模擬電路故障診斷的要求與方法

楊建濱　施　瑛

[摘要]隨著電路系統的復雜程度不斷提高，模擬電路故障率占據總故障率的大部分，因此人們更為迫切地希望提高模擬電路整體可靠性與可維護性。首先介紹模擬電路故障原因和故障診斷的要求，然后簡要闡述故障診斷的方法。

[關鍵詞]模擬電路 故障診斷 方法

中圖分類號：TN4文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0320012－01

任何一個系統，從某種意義上說，都是一臺“故障發生器”。即使采用最嚴格的可靠性設計與管理，作為合格對立面的故障卻總是存在的，只是故障率或高或低、故障后果或重或輕而已。于是研究故障診斷的理論與應用，對于保證系統可靠性來說是至關重要的。隨著現代自動化水平的日益提高，系統規模不斷擴大，系統復雜性迅速增加，同時其投資也越來越大，從而引起維修費用的增高，停機損失巨大或事故后果嚴重等問題。因此，對于大型復雜系統，人們更為迫切地希望提高其整體可靠性與可維護性，而故障診斷技術恰好為達到這一目標提供了途徑。

一般系統故障診斷的基本原理是對比測試法，即根據實際系統輸出與參考模型輸出或與標準值的比較，來判斷系統是否存在故障。若存在故障，則從檢測到的故障信息中分離出故障征兆，據此識別故障原因，將故障源定位，并采取相應的處理措施。

一、模擬電路故障原因

模擬電路發生了故障，就不能達到設計時所規定的功能和指標。這種電路稱為故障電路。引起電路產生故障的原因千差萬別，但通常可將其歸為來自設計階段、制造階段和使用階段等三個方面。有的故障是由于設計不當產生的，有的故障是由于制造工藝上的缺陷造成的，有的故障是在長期使用過程中，由于磨損、老化、損耗、疲勞等原因造成的。

在實際工作中，模擬電路是電子系統中容易發生故障的薄弱環節，據統計，即使80％的電路板是數字電路，但80％的故障卻出自模擬電路。模擬電路中的故障從程度上區分，可分為軟故障和硬故障。軟故障，即故障元件的參數值隨著時間或環境條件而偏離至不能允許的程度，也就是超過該元件參數的容差范圍；硬故障，即故障元件的參數突然發生大的變化，例如短路、開路、元件損壞等。

從故障電路中同時故障數區分，可分為單故障和多故障。單故障，即電路中只有一個元件發生故障；多故障，即電路中同時有兩個或兩個以上的元件發生故障。從故障電路中不同故障的關系來區分，可分為獨立故障和從屬故障。獨立故障，即電路中兩個或多個元件發生故障時，彼此不存在因果關系；從屬故障，即一個元件發生故障后，導致另一個元件發生故障，這個被誘發的故障稱為從屬故障。從故障在電路中隨時間的表現形式來看，可分為永久性故障和間歇性故障。永久性故障，即故障不能自動恢復原狀，例如開路、短路等；間歇性故障，這種故

障只是暫時發生，時有時無，例如接觸不良等。

二、模擬電路故障診斷的要求

對模擬電路故障診斷的要求，分為故障測試、故障定位和故障識別三級。判斷被測試電路是否存在故障，稱為故障測試，這是最低級的要求；高一級的要求是判斷出各故障所在的子電路、組件或元件，稱為故障定位，當然，故障定位的范圍要求越小越好，最好能定位到元件，在電子設備的維修工作中，在模擬電路的故障定位后，對于含有故障的單元（子電路、組件或元件）就可用好的單元進行更換；更高一級的要求是確定故障元件的參數值，稱為故障識別。在模擬電路生產工作中，就可以對故障元件參數進行修正，例如采用激光微調技術修正模擬集成電路中的元件參數，通過故障定位，尤其是故障識別，可以改進模擬電路的生產，以為可找到生產中的缺陷及其所產生的原因，從而可改進工藝，提高成品合格率。

為了適應工業實用上自動故障測試的需要，對模擬電路故障診斷方法也有一定的要求，選擇一個理想的故障診斷方法應符合下列一些準則。

模擬電路可分為無源電路或有源電路，線性電路或非線性電路，規模有大有小，各種故障診斷方法都有一定的適應范圍，當然適應范圍越廣越好。從功能看，有的方法只能診斷單故障、硬故障；有的還能診斷軟故障、多故障；有的只能定位至子電路，有的可定位至元件；有的可識別故障元件參數。所選擇方法應對被測電路適用，其功能越強越好，應能滿足被測電路所需的故障診斷要求。由于診斷每個被測試件都需要在現場進行在線計算一次，在選擇故障診斷方法時，它所需的在線計算量應盡量小，寧可讓離線計算量適當多一些，以建立復雜的數據庫，而減少在線計算量。

三、故障診斷方法

對于模擬電路，有許多種診斷方法。對于這些診斷方法，可從不同的角度進行分類，具體可歸納為以下幾種分類方法：從診斷是否僅僅限于故障診斷、或進一步要求故障的定位或定值來分類；根據待診斷電路的復雜性（例如線性或非線性）來分類；根據診斷過程中能否充分保證測試條件來分類。目前文獻中介紹的診斷方法大都是采用對被診斷電路進行現場測試之先于（或后于）電路仿真的方法來分類。此法故分為以下兩類：

1．測前仿真法（simulation before test approach）

2．測后仿真法（simulation after test approach）

這兩類診斷法又可分為許多具體方法。

測前仿真法中的主要方法是故障字典法。故障字典法在數字電路的故障診斷中是較為常用的一種方法。該方法的思路是預先仿真出種種常見故障狀態的網絡端口征兆，然后將這些端口征兆經過某種處理后編成一部字典，稱作故障字典。診斷時就根據待診斷電路的現場測試結果，在字典中檢索出相應的故障類型，因此，這種方法本質上是一種經驗性的診斷方法。由于模擬電路中的故障現象十分復雜，需要考慮的因素很多（包括故障值的連續性和容差等問題），因此，用字典法診斷模擬電路的故障不如數字電路有效。但它畢竟是在模擬電路故障診斷領域早期就已發展起來的一種主要方法，也確實能夠解決不少實際問題，特別是那些對輸入－輸出特性難于深入進行解析分析的系統問題。人們對它作了大量改進工作，已適應模擬電路更多的特性。

測后仿真法中的兩類主要方法是：元件參數解法和預猜驗證法。其中元件參數解法是通過解析分析，直接從網絡響應與元件參數值之間的關系中求解出元件的實際參數值，因此在測試條件充分的情況下，有可能不牽涉容差問題。但是，正因為它是通過解析分析直接從網絡響應與元件參數值之間的關系中求解出元件的實際參數值，所以它只適用于故障元件的位置已明確的場合。在元件參數解法中，待診斷電路即使是線性的，其診斷方程通常是非線性的，因此計算起來比較復雜，一般需要有較大容量的計算機。特別是當需要從非線性診斷方程中解出所有元件的參數值時，從可解性的條件出發，端口測試必須充分。

參考文獻：

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[2]杜鑫、唐大全、楊應成，模擬電路故障診斷技術的發展[J].測控技術，2003,(07).