數字信號處理技術在故障檢測和定位中的應用

李紅虎 王曉楠

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所 江蘇省揚州市 225127）

隨著技術的進步，傳統的故障檢測技術已經不能滿足當今社會的具體要求，建立在對采樣電流的基礎之上，或者是使用較為先進的數字信號處理方法,可以對傳統檢測技術做出創新和變革，彌補故障定位技術的不足。通過研究在故障定位中數字信號處理的應用，進一步探討數字信號處理的應用潛力。

1 數字信號處理的內涵以及重要性

1.1 數字信號處理的內涵

數字信號處理是一種新型的技術手段，主要是建立在計算機技術的基礎上將有價值的信息全部提取出來在某一個特定的環境中，采用一定的技術手段對信息進行有效轉換，為使用者提供方便。在傳統的數字信息提取中，模擬提取方法較為常見，模擬技術在參數設計方面要求較為嚴格，并且參數設置完畢后是不可以隨意更改的，還有一點就是使用的模擬器對于運行環境的要求也比較苛刻，如果環境比較嘈雜，那么就無法將有用信息全部分離出來，很容易造成信息的缺失，提取信息的完整性與可靠性一時無法保障[1]。那么提取的信息就會失去應有的作用，在這樣的情況下很容易被使用者丟棄。就目前的情況來看，二值邏輯處理方法是應用范圍比較廣的信息處理手段，二值邏輯處理和傳統的數字信息提取存在本質上的差別，即使在較為嘈雜的環境中，也可以對想要提取的信息進行準確分辨，快速將其提取出來，倘若此時外界環境溫度突然升高也不會對內部線路造成太大的影響，具有一定的穩定性。與此同時，二值邏輯處理還可以在一定程度上克服了在實際模擬階段設置參數不易更改的情況，通過這樣的手段，數字信息提取會變得更加方便和高效。針對數字信號處理，在實際應用中可以借助相關的軟件來完成調整參數的任務，這種技術的靈活性較強，在芯片技術快速發展的背景下，給數字信號處理指明了新的發展方向，為其推廣和普及注入了新的生命力。同時數字信息處理還具備高速處理能力，并且集成度比較理想，結構相對優良的優勢，可以極大限度提升信息提取的響應速度與故障的處理能力。這一點也是故障檢測與故障快速定位可以和數字信號處理相互融合的根本原因，數字信號處理采用了數字法，可以有效緩解各種信號干擾問題，從而保證信息提取的質量與效率。另外，在此基礎上還可以將分離信息合理整合起來，通過信息的有效整合，可以進一步強化信息分析效果與識別速度。

1.2 推廣數字信號處理的現實意義

在現階段，數字化技術呈現出蓬勃發展的態勢，隨著科技進步，數字化相關技術得到了較好的發展，更新換代較快，在這樣的背景下，數字化時代的優勢逐漸顯現出來，特別是數字信號處理的普及和推廣，取得了實質性的進展。由此可見，數字信號技術顯然已經成為推動社會發展的主力軍。目前，數字信號已經逐漸滲透到了各個領域，得到了廣泛的應用，無論是在通訊、網絡，還是在機械設備等方向都發揮著重要作用，給科學技術革新帶來了新的契機。數字信號處理主要是指將生活中常見到的視頻素材以及圖片素材等轉變為數字信號，在此基礎上進行接收和傳輸工作，數字信號處理想要實現信息的傳輸功能需要借助計算機或者是處理芯片來完成，數字信號處理具有超強的實用性，對其的研發與推廣具有積極的現實意義。

2 在故障檢測與故障快速定位中數字信號處理方法的具體應用

本文研究的主要目的就是為了有效縮短市場投放的時間，因為故障檢測和故障的快速定位對集成電路來說是尤為重要的，只有確保檢測的準確和高效，才能進一步提高集成電路的使用性能，提高電路的穩定性。因為故障檢測顯然已經成為主要任務之一，為了很好實現這一目標，必須要在原有設計方案的基礎上制定出科學的測試策略。就目前的情況來看，針對測試方法的研究已經有很多了，這些測試的手段多數都是為了盡快實現故障檢修而進行開發設計的，換句話說，測試的目的是為了判斷是否存在可測電路，同時還要找到故障定位失敗的原因。故障檢測的合理性是目前生產測試中應該放在首位的問題，與此同時，找到定位到故障的原因也是工作的主要內容之一，因為這也是縮短市場投放所需要時間的重要途徑。本文提出的是一種可以實現快速檢測和定位故障的測試手段，該方法是建立在對采樣電流的基礎上，借助數字信號處理（電壓）技術，實現故障的快速、準確定位。

2.1 該方法理論基礎

（1）參考敏感傳遞路徑，確保刺激傳遞至少包括一次真正意義上的躍遷，可以是0-1，也可以是1-0。

（2）做好定期取樣工作，無論是輸出信號還是輸出電流，最好以小時作為單位，完成取樣。

（3）利用信號處理手段完成數字化轉換后，需要在此基礎上對樣品進行科學合理的分析。

上述方法主要是為了讓給定的路徑提高敏感度，以此來達到刺激缺陷的目的，并以此作為前提，使其停止傳遞。值得注意的是，在停止傳遞階段，會出現明顯的功耗缺陷，這種缺陷會使供電電流波形發生改變，對實際的電壓輸出造成影響。在實際的操作中，為了可以有效檢測出故障以及缺陷，并且進行故障的快速定位，可以利用輸出信號中的轉換，這種轉換有可能是存在的，也有可能是不存在的，例如：波形變化等。根據相關研究表明，該方法在過度刺激方面的潛力巨大，已經得到了認可（在電壓輸出檢測中）[2]。另外，即使輸出信號的采樣過度，也可以從現有的信號波形中進行有效提取，從而獲得更多的信息。這種信息提取方法是借助輸出信號頻譜來實現的，對一些信號處理效果進行科學估計。在此次項目的研究中，應用的是傅里葉轉換法，簡稱 FFT。借助該方法完成頻譜的估計，可以從源頭檢測到缺陷或者是故障導致的明顯波形變化，這種方法具有一定的優越性，即使僅僅是小部分頻譜，也可以通過這一小部分完成檢測，并且確保檢測結果的可靠性。截止到目前，該分析法和其他方法相比，在信息提取方面更加簡單和高效。

2.2 檢測

檢測需要包括文中的全部結果，并且FFTs 也要涵蓋在內，并借助HSPICE 仿真模擬來實現，通過繼電器觸點產生的寄生電容，完成模型的搭建。

2.3 橋接

橋連是一種形成的導電通路（主要和焊盤接觸）。在進行組裝時，在不同工藝階段都會出現連接問題，因而產生橋連現象。在信號和GND 之間極易引發橋接，當出現固定0 故障時，通常情況下，需要將電路進行轉換，轉變成電流電壓。事實上，出現在信號和接地端中間的橋接，會檢測到大量的值,這些值通常不會導致0 故障，基于此，完成故障檢測是存在一定困難的。另外，出現在信號和VDD（數字電源）之間的橋接,參照電流分量振幅的最終結果，可以發現和上一組的橋接數據相似。和其他模型結果進行對比可以從中看出非VDD 或者是GND 信號之間存在電阻橋接點，并且可以在一定范圍內檢測到。例如：接點15-19 或者是接點10-14。只要滿足邏輯值接點長度可以達到標準的要求，并且是兩個相反的邏輯值就可以完成檢測。不僅電流消耗可以被清晰檢測到，采用這種橋接還不會產生較弱的邏輯值。

2.4 定位和診斷

定位和診斷是數字信號處理應用的重要環節，在這一環節中,需要對如何定位電位檢測節點進行研究，從而找到具體的優化方案，在此基礎上將其故障原因診斷出來[3]。在實際操作中，設計定位程序可以從以下幾點出發：

（1）通過激發寄生接觸轉換會直接影響電流的諧波振幅，使第一諧波振幅產生波動。

（2）激發寄生接觸非轉換只會單純導致DC 消耗，并不會產生其他影響，對第一諧波振幅是不會造成威脅的。

（3）對檢測結果造成影響的只有改變第一諧波振幅，綜上可以看出，第一諧波振幅是關鍵因素。

通過逐步探索網絡組合模式（從輸入再到輸出）可以發現，在轉換傳遞過程中每額外增加1 個節點，都有利于實現節點定位。通過對電流變化情況的觀察，掌握諧波振幅變化的趨勢，從而達到定位節點的目的。基于這樣的前提，任何一個定位程序想要實現快速定位的功能，都必須要從輸入節點入手，開始轉換，并且每一步轉換都要按照指定的傳遞步驟,確保轉換的流程符合相關要求，保證轉換的正確率。可以通過FFT 算法完成檢測，觀察諧波振幅是否存在明顯變化。當傳遞途中遇到缺陷節點，此時會產生一定的變化，為了確保傳遞的效果，可以在每個電路中只完成一次傳遞轉換。

總而言之，本文采用的故障檢測方法是通過傳播過渡刺激來實現的。通過對電流（電源）以及電壓（輸出）的采樣，并在此基礎上進行頻譜估計，得出的結果可以表明轉換刺激方法在電流測試領域中具有一定的可行性。寄生電容觸電能被精準監測到，即使在很大范圍內也不會影響檢測的實際效果。另外，這些觸點不會導致壞的邏輯行為產生，通過對供應電流頻譜的有效分析，允許檢測開路和傳播延遲的情況發生。從而提出一種較為明確的電阻接觸點方法，這種方法主要是建立在第一諧波振幅可以被檢測到的基礎上，基于此，可以參照變化的性質，對故障原因進行科學診斷。

3 展望

隨著數字信息技術在各個領域中滲透的加深，其應用前景將會廣闊，在故障定位中的優勢也會更加突顯。就目前的情況來看，數字信號處理還不夠成熟，與西方國家相比存在較大的上升空間，另外相關技術人員在這方面的研究還不夠深入，在故障檢測領域，數字信號處理還有很多優勢沒有發揮出來。隨著相關技術的不斷革新，數字信號處理在未來將向著尺寸更小，并且功耗更低的方向發展，在此基礎上還要確保超強的運算速度，以滿足不同領域的功能需求。相關研究人員需要在現有數字信號處理理論的基礎上持續提升技術開發水平，找到數字信號處理在應用中存在的缺陷，不斷優化信號處理技術，使其適用性變得更強，針對現存的問題找到原因，并進行科學分析最終得出解決方案。在未來數字信號處理的發展歷程中，還需要攻克許多的難關，經過不懈的努力數字信號處理勢必會成為數據信息處理的主流方式。除此之外，SFMD 技術在數字信號處理中也將會得到長足的發展，并且應用范圍更廣，隨著數字信號處理的日漸改善，代碼兼容性將會變得十分重要，在數字信號處理中發揮重要的作用。根據目前數字信號處理的應用現狀可以知道，數字信號處理不僅被廣泛應用在故障檢測與快速定位中，在其他領域，像機器人控制、生物醫藥、電力系統以及噪聲檢測等領域中都扮演著重要角色。

4 結論

綜上所述，本項研究主要包括以下幾個部分的內容：

（1）對測試方法的理論基礎進行簡單描述。

（2）對該技術的檢測能力進行闡述。

（3）對診斷和定位故障的潛力深入探索。

（4）對該技術的可行性完成論證。

通過一系列論證可以發現，將數字信號處理應用到故障檢測和快速定位中具有一定的可行性，其應用空間巨大，值得大范圍推廣。