模擬電路軟故障診斷的研究

四川省蠶絲學校 黃 鈔

模擬電路軟故障診斷的研究

四川省蠶絲學校 黃 鈔

目前，電子設備發展空前火熱，電子設備的主要核心部件是由數字電路和模擬電路組成，研究模擬電路的故障診斷，有利于提高電子設備的性能。本文主要是對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狀中存在的一些問題，提出科學的模擬軟電路故障診斷方法，為提升電子設備質量提供幫助。

模擬電路；軟故障診斷；電子設備

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

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值偏離其標稱值的程度劃分為軟故障和硬故障兩類。軟故障是指元件的參數隨著時間或者環境條件的影響而偏離至不能允許的程度，從而導致了系統性能的異常或惡化。元件軟故障通常不會導致電路網絡拓撲結構的改變，大多不會對電路功能造成重要影響。硬故障又稱災難性故障，是指元件的參數突然發生很大的變化（如元件的短路、開路等），從而導致系統嚴重失效，甚至完全癱瘓。硬故障是一種結構性的破壞，它破壞了電路的拓撲結構，使電路功能失效。硬故障從本質上可以看作是軟故障的某種特例，即元件參數變化的兩種極端情況：極大值（開路）和極小值（短路）。

區分元件參數值偏離其容差范圍所引起的故障類型原則是：實際元件參數值是否大于其標稱值的10倍或者小于其標稱值的0.1倍。當電路元件值的變化在元件參數之內時，認為元件發生了軟故障，在此之外則認為元件發生了硬故障。

1.2 模擬電路故障的特點

由于模擬信號是大小隨時間連續變化的信號，它與數字信號有較大的不同。模擬電路本身的特性決定了它的診斷要困難和復雜得多。

（1）模擬電路的輸入激勵和輸出響應都是連續量，模擬電路中的故障模型比較復雜，難以進行簡單的量化。

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

（3）模擬電路中存在廣泛的非線性問題。在實用的模擬電路中，幾乎都存在著反饋回路及非線性問題，增加了計算和測試的復雜性。

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

（5）現代電子電路通常是多層的或被封裝的，可測試用的節點數非常有限，導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展

同數字電路的故障診斷方法相比，模擬電路故障診斷的發展速度相對較慢，至今仍然沒有一個被廣泛認可的測試診斷理論和方法。模擬電路的故障診斷之所以比數字電路的故障診斷要困難是由如下幾個特點決定的：

（1）模擬電路的輸入、輸出信號在時域和電壓幅度上具有連續性，以及元件參數的連續性使得故障診斷模型比較復雜，難以簡單量化。

（2）實際模擬電路中的元件參數都具有很大的離散性，即具有容差。容差的存在導致了故障的模糊性，因而有時無法唯一確定故障位置，使得診斷結果的準確性難以保證，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題，這使得診斷的復雜性和信息處理量急劇增加。

（4）模擬電路中可測電壓節點有限，導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）模擬電路對環境變化較敏感，其輸出響應不僅易受制造工藝所引起的元件參數偏差的影響，而且易受熱噪聲、電磁干擾等外界環境因素的影響。

鑒于上述原因，我們不可能將相對成熟的數字電路故障診斷方法直接移植到模擬電路系統中區解決問題，必須根據模擬電路自身的特點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

隨著微電子技術的迅速發展，電路的復雜性日益提高，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備，其可靠性要求更加苛刻，實時監測和故障排除的要求更具挑戰性。傳統的故障診斷方法已經不能適應技術發展的需求，要求科技人員和理論工作者進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：屬于傳統的模擬電路軟故障診斷方法的故障字典法、參數識別法、故障驗證法、逼近法；適用于現代模擬電路軟故障診斷方法的基于專家系統、神經網絡、模糊理論、小波變換、遺傳算法等理論發展起來的新方法。

3.1 小波分析故障診斷方法

小波分析的基本原理：通過小波母函數在尺度上的伸縮和時域上的平移來分析信號，適當選擇母函數，可以使擴張函數具有較好的局部性，因此，它是一種時一頻分析方法。即小波分析故障診斷機理包括的兩個方面：利用觀測器信號的奇異性進行故障診斷，以及利用觀測器信號頻率結構的變化進行故障診斷。小波分析不需要系統的數學模型，故障檢測靈敏準確，運算量也不大，對噪聲的抑制能力強，對輸入信號要求低，但在大尺度下由于濾波器的時域寬度較大，檢測時會產生時間延遲，且不同小波基 的選取對診斷結果也有影響。小波分析與神經網絡的結合，是一個十分活躍的研究領域。小波分析是一種時-頻分析方法，在時-頻域具有良好的局部化性質并具有多分辨分析的特性：

目前，小波分析與神經網絡的結合有以下兩個途徑：一個途徑是輔助式結合，比較典型的是利用小波分析對信號進行預處理，然后用神經網絡學習與判別；另一個途徑是嵌套式結合，即把小波變換的運算融入到神經網絡中去，形成所謂的神經網絡一小波分析或小波網絡。可以看到，小波神經網絡由于把神經網絡的自學習特性和小波的局部特性結合起來，具有自適應分辨性和良好的容錯性，因此又為軟故障診斷開辟了一條新路，既拓寬了神經網絡理論、模糊理論、小波分析方法的應用領域，同時，又為解決軟故障診斷的實用化找到了突破口，推動了模擬電路軟故障診斷理論和方法的進一步發展。

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下的電路特征，然后將特征與故障的一一對應關系列成一個字典。在實際診斷時，只要獲取電路的實時特征，就可以從故障字典中查出此時對應的故障。故障字典法是最具實用價值的故障診斷方法，因為幾乎所有的計算量都集中在測前，測后只需要查字典定位故障，所以能做到實時診斷。然而故障字典法需要在測前確定電路的故障集，如果考慮軟故障的情況，建立的字典將無窮大，所以在實際應用中一般用來處理單故障和硬故障，應用受到極大的限制。

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用價值的一種方法，它屬于測前仿真故障診斷方法（與測后仿真方法相對而言）。故障字典技術包含三項重要內容：故障字典的構建、測點選擇和故障診斷。為了構造初始故障字典，首先列出所有潛在故障并選定測試信號，包括類型、頻率、幅度等。然后用選定測試信號激勵被測電路，包括無故障和所有故障狀態，最后記錄下所有備選測點上的響應特征，如電壓、電流等參量或由這些參量計算得到的故障特征，并存放于故障字典中。測點選擇的任務是根據給定的測試性指標從初始故障字典中選擇最少的測點構成最優故障字典，并根據選擇結果設置實際的物理測點和選擇測試激勵以及測試參量。故障診斷階段只需要用與構造字典階段相同的信號激勵被測電路，根據測點上獲得的參數計算故障特征，將故障特征與最優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，并詳細分析了模擬電路故障的特點；系統的分析了模擬電路故障診斷發展困難的原因，詳細的介紹了兩種現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,2010．

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