劉蘇杰， 黃文濤， 呂海飛， 周 敏

(上海無線電設備研究所, 上海 200090)

碼元恢復電路的故障模擬與定位

劉蘇杰， 黃文濤， 呂海飛， 周 敏

(上海無線電設備研究所, 上海 200090)

文章從碼元恢復電路產品的復雜故障出發(fā)，分析電路原理，形成故障樹；采用仿真軟件建立開路和短路故障產品仿真模型，對故障樹所有分支逐一仿真，并與真實故障波形對比；結合電路理論分析，確定故障排查步驟，試驗表明故障定位準確。文章通過該電路故障的建模、仿真和定位，提供了一種清晰、準確、簡便的復雜電路故障消除方法。

碼元恢復； 電路仿真； 故障定位

0 引言

定位準確是航天產品質量問題技術歸零的第一步。產品質量問題一旦發(fā)生，首先需要保護好現場核實問題。通過有關記錄或試驗，確定問題發(fā)生的準確部位。問題定位時，應從上到下逐層分解。在系統(tǒng)級發(fā)生的故障，逐步分解定位到分系統(tǒng)、單機、電路模塊、元器件。在定位過程中，以盡可能不更改故障產品狀態(tài)為前提，采用設計理論進行故障診斷和定位。對于簡單的短路、開路的故障，通過繁瑣的理論分析，能夠完成故障的定位。然而，對于溫度參數漂移(特別是半導體元器件)等復雜故障，采用理論分析很難準確定位電路的故障點，只能根據代價、經驗進行器件更換。采用試探法進行故障排查，與質量問題定位“盡可能地維持產品狀態(tài)下，進行故障定位”的原則相違背[1]。為解決這一問題，本文采用電路仿真技術進行故障樹分支的排查，實現故障的準確定位[2]。本文以某通信碼元恢復電路產品的復雜、奇特故障問題為例，結合電路原理分析，通過建立故障樹各分支的短路、開路的故障仿真模型，分析仿真結果，排查和初步定位了可能導致該故障的器件，合理制定故障消除步驟，修復了碼元恢復電路。試驗證明：該方法清晰地給出了故障排查思路，提高了故障定位的準確度，簡化了故障消除步驟，降低排故過程中對故障理論分析能力的要求。

1 電路組成原理

碼元恢復電路是某通信設備使用的基帶二進制數字解調系統(tǒng)的重要組成部分，其功能是解調輸入信號中所攜帶的碼元信息，主要由檢波器、低通濾波器、比較器組成[3]。圖1是碼元恢復電路的原理框圖。

碼元恢復電路的輸入是前級射頻解調電路形成二進制振幅鍵控信號(2ASK)，經過匹配濾波、放大后形成梯形包絡形狀的波形。該波形攜帶基帶信號通過隔直電容，形成A處波形，如圖2所示。再送給包絡檢波器形成基帶輸入信號的包絡，即B處波形。通過閾值比較，在C處形成碼元輸出[4]。

2 故障現象與分析

某碼元恢復電路產品出現C處碼元輸出異常的故障。采用示波器可以觀測到C處波形出現第一個脈沖變窄，第二個脈沖很窄，第三個脈沖沒有復雜故障。選用示波器觀看A、B、C三處波形，如圖3所示。

對比圖2、圖3，可以看出故障產品A處波形異常，引起B(yǎng)處波形異常峰值遞減，最終使碼元輸出呈現復雜故障。故障產品A處波形特點：在三個基帶信號傳輸時，正向包絡幅度偏低，并且逐個包絡遞減；在三個基帶信號傳輸時，逐漸積累負向直流偏置；且在無基帶信號時，直流偏置慢慢回零。

產品電路圖如圖4所示，由6個電阻、3個電容、2個二極管、1個比較器組成。

結合圖2～4，故障產品輸入基帶信號為信號源輸入，A、B、C處波形均存在異常，A處波形異常是整個故障的根本。電容C1、二極管D1、D2、電阻R5直接與電路節(jié)點A相連；而R4、C2、R6、C3在二極管D1、D2導通后與A處相連。因此，該波形異常的故障樹構成如圖5所示。

綜上所述，電路故障已初步判定出現在隔直電路與包絡檢波電路中。但組成電路的8個器件均可能與該故障相關，理論分析將需要考慮兩個二極管的導通和斷開、兩個電容的充電和放電等較多的狀態(tài)，準確無誤的判斷哪一個器件故障導致的該奇特的故障波形，成為一個非常棘手的技術難題。如果允許拆裝元器件，將非常有利于問題的分析和定位，然而產品質量歸零的要求卻不允許。因此，對碼元恢復電路進行故障仿真分析，成為解決該問題的最好選擇。即建立電路仿真模型，對電路可能的故障進行電路模擬仿真，將故障仿真曲線和實際故障波形進行比較和理論分析，定位導致該故障的失效器件，再按步驟進行故障排除試驗。

3 電路建模與仿真

碼元恢復電路的建模是在ORCAD/CAPTURE軟件支持下，從軟件提供的仿真模型庫PSPICE.lib中取電容、電阻、二極管等的元器件仿真模型，并完成電阻、電容等參數的設置。運用CAPTURE提供的繪圖工具，按照圖4完成這些元器件之間的互連，形成碼元恢復電路仿真模型[5]。

電路仿真設置在Pspice菜單下，選擇New Simulation Profile，新建時域仿真項目及仿真文件，運行Pspice/Run進行仿真，即可在彈出的窗口中看到A、B、C三處仿真輸出波形，如圖6所示。

從圖6可以看出，仿真模型的A、B、C的波形，與圖2基本一致。

4 故障建模與仿真

電子元器件的實際故障模式較為復雜，可能是器件模型的其中一個參數出現短路、開路、參數漂移。如果考慮頻率特性、溫度特性等參數漂移故障，故障產品仿真所使用的元器件參數模型需要針對故障重新建立元器件故障模型，且故障模型不止一個。元器件故障仿真模型可以按照元器件的類型進行建模，根據實際情況進行工作狀態(tài)等效，通過修改器件模型中的參數值，建立實用的故障模型。具體方法是利用PSPICE內部的Model Editor模塊建立電路中所有元器件的故障模型，將它們存儲在一個.OLB文件中，即建立了元器件的故障模型庫[6]。

上述電路故障仿真方法可以更真實地進行故障模式的仿真，復現故障現象。然而，在不知道故障模式的前提下，建立元器件、溫度參數的漂移故障模型，是一個難以解決的問題。因此，本文結合故障樹，針對故障分支開路、短路建立仿真模型，與真實故障波形進行對比，進行器件虛擬故障的診斷與排除。

從故障樹可以看出，共有8個器件可能出現了故障。在基本電路仿真模型的基礎上，對電阻、電容、二極管的開路和短路分別建立故障仿真模型。然后，進行短路、開路故障的仿真分析，并與實際故障特征相比較。具體的建模和分析情況如下。

4.1 C1故障仿真

運用CAPTURE提供的建模工具，將圖4電容C1刪除，建立電容C1的開路故障仿真模型，并進行仿真，結果如圖7(a)所示。將圖4電容C1刪除，兩端用短線相連，建立電容C1的短路故障仿真模型，并進行仿真，結果如圖7(b)所示。圖中曲線變化趨勢與故障產品不一致。

4.2 D1故障仿真

將圖4二極管D1刪除，建立二極管D1的開路故障仿真模型，并進行仿真，結果如圖8(a)所示。將圖4二極管D1刪除，兩端用短線相連，建立二極管D1的短路故障仿真模型，并進行仿真，結果如圖8(b)所示。

將圖2故障波形與圖8仿真曲線進行對比， D1開路和短路的曲線變化趨勢與故障產品較為相似，但在幅度上存在較大差異。在包絡遞減變化大小方面，D1短路與故障產品一致，三個包絡幅度依次略有下降，且下降幅度基本一致。在直流偏置大小方面，D1開路與故障產品基本一致，需要較長時間才能恢復。

4.3 D2故障仿真

與4.2同樣的方法建立D2故障仿真模型，并進行仿真，結果如圖9所示。圖中曲線變化趨勢與故障產品相反。

4.4 R5故障仿真

分別設置電阻R5的阻值為0.000 1 Ω、100 MΩ，模擬電阻失效的短路、開路兩個狀態(tài)，進行電阻故障仿真，如圖10所示。圖中曲線變化趨勢與故障產品不一致。

4.5 R4故障仿真

與4.4同樣的方法建立R4故障仿真模型，并進行仿真，結果如圖11所示。圖11(a)中曲線變化趨勢與故障產品不一致，圖11(b)中的曲線直流偏置永遠不回零，與故障變化不一致。

4.6 C2故障仿真

與4.1同樣的方法建立C2故障仿真模型，并進行仿真，結果如圖12所示。圖12(a)中的曲線直流偏置回零過快，與故障變化不一致。圖12(b)中曲線變化趨勢與故障產品不一致。

4.7 R6故障仿真

與4.4同樣的方法建立R6故障仿真模型，并進行仿真，結果如圖13所示。圖中曲線變化趨勢與故障產品不一致。

4.8 C3故障仿真

與4.1同樣的方法建立C3故障仿真模型，并進行仿真，結果如圖14所示。圖中曲線變化趨勢與故障產品不一致。

5 故障定位分析與試驗

根據上述8個器件的短路、開路仿真曲線與故障產品輸出波形對比，結果表明：沒有任何一個仿真能夠完全復現故障產品波形，說明故障并非簡單通斷故障。將開路、短路的電路仿真曲線和故障曲線進一步對比分析，有以下結論。

a) 二極管D1短路、開路的仿真各具備故障產品的一個特征，因此二極管D1導致該故障的可能性最大;

b) 電容C2開路，也具備故障的一個特征，只是直流偏置回零時間太短，與故障現象不符合。從機理上分析可以認為，該回零時間是由于電路其它器件(如二極管D1)內部電容放電形成。因此，電容C2導致該故障，必須是兩個或多個器件同時故障。多點故障發(fā)生概率較低，可能性較小;

c) 電阻R4開路，也具備故障的一個特征，只是直流偏置回零時間過長，并且包絡遞減的幅度過大。與電容C2一樣，如果是R4故障，則必須

是兩個或多個器件同時故障。多點故障發(fā)生概率較低，可能性較小，且可以通過測試靜態(tài)電阻值進行電阻失效的檢測。

綜上所述，故障排查的步驟：首先，在不加電狀態(tài)下測試電阻R4的阻值，排查R4故障的可能性；其次，更換二極管D1，排查D1故障的可能性；最后，更換電容C2，排查C2故障的可能性。

試驗結果表明，電阻R4靜態(tài)阻值測試結果正常。更換二極管后，產品的故障消除。

6 結束語

本文從產品故障出發(fā)，采用ORCAD/CAPTURE軟件建立故障產品開路、短路故障仿真模型，運用PSPICE軟件對故障樹的八個分支進行逐一仿真，并與真實故障波形進行對比，同時結合理論分析，確定了可能的單點故障一個，可能導致問題的多點故障兩個，形成故障排查步驟，最終完成了故障的消除。為復雜電路故障的排查，提供了一種新的解決方案。采用該方法進行故障診斷，可大大降低對調試人員理論基礎的要求。

文中采用建立開路、短路的仿真模型，避開了對二極管、電容等參數變化的故障研究和建模。而是根據開路、短路的故障仿真結果和產品故障曲線的變化趨勢，進行故障定位。二極管哪些參數出現何種故障，才會導致該產品的復雜故障現象，仍有待進一步深入研究。

[1] 潘尚杰． 面向型號研制過程的多級協(xié)同質量歸零系統(tǒng)的開發(fā)[M]． 北京：北京航空航天大學, 2010：48-52.

[2] 劉蘇杰. 電路仿真技術在科研生產中的應用[J]. 制導與引信, 2011, 32(2): 4-10.

[3] 樊昌信,詹道庸,等. 通信原理[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 2014：55-62.

[4] 劉蘇杰. 基于PSPICE的小信號包絡檢波器的虛擬設計[J]. 制導與引信, 2009, 30(1): 30-33.

[5] 譚陽紅. 基于OrCAD16.3的電子電路分析與設計[M]. 北京：國防工業(yè)出版社， 2011：99-105.

[6] 劉磊. 模擬電路故障仿真及診斷平臺設計與實現[D]. 成都:電子科技大學， 2012：10-15.

Failure Simulation and Orientation of Code Element Demodulation Circuit

LIUSu-jie，HUANGWen-tao，LYUHai-fei，ZHOUMin

(Shanghai Radio Equipment Research Institute, Shanghai 200090， China)

According to the complex failure product of code element recovery circuit, failure tree is brought forward to make a analysis of the circuit principle. Simulation model of short circuit and open circuit in failure product by using simulation software is established. All branches of fault tree are simulated one by one, and the simulated results are contrasted with reality failure wave. According to circuit theoretic analysis, steps of failure repairing are given. Experimentations indicate that failure orientation is found correctly. Through modeling, simulation, and failure orientation of circuit failure, the method of complex circuit failure elimination is presented distinctly, accurately and simply.

code element demodulation； circuit simulation； failure orientation

1671-0576(2017)01-0015-06

2016-12-07

劉蘇杰(1977-)，男，研究員，碩士，主要從事模擬電路設計與仿真。

TJ765.22

A