四川省蠶絲學(xué)校 黃 鈔

模擬電路軟故障診斷的研究

四川省蠶絲學(xué)校 黃 鈔

目前，電子設(shè)備發(fā)展空前火熱，電子設(shè)備的主要核心部件是由數(shù)字電路和模擬電路組成，研究模擬電路的故障診斷，有利于提高電子設(shè)備的性能。本文主要是對(duì)模擬電路軟故障診斷的研究，分析模擬電路軟故障診斷研究現(xiàn)狀中存在的一些問(wèn)題，提出科學(xué)的模擬軟電路故障診斷方法，為提升電子設(shè)備質(zhì)量提供幫助。

模擬電路；軟故障診斷；電子設(shè)備

模擬電路由于其獨(dú)特的性質(zhì)，使得模擬電路故障診斷相比于數(shù)字電路而言更加困難。時(shí)間和電壓的連續(xù)特性使得模擬電路比數(shù)字電路更易受故障的影響；模擬電路中的元件參數(shù)具有很大的離散性，使得模擬電路實(shí)施正確診斷比較困難；模擬電路中廣泛存在非線性問(wèn)題和反饋回路，增加了故障診斷難度。模擬電路故障按照元件參數(shù)值偏離其標(biāo)稱(chēng)值的程度劃分為軟故障和硬故障兩類(lèi)。

1 模擬電路故障概述

1.1 模擬軟故障的概念

模擬電路的故障按照元件參數(shù)值偏離其標(biāo)稱(chēng)值的程度劃分為軟故障和硬故障兩類(lèi)。軟故障是指元件的參數(shù)隨著時(shí)間或者環(huán)境條件的影響而偏離至不能允許的程度，從而導(dǎo)致了系統(tǒng)性能的異常或惡化。元件軟故障通常不會(huì)導(dǎo)致電路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，大多不會(huì)對(duì)電路功能造成重要影響。硬故障又稱(chēng)災(zāi)難性故障，是指元件的參數(shù)突然發(fā)生很大的變化（如元件的短路、開(kāi)路等），從而導(dǎo)致系統(tǒng)嚴(yán)重失效，甚至完全癱瘓。硬故障是一種結(jié)構(gòu)性的破壞，它破壞了電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使電路功能失效。硬故障從本質(zhì)上可以看作是軟故障的某種特例，即元件參數(shù)變化的兩種極端情況：極大值（開(kāi)路）和極小值（短路）。

區(qū)分元件參數(shù)值偏離其容差范圍所引起的故障類(lèi)型原則是：實(shí)際元件參數(shù)值是否大于其標(biāo)稱(chēng)值的10倍或者小于其標(biāo)稱(chēng)值的0.1倍。當(dāng)電路元件值的變化在元件參數(shù)之內(nèi)時(shí)，認(rèn)為元件發(fā)生了軟故障，在此之外則認(rèn)為元件發(fā)生了硬故障。

1.2 模擬電路故障的特點(diǎn)

由于模擬信號(hào)是大小隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)，它與數(shù)字信號(hào)有較大的不同。模擬電路本身的特性決定了它的診斷要困難和復(fù)雜得多。

（1）模擬電路的輸入激勵(lì)和輸出響應(yīng)都是連續(xù)量，模擬電路中的故障模型比較復(fù)雜，難以進(jìn)行簡(jiǎn)單的量化。

（2）模擬電路中的元器件參數(shù)具有很大的離散性，即“容差”，“容差”事實(shí)上就是輕微的故障，只是尚在允許的范圍內(nèi)而已，它們的普遍存在，導(dǎo)致故障的模糊性，而無(wú)法決定實(shí)際故障的物理位置。

（3）模擬電路中存在廣泛的非線性問(wèn)題。在實(shí)用的模擬電路中，幾乎都存在著反饋回路及非線性問(wèn)題，增加了計(jì)算和測(cè)試的復(fù)雜性。

（4）頻率范圍寬。模擬電路的頻率低端除直流外最低需測(cè)至10-5Hz，高端要測(cè)至103GHz（如衛(wèi)星電視的高頻頭信號(hào)就高達(dá)103GHz以上）。在這樣寬的頻率范圍內(nèi)，即使測(cè)量同一電信號(hào)，在不同頻段所依據(jù)的原理、采用的方法和使用的設(shè)備都可能相差很大。

（5）現(xiàn)代電子電路通常是多層的或被封裝的，可測(cè)試用的節(jié)點(diǎn)數(shù)非常有限，導(dǎo)致可用作故障診斷的信 息量不夠充分，造成故障定位的不確定性和模糊性。

2 模擬電路故障診斷的發(fā)展

同數(shù)字電路的故障診斷方法相比，模擬電路故障診斷的發(fā)展速度相對(duì)較慢，至今仍然沒(méi)有一個(gè)被廣泛認(rèn)可的測(cè)試診斷理論和方法。模擬電路的故障診斷之所以比數(shù)字電路的故障診斷要困難是由如下幾個(gè)特點(diǎn)決定的：

（1）模擬電路的輸入、輸出信號(hào)在時(shí)域和電壓幅度上具有連續(xù)性，以及元件參數(shù)的連續(xù)性使得故障診斷模型比較復(fù)雜，難以簡(jiǎn)單量化。

（2）實(shí)際模擬電路中的元件參數(shù)都具有很大的離散性，即具有容差。容差的存在導(dǎo)致了故障的模糊性，因而有時(shí)無(wú)法唯一確定故障位置，使得診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性難以保證，這是故障診斷的最大困難之一。

（3）模擬電路中廣泛存在非線性和反饋回路。模擬電路中往往含有非線性元件，而且即使在線性電路中也存在眾多的非線性問(wèn)題，這使得診斷的復(fù)雜性和信息處理量急劇增加。

（4）模擬電路中可測(cè)電壓節(jié)點(diǎn)有限，導(dǎo)致供診斷用的故障信息量不充分，造成故障定位的不唯一性和模糊性，或者根本不可診斷。

（5）模擬電路對(duì)環(huán)境變化較敏感，其輸出響應(yīng)不僅易受制造工藝所引起的元件參數(shù)偏差的影響，而且易受熱噪聲、電磁干擾等外界環(huán)境因素的影響。

鑒于上述原因，我們不可能將相對(duì)成熟的數(shù)字電路故障診斷方法直接移植到模擬電路系統(tǒng)中區(qū)解決問(wèn)題，必須根據(jù)模擬電路自身的特點(diǎn)去探索新的行之有效的診斷理論和方法。

3 模擬電路軟故障診斷方法

隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電路的復(fù)雜性日益提高，集成度不斷增大，在宇航、軍事、科研等各方面所使用的電子設(shè)備，其可靠性要求更加苛刻，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障排除的要求更具挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)的故障診斷方法已經(jīng)不能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的需求，要求科技人員和理論工作者進(jìn)一步探索新的理論和方法，常用的模擬電路軟故障分析方法有：屬于傳統(tǒng)的模擬電路軟故障診斷方法的故障字典法、參數(shù)識(shí)別法、故障驗(yàn)證法、逼近法；適用于現(xiàn)代模擬電路軟故障診斷方法的基于專(zhuān)家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論、小波變換、遺傳算法等理論發(fā)展起來(lái)的新方法。

3.1 小波分析故障診斷方法

小波分析的基本原理：通過(guò)小波母函數(shù)在尺度上的伸縮和時(shí)域上的平移來(lái)分析信號(hào)，適當(dāng)選擇母函數(shù)，可以使擴(kuò)張函數(shù)具有較好的局部性，因此，它是一種時(shí)一頻分析方法。即小波分析故障診斷機(jī)理包括的兩個(gè)方面：利用觀測(cè)器信號(hào)的奇異性進(jìn)行故障診斷，以及利用觀測(cè)器信號(hào)頻率結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行故障診斷。小波分析不需要系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，故障檢測(cè)靈敏準(zhǔn)確，運(yùn)算量也不大，對(duì)噪聲的抑制能力強(qiáng)，對(duì)輸入信號(hào)要求低，但在大尺度下由于濾波器的時(shí)域?qū)挾容^大，檢測(cè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生時(shí)間延遲，且不同小波基 的選取對(duì)診斷結(jié)果也有影響。小波分析與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，是一個(gè)十分活躍的研究領(lǐng)域。小波分析是一種時(shí)-頻分析方法，在時(shí)-頻域具有良好的局部化性質(zhì)并具有多分辨分析的特性：

目前，小波分析與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合有以下兩個(gè)途徑：一個(gè)途徑是輔助式結(jié)合，比較典型的是利用小波分析對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，然后用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)與判別；另一個(gè)途徑是嵌套式結(jié)合，即把小波變換的運(yùn)算融入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中去，形成所謂的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一小波分析或小波網(wǎng)絡(luò)。可以看到，小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)特性和小波的局部特性結(jié)合起來(lái)，具有自適應(yīng)分辨性和良好的容錯(cuò)性，因此又為軟故障診斷開(kāi)辟了一條新路，既拓寬了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、模糊理論、小波分析方法的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)，又為解決軟故障診斷的實(shí)用化找到了突破口，推動(dòng)了模擬電路軟故障診斷理論和方法的進(jìn)一步發(fā)展。

3.2 故障字典法

故障字典法，其基本思想是首先提取電路在各種故障狀態(tài)下的電路特征，然后將特征與故障的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系列成一個(gè)字典。在實(shí)際診斷時(shí)，只要獲取電路的實(shí)時(shí)特征，就可以從故障字典中查出此時(shí)對(duì)應(yīng)的故障。故障字典法是最具實(shí)用價(jià)值的故障診斷方法，因?yàn)閹缀跛械挠?jì)算量都集中在測(cè)前，測(cè)后只需要查字典定位故障，所以能做到實(shí)時(shí)診斷。然而故障字典法需要在測(cè)前確定電路的故障集，如果考慮軟故障的情況，建立的字典將無(wú)窮大，所以在實(shí)際應(yīng)用中一般用來(lái)處理單故障和硬故障，應(yīng)用受到極大的限制。

在諸多模擬電路故障診斷方法中，故障字典法是最成熟和最具有實(shí)用價(jià)值的一種方法，它屬于測(cè)前仿真故障診斷方法（與測(cè)后仿真方法相對(duì)而言）。故障字典技術(shù)包含三項(xiàng)重要內(nèi)容：故障字典的構(gòu)建、測(cè)點(diǎn)選擇和故障診斷。為了構(gòu)造初始故障字典，首先列出所有潛在故障并選定測(cè)試信號(hào)，包括類(lèi)型、頻率、幅度等。然后用選定測(cè)試信號(hào)激勵(lì)被測(cè)電路，包括無(wú)故障和所有故障狀態(tài)，最后記錄下所有備選測(cè)點(diǎn)上的響應(yīng)特征，如電壓、電流等參量或由這些參量計(jì)算得到的故障特征，并存放于故障字典中。測(cè)點(diǎn)選擇的任務(wù)是根據(jù)給定的測(cè)試性指標(biāo)從初始故障字典中選擇最少的測(cè)點(diǎn)構(gòu)成最優(yōu)故障字典，并根據(jù)選擇結(jié)果設(shè)置實(shí)際的物理測(cè)點(diǎn)和選擇測(cè)試激勵(lì)以及測(cè)試參量。故障診斷階段只需要用與構(gòu)造字典階段相同的信號(hào)激勵(lì)被測(cè)電路，根據(jù)測(cè)點(diǎn)上獲得的參數(shù)計(jì)算故障特征，將故障特征與最優(yōu)字典相比較診斷出故障。

本文主要研究模擬電路軟故障診斷，介紹了模擬電路故障的軟故障和硬故障的概念，并詳細(xì)分析了模擬電路故障的特點(diǎn)；系統(tǒng)的分析了模擬電路故障診斷發(fā)展困難的原因，詳細(xì)的介紹了兩種現(xiàn)代模擬電路軟故障診斷方法，小波分析故障診斷方法和故障字典法，為今后模擬電路故障診斷方法的研究提供參考。

[1]姚俊華．模擬電路軟故障診斷方法的研究[D]．電子科技大學(xué),2010．

[2]楊士元,胡梅,王紅．模擬電路軟故障診斷的研究[J]．微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2008,01:1-8．