梁麗芳，韓 冰

(1.大連海事大學(xué) 國(guó)家級(jí)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，遼寧 大連 116026；2.大連市氣象裝備保障中心，遼寧 大連 116001)

高頻電路實(shí)驗(yàn)是電子信息工程、通信工程、電子信息科學(xué)與技術(shù)等專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課。高頻電路理論理解和掌握有一定難度，電路易受干擾，實(shí)驗(yàn)儀器種類(lèi)繁多，使得高頻電路實(shí)驗(yàn)比低頻電路實(shí)驗(yàn)、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)等其他課程實(shí)驗(yàn)要復(fù)雜得多[1]。學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)遇到很多問(wèn)題(也可以說(shuō)是故障)，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍只能解決一些簡(jiǎn)單問(wèn)題，遇到復(fù)雜的問(wèn)題時(shí)往往束手無(wú)策而選擇請(qǐng)教指導(dǎo)教師。所以，現(xiàn)階段如何使學(xué)生由被動(dòng)接受學(xué)習(xí)型轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾魈骄啃蛠?lái)解決高頻電路實(shí)驗(yàn)故障問(wèn)題，以及采用怎樣的教學(xué)方法提高學(xué)生綜合分析解決復(fù)雜問(wèn)題的能力就成為高頻電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)重大課題。

隨著故障診斷理論技術(shù)的發(fā)展，故障樹(shù)分析方法的應(yīng)用越來(lái)越廣，既可用于分析各種復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題，也可用于分析復(fù)雜系統(tǒng)的故障原因[2－3]。從最初應(yīng)用于航天航空、軍事裝備和核電等領(lǐng)域，到逐步應(yīng)用于汽車(chē)、交通、電子、軟件開(kāi)發(fā)與測(cè)試、民用設(shè)備維修等領(lǐng)域[4－5]，而這些領(lǐng)域與電子信息類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)息息相關(guān)。為了達(dá)到學(xué)校人才培養(yǎng)與用人單位需求之間的無(wú)縫銜接，本文將故障樹(shù)分析法(fault tree analysis，F(xiàn)TA)首次引入到高頻電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用該方法幫助學(xué)生層次分明地梳理知識(shí)，把復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，提高學(xué)生分析問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生良好的邏輯思維方式，進(jìn)而提高高頻電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和質(zhì)量，為學(xué)生畢業(yè)后進(jìn)入相關(guān)行業(yè)奠定必備的工程素質(zhì)基礎(chǔ)。

1 故障樹(shù)分析法介紹

故障樹(shù)分析是以某個(gè)特定的不希望發(fā)生的故障作為頂事件向原因方面進(jìn)行深入分析，自上而下地尋找頂事件發(fā)生的所有可能原因(中間事件)，循序漸進(jìn)地一層層直到追蹤到基本原因(基本事件)為止，并用樹(shù)形邏輯圖體現(xiàn)這些事件之間的邏輯關(guān)系[5]。故障樹(shù)分析法不僅可以分析復(fù)雜系統(tǒng)的具體部件錯(cuò)誤或部件性能惡化導(dǎo)致的錯(cuò)誤，還可以分析軟件錯(cuò)誤、控制錯(cuò)誤、人員操作錯(cuò)誤和環(huán)境應(yīng)力等引起的故障[6]。

故障樹(shù)分析分定性分析和定量分析。定性分析是指找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的全部可能的故障模式，即求出故障的全部最小割集。一個(gè)最小割集是指系統(tǒng)的一種故障模式，全部最小割集是指所有的系統(tǒng)故障譜。定量分析是指根據(jù)系統(tǒng)基本事件的失效概率計(jì)算出系統(tǒng)失效概率以及對(duì)基本事件進(jìn)行重要度分析等[5－7]。高頻電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)只需從邏輯上明確故障發(fā)生的過(guò)程和原因進(jìn)而分析定位解決問(wèn)題，不需要定量計(jì)算事件發(fā)生的概率，這樣只需引入故障樹(shù)定性分析法。

2 故障樹(shù)分析高頻實(shí)驗(yàn)故障的實(shí)例

相位鑒頻器實(shí)驗(yàn)是高頻電路實(shí)驗(yàn)中復(fù)雜而重要的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。本文將以相位鑒頻器實(shí)驗(yàn)中學(xué)生經(jīng)常遇到的問(wèn)題(故障)為例，來(lái)說(shuō)明故障樹(shù)分析法在高頻電路實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用方法。

2.1 相位鑒頻器實(shí)驗(yàn)原理

鑒頻的目的是從調(diào)頻波中檢出低頻調(diào)制信號(hào)。相位鑒頻器是將調(diào)頻波信號(hào)輸入到線性移相網(wǎng)絡(luò)，變換成相位與瞬時(shí)頻率成正比的調(diào)相—調(diào)頻波，再與原調(diào)頻波分別輸入到相位檢波器進(jìn)行鑒相進(jìn)而達(dá)到鑒頻的目的[8]。該實(shí)驗(yàn)是在高頻電路實(shí)驗(yàn)箱上完成的，具體的實(shí)驗(yàn)原理框圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，由低頻信號(hào)源模塊產(chǎn)生的fΩ＝5 kHz正弦波信號(hào)，作為調(diào)制信號(hào)輸入到高頻信號(hào)源模塊變?nèi)荻O管控制電壓的輸入端；高頻信號(hào)源模塊中的LC調(diào)頻振蕩器產(chǎn)生fc＝10.7 MHz的高頻振蕩，由調(diào)制信號(hào)控制變?nèi)荻O管進(jìn)行線性調(diào)頻后產(chǎn)生調(diào)頻波；該調(diào)頻波再輸入到檢波鑒頻乘法器模塊進(jìn)行鑒頻，解調(diào)出原始信號(hào)。實(shí)驗(yàn)箱上的檢波鑒頻乘法器模塊是用模擬相乘器MC1496芯片構(gòu)成的乘積型相位鑒頻器電路。

圖1 相位鑒頻器實(shí)驗(yàn)原理框圖

2.2 故障樹(shù)分析相位鑒頻器實(shí)驗(yàn)故障實(shí)例

在相位鑒頻器實(shí)驗(yàn)中學(xué)生遇到最多的問(wèn)題是沒(méi)有解調(diào)出原始信號(hào)(調(diào)制信號(hào))?，F(xiàn)以該問(wèn)題作為頂事件來(lái)進(jìn)行故障樹(shù)分析過(guò)程說(shuō)明。在導(dǎo)線、電源、各模塊供電都正常的前提下，根據(jù)圖1中的功能模塊構(gòu)成、各功能模塊的輸入與輸出端口、前后級(jí)之間的聯(lián)系、信號(hào)走向與實(shí)驗(yàn)箱實(shí)際電路情況等建立相位鑒頻器沒(méi)有解調(diào)出原始信號(hào)的故障樹(shù)[9]，如圖2所示?？紤]到實(shí)驗(yàn)箱是集成化批量生產(chǎn)的，所以故障樹(shù)并沒(méi)有展開(kāi)實(shí)驗(yàn)箱各模塊電路設(shè)計(jì)方面的錯(cuò)誤和電路元器件的錯(cuò)誤。

圖2中，用T表示頂事件，用A1、A2、B1、B2、B3、C1、C2、C3表示中間事件，用X1～X16表示16個(gè)基本事件。

故障樹(shù)建立后，可以根據(jù)故障樹(shù)采用邏輯推理診斷法或最小割集診斷法定位實(shí)驗(yàn)故障問(wèn)題點(diǎn)[10]。必要時(shí)可采用目光感測(cè)法、分割檢測(cè)法、信號(hào)分析法和替換分析法[9]等故障診斷方法來(lái)輔助判定。

圖2 相位鑒頻器故障樹(shù)分析實(shí)例圖

2.2.1 邏輯推理診斷法

根據(jù)故障樹(shù)的邏輯關(guān)系，從上到下采取合理的驗(yàn)證方法逐層判斷每個(gè)事件是否發(fā)生，如果發(fā)生則再進(jìn)行該事件的下一層測(cè)試，否則不展開(kāi)，這樣可以逐步縮短每層調(diào)查范圍直到找到真正發(fā)生的基本事件[10]?；诠收蠘?shù)確定頂事件發(fā)生的一種原因的遍歷過(guò)程 (yes:事件發(fā)生，no:事件未發(fā)生)如圖3所示，最終找到導(dǎo)致頂事件T發(fā)生的原因?yàn)閄11基本事件 (并聯(lián)諧振回路諧振頻率不是10.7 MHz)。

圖3 遍歷測(cè)試驗(yàn)證過(guò)程實(shí)例

2.2.2 最小割集診斷法

圖2所示的故障樹(shù)采用的全部是邏輯或門(mén)，根據(jù)下行法[11]求故障樹(shù)的最小割集集合為{X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15，X16}。逐個(gè)測(cè)試驗(yàn)證最小割集是否發(fā)生，直到找到發(fā)生的最小割集，從而定位問(wèn)題。

3 故障樹(shù)分析法在高頻電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)施管理辦法

為了在高頻電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中充分發(fā)揮故障樹(shù)分析法的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，并且使這種方法具有可執(zhí)行性和實(shí)用性，必須制定合理的實(shí)施過(guò)程和管理辦法。具體包括以下5個(gè)方面。

1)每學(xué)期第一節(jié)高頻電路實(shí)驗(yàn)課，給學(xué)生講授故障樹(shù)分析法基本原理以及在高頻電路實(shí)驗(yàn)中如何使用。并不要求學(xué)生必須在課堂上就能畫(huà)出故障樹(shù)，但是需要采用故障樹(shù)分析的思維過(guò)程進(jìn)行分析，要求學(xué)生課后在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中體現(xiàn)故障樹(shù)分析實(shí)驗(yàn)故障的過(guò)程。

2)每節(jié)實(shí)驗(yàn)課，遇到問(wèn)題先要求學(xué)生按照故障樹(shù)分析法自行進(jìn)行分析。如有困難請(qǐng)教指導(dǎo)老師，教師啟發(fā)或引導(dǎo)學(xué)生以故障樹(shù)分析法的思維方式進(jìn)行分析，而不是直接告訴問(wèn)題點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生建立實(shí)驗(yàn)故障的故障樹(shù)。教師通過(guò)課堂或?qū)嶒?yàn)報(bào)告收集每次實(shí)驗(yàn)課的故障樹(shù)分析實(shí)例，確定故障種類(lèi)，歸類(lèi)完善后整理存檔。

3)每學(xué)期結(jié)束后，教師歸納各個(gè)實(shí)驗(yàn)中所有故障種類(lèi)的故障樹(shù)，形成各個(gè)實(shí)驗(yàn)的故障譜，做成 “高頻電路實(shí)驗(yàn)故障樹(shù)分析指南”，作為高頻電路實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)資產(chǎn)留存，圖形化的資料形象直觀，便于以后學(xué)習(xí)的學(xué)生查閱和使用。

4)在實(shí)驗(yàn)課上學(xué)生遇到問(wèn)題自行解決不了時(shí)，可以查閱 “高頻電路實(shí)驗(yàn)故障樹(shù)分析指南”尋求解決方法；學(xué)生學(xué)會(huì)使用既有技術(shù)資產(chǎn)自主探究解決問(wèn)題，獲得寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，與企業(yè)開(kāi)發(fā)人員的工作模式接軌。如果還是無(wú)法解決再向老師尋求幫助。

5)另外，為提示學(xué)生，“高頻電路實(shí)驗(yàn)故障樹(shù)分析指南”中各故障譜可以標(biāo)注每個(gè)事件可以采取的測(cè)試驗(yàn)證方法。

需要強(qiáng)調(diào)的是，由于學(xué)生構(gòu)造故障樹(shù)的完整與否取決于對(duì)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)原理的理解程度，驗(yàn)證事件是否發(fā)生取決于學(xué)生對(duì)儀器的操作水平與測(cè)試方法的選取等，學(xué)生通過(guò)建立故障樹(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)故障進(jìn)行診斷時(shí)很容易出現(xiàn)漏診的情況[12]，所以在高頻電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施故障樹(shù)分析法，教師的啟發(fā)引導(dǎo)和完善歸納整理至關(guān)重要。

4 結(jié)束語(yǔ)

在高頻電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)引入故障樹(shù)分析法，學(xué)生通過(guò)建立故障樹(shù)的過(guò)程，由表及里、層次分明地梳理實(shí)驗(yàn)過(guò)程與原理，再經(jīng)過(guò)分析、驗(yàn)證、定位與解決問(wèn)題，理論知識(shí)的掌握更加深刻，學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性更加高漲，解決復(fù)雜問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)也更加豐富。故障樹(shù)分析法在高頻電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)施管理辦法能夠確保這種分析方法在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮巨大的作用。

故障樹(shù)分析法也可應(yīng)用到其他實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。筆者在應(yīng)用故障樹(shù)分析法的實(shí)踐教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一門(mén)實(shí)驗(yàn)，一般從第一節(jié)實(shí)驗(yàn)到最后一節(jié)實(shí)驗(yàn)越來(lái)越復(fù)雜，綜合性越來(lái)越強(qiáng)，但從課堂效果來(lái)看，學(xué)生使用故障樹(shù)分析法越來(lái)越得心應(yīng)手，找老師尋求幫助的問(wèn)題數(shù)量成減小趨勢(shì)，逐步從被動(dòng)接受學(xué)習(xí)向自主探究學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，并且在后續(xù)的相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)中也明顯釋放了很多老師指導(dǎo)的時(shí)間，值得各高校各種實(shí)驗(yàn)借鑒和推廣。在實(shí)踐教學(xué)中溶入與前沿實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的工程分析方法，達(dá)到專(zhuān)業(yè)實(shí)踐技能培養(yǎng)與工程分析思維培養(yǎng)的完美結(jié)合，為電子信息類(lèi)學(xué)生畢業(yè)后從事科研或投入相關(guān)行業(yè)工作奠定了良好的基礎(chǔ)，使人才培養(yǎng)與社會(huì)需求直接接軌。

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