一種模擬電路功能模塊故障診斷的方法

孫興(安徽新華學(xué)院,安徽 合肥 230088)

模擬電路發(fā)生了故障,就不能達到設(shè)計時所規(guī)定的功能和指標(biāo),這種電路稱為故障電路。故障診斷就是要對電路進行一定的測試,從測試結(jié)果分析出故障。模擬電路故障診斷是電路分析理論中的一個前沿領(lǐng)域。它既不同于電路分析,也不屬于電路綜合的范疇。模擬電路故障診斷所研究的內(nèi)容是當(dāng)電路的拓撲結(jié)構(gòu)已知,并在一定的電路激勵下知道一部分電路的響應(yīng),求電路的參數(shù),他是近代電路理論中新興的第三個分支。

一、模擬電路故障

電路誕失所既定的功能稱為故障,在模擬電路中的故障類型及原因如下:從故障性質(zhì)來分有早期故障、偶然故障和損耗故障。早期故障是由設(shè)計、制造的缺陷等原因造成的、在使用初期發(fā)生的故障,早期故障率較高并隨時間而迅速下降。偶然故障是由偶然因素造成的、在有效使用期內(nèi)發(fā)生的故障,偶然故障率較低且為常數(shù)。損耗故障是由老化、磨損、損耗、疲勞等原因造成的、在使用后期發(fā)生的故障,損耗故障率較大且隨時間迅速上升。從故障發(fā)生的過程來分有軟故障、硬故障和間歇故障。軟故障又稱漸變故障,它是由元件參量隨時間和環(huán)境條件的影響緩慢變化而超出容差造成的、通過事前測試或監(jiān)控可以預(yù)測的故障。硬故障又稱突變故障。它是由于元件的參量突然出現(xiàn)很大偏差(如開路、短路)造成的、通過事前測試或監(jiān)控不能預(yù)測到的故障。從同時故障數(shù)及故障間的相互關(guān)系來分有單故障、多故障、獨立故障和從屬故障。單故障指在某一時刻故障僅涉及一個參量或一個元件,常見于運行中的設(shè)備。多故障指與幾個參量或元件有關(guān)的故障,常見于剛出廠的設(shè)備。

二、模擬電路故障測試的傳統(tǒng)方法

一般來講,模擬電路故障診斷的方法可以分為估計法,測試前模擬法和測試后模擬法三大類。估計法是一種近似法,這類方法一般只需較少的測量數(shù)據(jù),采用一定的估計技術(shù),估計出最可能發(fā)生故障的元件。這類方法又可分為確定法和概率法。確定法依據(jù)被測電路或系統(tǒng)的解析關(guān)系來判斷最可能的故障元件,概率法是依據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理決定電路或系統(tǒng)中各元件發(fā)生故障的概率,從而判斷出最可能的故障元件。

測前模擬法又稱故障字典法或故障模擬法,其理論基礎(chǔ)是模式識別原理,基本步驟是在電路測試之前,用計算機模擬電路在各種故障條件下的狀態(tài),建立故障字典;電路測試以后,根據(jù)測量信號和某種判決準(zhǔn)則查字典。從而確定故障。選擇測試測量點是故障字典法中最重要的部分。為了在滿足隔離要求的條件下使測試點盡可能少,必須選擇具有高分辨率的測試點。

測后模擬法又稱為故障分析法或元件模擬法,是近年來雖活躍的研究領(lǐng)域,其特點是在電路測試后,根據(jù)測量信息對電路模擬,從而進行故障診斷。根據(jù)同時可診斷的故障是否受限,SAT又分為任意故障診斷(或參數(shù)識別技術(shù))及多故障診斷(或故障證實技術(shù))。

三、模擬電路的故障測試的創(chuàng)新方法――小波分析法

1.小波分析法是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬測試

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬從測試點提取電壓信號特征進行故障診斷,而從電源電流測試角度開展的工作還十分有限。模擬電路中的電流是一個重要的參數(shù),也是故障信息的重要組成部分,包含著電路拓撲結(jié)構(gòu)的豐富信息。若電路發(fā)生故障,輸出電流波形將隨之發(fā)生相應(yīng)變化,含有豐富的故障類信息。對任一電路而言,電源節(jié)點是通用的,測量也比較方便,特別是目前模擬/混合電路的集成度與復(fù)雜度不斷提高,可利用的測試管腳有限,給測試和診斷帶來極大困難,因此對電源電流測試的研究具有重要意義。

小波變換具有同時在時-頻域分析信號、大量壓縮數(shù)據(jù)的屬性,對采樣數(shù)據(jù)經(jīng)小波變換預(yù)處理后,能有效提取故障特征,簡化了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、提高了訓(xùn)練速度。小波變換具有同時在時-頻域分析信號、大量壓縮數(shù)據(jù)的屬性,已廣泛應(yīng)用于信號檢測、故障診斷等研究領(lǐng)域。在模擬集成電路故障診斷中,小波變換用來預(yù)處理采樣數(shù)據(jù),提取故障特征。二進小波變換通過多分辨分析算法來實現(xiàn),將信號分解為近似(低頻)和細節(jié)(高頻)兩部分,分別對近似和細節(jié)繼續(xù)分解,形成信號的多層分解結(jié)構(gòu)。

2.基于小波分析的模擬電路故障診斷

在電路信號的特征提取中,常采用頻譜分析的方法。但是基于統(tǒng)計分析的傅立葉分析僅對不隨時間變化的平穩(wěn)信號十分有效,對于模擬電路響應(yīng)信號中通常含有非平穩(wěn)或時變信息卻不能有效地提取故障特征。另外,模擬電路中含有大量噪聲,若直接將高頻成分當(dāng)作噪聲成份舍棄會造成有效成分的損失,若單純對電路的輸出進行分析,會導(dǎo)致故障模糊集較多,分辨率不高。而小波分析所具有的時頻局部化特性、良好的去噪能力,無需系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢使之成為分析和處理此類信號的有效工具,也是目前在模擬電路故障診斷領(lǐng)域使用最多的一種特征提取方法,對模擬電路中的軟、硬故障均適用。

小波分析的基本原理是通過小波母函數(shù)在尺度上的伸縮和時域上的頻移來分析信號,適當(dāng)選擇母函數(shù)可使擴張函數(shù)具有良好的局部性,非常適合對非平穩(wěn)信號進行奇異值分析,以區(qū)分信號的突變與噪聲。小波分析技術(shù)實現(xiàn)時與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有兩種結(jié)合方式:一是松散型結(jié)合,二是緊致型結(jié)合。

總之,模擬電路故障診斷的主要任務(wù)是在已知網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)、輸入激勵信號和故障下的響應(yīng)時,求解故障元件的物理位置和參數(shù)。模擬電路故障診斷理論和方法自研究以來,取得了很多成就,也提出了不少故障診斷方法。

[1]芮 S,李明齊,張小東,易輝躍,胡宏林.兩次一維維納濾波信道估計的一種噪聲方差優(yōu)化方法[J]電子學(xué)報,2008,08

[2]周世官,張云.基于進化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬電路故障診斷[J]計算機測量與控制,2007,08

[3]崔雪梅,孫才新,李劍,李新,杜林.用復(fù)小波提取變壓器局放脈沖信號特征的研究[J].儀器儀表學(xué)報,2005,02