基于Pspice仿真的某型裝備電路故障診斷方法

吳付栓 舒暢 陳遠江

（武漢軍械士官學校，武漢 430075）

1 引 言

隨著裝備電子線路日趨復雜，電路測試和診斷在整個裝備維修保障過程中所占的比例急劇增加，最好的解決辦法是在產品設計階段就考慮其一旦發生故障，應如何測試和診斷。利用計算機輔助分析技術可以對硬件的結構和工作方式進行重構，大大節約資金和時間，為問題的解決提供了有效途徑，Pspice仿真軟件是實現這一目標的有力工具。故障字典分析診斷法是目前最具實用價值的電路故障診斷方法[1-2]，以往利用故障字典診斷法研究故障診斷，大多只是針對單純的模擬電路或數字電路，隨著電子技術發展的日新月異，大量涌現的電子線路多數是數模混合電路。因此，尋求混合電路故障診斷的實用方法更加重要，本文將故障字典診斷法的具體實現進行了擴展，采用混合編碼方式，并借助Pspice仿真軟件進行了混合電路故障診斷方法研究，同時設計虛擬測試設備實現混合電路的測試與診斷。

2 原理與實現方法

利用Pspice仿真軟件研究混合電路故障診斷的實用方法PspiceAPD是一個通用的芯片級電路仿真分析程序，它可以對數字電路、模擬電路及混合電路進行仿真[1,3]，利用PspiceAPD來研究混合電路故障診斷問題主要涉及以下幾個方面。

2.1 建立仿真模型

Pspice的配套軟件 Capture是一個功能強大的電路原理圖設計軟件，它能夠采用人機交互圖形編輯方式繪制電路原理圖。當Pspice自帶模型庫中定義的器件模型難以滿足需要時，還可以自行建模。

2.2 選擇故障模式并注入

理論上可以分析電路中所有的故障模式，但工程上卻難以實現，一般是結合具體電路利用故障模式影響及危害性分析(FMECA)來確定發生故障概率較高、對系統危害程度較大的故障模式，將具有這種影響的故障模式構成該電路的故障模式集，將故障模式集中的故障注入到仿真模型中即達到故障注入的目的[4]，這可通過修改程序或直接修改仿真模型來實現。

2.3 選測試點采集數據

測試點實際上就是提取電路信息的觀測點[5]。測試點數量的多少要視具體情況而定，一般只要將測試點分布在故障多發部位，并通過計算適當調整測試點的數量和位置就可以最終確定。考慮到故障隔離，初選測試點一般應與故障模式數量相當，而對于無法提供故障診斷信息的測試點應隨時取消，并適當增加有用測試點。

2.4 進行仿真故障診斷

Probe模塊是 Pspice的輸出圖形處理軟件包，利用Probe模塊可以得到電路中任何節點電壓和支路電流的信息。Pspice完成電路仿真后可以調用Probe模塊，觀察仿真結果，檢查電路的邏輯是否正確，通過分析電路的各種輸出特性波形和數據來判斷電路的故障狀態，并結合數模混合電路的故障診斷方法來隔離故障。若對仿真結果波形進行再加工還可以提取更多的信息。

故障仿真的目的是通過仿真提取系統在各種故障狀態下的響應特征，用于在實際診斷時與實測的特征響應相比較，最終確定故障狀態。電子線路故障診斷的實用方法是故障字典法，它本質上是一種經驗性的診斷方法，比較適合于作系統硬故障診斷，在實際的電路中硬故障約占電路故障的80%，所以采用故障字典法有實際意義[6～7]，利用故障字典法做故障診斷的關鍵是建立故障字典。

3 仿真實例分析

下面以某型裝備的電源板控制電路為例，討論如何借助Pspice仿真軟件研究混合電路故障診斷方法。由于多故障組合狀態的數量過大，發生的概率較低，且一些多故障往往又是相互聯系的，有時可以當作單故障處理，因此本文只討論單故障的情況。

3.1 建立仿真模型

該電源板控制電路主要由直流電源、脈寬調制器、后程處理轉換器、保護電路及監控系統等部分組成。電路的輸入是+12 V的直流電源，輸出是一組+60 V、+6 V、+5 V、-2.7 V和-10 V恒定電壓，是一個數模混合電路。在電源板控制電路中，圍繞著脈寬調制器（PWM）建立起來的直流/直流轉換器接受+12 V主電源電壓，再把它轉換為+60 V、+5 V、-2.7 V和-10V的恒定電壓。此轉換器工作在 100 kHz。一個同步電路通過 25 kHz的參考頻率鎖定此轉換器開關頻率。脈寬調制器用一個穩定的內部參考電壓做比較而監控+5 V的輸出電壓，并產生可控制寬度的脈沖。為維持所要求的輸出電壓穩定，靠PWM內部電路的作用，脈沖寬度是可變的。

后程處理轉換器包括一個開關進程。此開關進程由PWM提供的脈沖驅動，而它本身又驅動一個變壓器。隨著變壓器次級線圈不同，不同的電壓被整流和濾波。輸出電壓都是按比例均衡的，所以為了確保其它輸出電壓在容許限度內，僅監視一個輸出電壓就是足夠了。被監視的電壓是+5 V的輸出電壓：當它的電壓升高，PWM 減少開關進程的導電時間，以便維持+5 V輸出電壓在期望值內，反之亦然。

3.2 建立故障字典

假設經過FMECA確定需要關注以下6種故障：(1)電容C3短路；(2)整流二極管D1短路；(3)電容C4短路；(4)電阻R1開路；(5)電阻R1短路；(6)三極管D1開路。6種故障分別用 F1～F6表示，電路正常時用 F0表示。下面通過選擇測試點、注入故障來建立該混合電路的故障字典。該電路有十多個節點，既有模擬量又有數字量，根據前面選擇測試點的原則暫選4個測試點，測試點電壓分別用+60 V、+5 V、-2.7 V和-10 V表示。首先利用Pspice仿真，分別求出上述各種狀態下的電壓波形和相應模擬量的有效值，根據狀態仿真結果，將測試點的有效值(此時基本為常值)及測試點在此刻的數字量值記錄下來。

4 電路故障診斷的實現

下面建立一個虛擬的診斷設備，對上述數模混合電路實例進行故障診斷。為方便診斷，需要建立一個靈活的人機交互測試程序框架。測試框架中的元素，包括操作員界面、執行模塊、數據庫記錄、數據和測試過程傳遞，測試數據轉換、電路狀態對照、顯示結果、生成測試報告等。測試框架建立在Win2000的操作系統下，采用VB語言完成測試界面的友好交互，利用 Access數據庫對在仿真過程中產生的故障字典數據信息進行統一管理，其它程序可以從中調用這些數據。

4.1 測試與診斷實現的基礎數據

首先將經仿真分析得到的故障字典存入Access2000數據庫中，建立一張數據庫表來存儲故障字典。

4.2 測試主界面功能

圖1是測試的主控界面，分三個功能區。電原理圖瀏覽區：用戶可以察看利用Pspice仿真軟件得到的被測電路原理圖，瀏覽被測電路的功能特點，為測前準備提供幫助；實物瀏覽區：對照電原理圖顯示實物。輸出測試點波形區，根據數據采集結果記錄、存儲各測試采集的數據、測試數據轉換和顯示結果等子功能組成；菜單和按鈕區：包括幫助系統、輸出測試報告和退出功能。其中，輸出測試報告是對測試過程有用信息的匯總，包括測試的時間值、各測試點的測試值、電路狀態描述等信息。

圖1 電路仿真測試的主控界面

4.3 實現測試

對于數模混合電路，電路中各測試信息既有模擬量又有數字量，因此需要通過不同的接口采集測試點信息。從測試點采集的數據是數字量0或 1，將實測值保存。從模擬量測試點采集的原始數據，需經過轉換處理得到相應的整數碼，將它與前期保存的測試點的實測值組合構成測試碼，轉換后的測試碼用數組方式存儲，與故障字典表中的信息進行比較，并顯示相應的診斷結果。如果電路故障模式得不到確定，則會給測試人員提示信息，在這種情況下，需要再次啟動測前的數據準備工作，來補充故障字典中的故障模式信息。在測試工作過程中，為提高準確率，往往需要進行多次重復測試，每個采集時刻都只對應一個故障信息表，且表的結構保持一致，可采用上述實例中提供的方法來增加其它時刻對應的故障信息表，從而使故障信息庫得到完善。

5 結束語

本文結合實例針對數模混合電路的故障測試與診斷進行了深入研究，得出以下結論：

(1)利用 Pspice仿真在電路設計階段就可以隨時注入故障，無硬件損傷，保證了電路故障分析試驗的安全可靠。

(2)在數模混合電路中，各測試點的測試值既有模擬量也有數字量，由于模擬量在測量上存在一定誤差，所轉換的測試碼可能會出現一定偏差，而數字量的值不是1就是0，因此，應盡可能選擇數字量測試點，這會使診斷更加準確。

(3)結合具體電路實現的虛擬測試能夠對可能的測試結果進行預測，發現測試過程中潛在的可能出現的各種中間和意外結果，同時可以實現對測試環境的縮放、剖析及測試過程的回溯，更好地了解故障診斷過程。

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[1]王立梅, 王曉峰. 基于 Pspice仿真的數模混合電路故障診斷方法研究[J]. 中國測試技術, 2004.30(6).

[2]Jinyan Cai Alam,MS An algorithm for dividing ambiguity sets for analog fault dictionary IEEE.Circuits and Systems, Aug, 2002: 89-92.

[3]胡榮強等.Pspice仿真軟件及其在電力電子技術中的應用[J]. 電子設計自動化, 2004,(3).

[4]孫峻朝, 王建瑩, 楊孝宗. 故障注入方法與工具的研究現狀[J]. 宇航學報, 2001,22(1).

[5]Pinjala,KK. An approach for selection of test points for analog fault diagnosis. IEEE. Defect and Fault Tolerance in VLSI Systems, Nov, 2003: 287-294.

[6]Chakrabarti,S.Cherubal,S. and Chatterjee, Fault diagnosis for mixed-signal electronic systems .IEEE Aerospace Conference, March, 1999: 169-179.

[7]唐人杰. 模擬電子系統的自動故障診斷[M]. 北京: 高等教育出版社, 1991.