hào)的電平發(fā)生改變，從而影響電路的功能實(shí)現(xiàn)，乃至出現(xiàn)錯(cuò)誤的邏輯關(guān)系，這些情況都是隨機(jī)的，不可預(yù)見的，我們很難控制，我們所能做的僅僅是盡量避免這些情況的發(fā)生，所以我們要知道數(shù)字電路會(huì)存在哪些故障的隱患，從而達(dá)到減少電路故障的發(fā)生概率。

2.3 Multisim11.0在模擬或數(shù)字電路故障診斷

Multisi11.0作為美國(guó)國(guó)家儀器有限公司推出的一款比較優(yōu)秀的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。因此本文借助其強(qiáng)大的仿真性能來(lái)完成它對(duì)模擬與數(shù)字電路的故障診斷。

經(jīng)過(guò)Multisim11.0在模擬或數(shù)字電路的應(yīng)用，我們發(fā)現(xiàn)該軟件比較直觀的將電路故障所處的位置通過(guò)數(shù)據(jù)分析和運(yùn)算以后，傳出到我們面前。我們比較直觀并且準(zhǔn)確的找到故障所在模塊，借助診斷備件將其進(jìn)行替換。尤其是該軟件自帶的升級(jí)功能幫助我們更好的做好了電路故障的預(yù)警機(jī)制，為故障的及時(shí)判斷和準(zhǔn)確分析提供了強(qiáng)有力的支持。

同時(shí)借助該軟件的各個(gè)元件，我們對(duì)時(shí)序電路的故障進(jìn)行了比較有效的診斷。因?yàn)闀r(shí)序電路存在時(shí)序，所以電路需要在一定時(shí)序的作用下才能實(shí)現(xiàn)其功能，這就讓其測(cè)試問題變得復(fù)雜，借助Multisim11.0軟件我們還是可以對(duì)電路的功能進(jìn)行檢測(cè)的，雖然時(shí)序電路是一個(gè)很龐大的整體，但是我們可以借助Multisim11.0軟件將其劃分為不同的小部分，當(dāng)然部分的劃分還要根據(jù)電路所實(shí)現(xiàn)的功能的不同，對(duì)此我們可以對(duì)小部分電路的功能進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整體電路的檢測(cè)。

在過(guò)去的模擬與數(shù)字故障診斷方法中，直方圖法是一種比較科學(xué)的檢測(cè)方法，一般廣泛用于模數(shù)轉(zhuǎn)換電路靜態(tài)參數(shù)測(cè)試中,但很少用于內(nèi)建自測(cè)試的設(shè)計(jì)中。本文借助了Multisim11.0其自帶的一種基于碼密度直方圖分析算法測(cè)試模數(shù)轉(zhuǎn)換電路靜態(tài)參數(shù)的內(nèi)建自測(cè)試結(jié)構(gòu)。該內(nèi)建自測(cè)試結(jié)構(gòu)包括一個(gè)用于生成測(cè)試信號(hào)的模擬信號(hào)發(fā)生電路,以及簡(jiǎn)化的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路靜態(tài)參數(shù)測(cè)量算法。經(jīng)過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)不僅硬件開銷成本低、測(cè)試速度比較快,而且能夠測(cè)試獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路電路。通過(guò)仿真試驗(yàn)表明,該信號(hào)發(fā)生器能按設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)確生成所需要的幅度、頻率均可調(diào)的模擬測(cè)試信號(hào)。

本文還根據(jù)實(shí)際操作需要，借助Multisim11.0軟件研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在模擬電路故障診斷中的應(yīng)用。由于傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬電路故障診斷方法普遍存在網(wǎng)絡(luò)收斂慢、易陷于局部最優(yōu)等缺陷。因此,本文借助Multisim11.0軟件對(duì)容差模擬電路故障診斷的新方法,該方法能對(duì)沒有任何先驗(yàn)假設(shè)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷。與傳統(tǒng)的普通神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比較,這種方法給出的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)既包括網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的修正,也包括模糊神經(jīng)元中隸屬度函數(shù)參數(shù)的調(diào)整,而且其模糊推理體現(xiàn)出來(lái)的權(quán)值易于理解。最后也取得了非常好的效果。這也是通過(guò)求得電路的故障檢測(cè)序列，在加于待測(cè)電路中，對(duì)比于電路的功能實(shí)現(xiàn)情況得出故障存在與否。故障檢測(cè)試驗(yàn)大致分為3步，第一是引導(dǎo)階段，將電路從未知狀態(tài)引導(dǎo)至預(yù)定狀態(tài)，第二步是驗(yàn)證是否存在電路所具有的所有狀態(tài)，第三步驗(yàn)證電路中的狀態(tài)是否可以按電路的功能實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)Multisim11.0的一系列工作，成功的實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)字電路的診斷。

［1］運(yùn)昌，編.模擬集成電路原理與應(yīng)用吳[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，1995.