電子儀器儀表設備的質量及常見故障分析

中國電子科技集團公司第五十四研究所 王怡靜

空間電子儀器是針對于地球外層空間運行的電子信息系統。隨著電子技術的快速發展，國內外對電子儀器的研究越來越多，特別是空間電子儀器，投入了大量的人力和財力。對于空間電子儀器而言，工業技術的快速發展讓電子儀器的內部結構變得越來越精細，集成度也越來越高。加上工作環境處于高輻射、高電磁干擾以及高溫的狀態，相對于地面電子儀器而言更容易發生電路故障。一旦發生故障，輕則影響設備正常運行，重則造成嚴重的經濟損失。因此，對空間電子儀器的電路故障診斷研究勢在必行。

一、功能故障檢測方法

（一）基于模塊電路幅頻特性的故障

對控件電子儀器的模擬電路進行了功能模塊設計，明確了各個模塊之間的信號轉換方式和特征，因此在進行故障診斷過程中，可以通過對比字典信息的方式進行故障診斷。

（1）數字基帶的發射濾波器的信號輸入主要是通過DA進行，轉換后的信號表示為：S1=Asin(w1t+φ1)，頻率不變，幅度發生變化。

（2）在發射通道模塊的信號輸入主要通過數字基帶模塊進行信號傳入，表示為：S2=Bsin(w1t+φ2)，輸出信號是通過發射通道轉換為射頻信號。

（3）接收通道模塊通過雙工器發射的射頻信號，表示為：S3=Dsin (w4(t-τ4)+φ4)+n(t)，其中n(t)表示接收信號的噪聲；τ4表示信號延時。

（4）數字基帶接收濾波器的信號輸入主要通過接收通道獲取，表示為：S5=Esin(w5t+φ5)。頻率不變，幅度會變。

在檢測電路故障過程中，首先判斷電路發生故障的原因是否是功能故障。通過檢測模塊進行功能故障檢測，輸出信號，獲取測試節點，通過輸出信號的頻率判斷電路是否發生功能故障。

（二）基于模塊電路輸出波形距離的故障

先檢測出故障電路，然后在進行故障診斷，確定故障元件。對于電子空間儀器中的模塊，可以根據輸出波形確定不同電路元件故障的差異化。在實際的電路應用中，電路的激勵是不變的，在測試之前，通過激勵的方式構建信號特征的方式不適用于空間電子儀器的故障診斷。如果采用輸出信號的波形確定故障元件定位，有一定效果。基于模塊電路，在正常狀態下，輸出信號波形將作為第二故障字典，引入距離函數計算故障模塊電路，從而確定故障位置。

測量信號模型：

公式（1）：

表示測量信號，屬于時間函數，g()表示函數的形式；t表示函數的自變量；v表示因變量；w(t)表示噪聲。

本研究是對功能模塊電路的故障診斷問題進行討論，并進行問題解決。時間集根據采樣信號獲得離散集，即：

公式（2）：

TN={t1,t2,…,tn}距離函數是用來定義測量信號的參數值，對于任意測量信號，都會存在偏差，即：公式（3）：

在功能模塊的電路故障元件中，ρ(v0,v)是用來計算電路故障的，也用來計算與電路測前仿真的狀態相似度。功能模塊電路的故障定位問題轉化為距離計算問題，根據測前仿真的模塊電路，設定輸出信號字典，并對字典中存儲的輸出信號采樣進行測試，測后通過對輸出信號的采樣，計算兩個測量信號之間的距離。即：

公式（4）：

根據公式（4）得到最小距離ρ(Si,X)，從而判斷電路的故障狀態，獲取故障元件位置。

二、軟故障診斷方法

（一）基于故障字典的模擬電路故障診斷

1.功能模塊電路的故障快速檢測法

對模擬電路進行故障診斷的最終目的就是判斷電路是否能夠正常運行并實現各自功能，如果發生故障后能夠及時處理電路故障，可以最大化的保證電路的正常工作。基于此，對空間電子儀器模擬電路進行功能模塊劃分后，建立基于故障字典的模擬電路快速故障檢測。該方法檢測的核心是在檢測之前，先對不同模塊的電路建立功能故障字典，檢測電路的功能特性后確定模塊電路是否會發生故障。故障診斷過程中，通過測量的方式得到功能模塊電路的功能特性，并查找對應的故障字典，就能夠快速地判斷出電路功能模塊是否存在故障。

2.故障類型診斷

（1）斜率故障

對于電阻、電導、電感等線性無容差模擬電路，當發生故障后，不管參數偏離多少，任取兩節點，測量電壓的斜率。根據電路理論得到：公式（5）：

在線性模擬電路中，當單個元件的參數發生變化時，電路中的節點電壓值不便，則斜率即可作為故障字典中的故障特征

（2）折線故障

雖然在非線性元件中，不同的狀態所體現的電特性不同，但是工作狀態的數量不會發生較大變化。在不同的狀態下，利用線性元件進行代替，不會影響其電特性。對于非線性電路，如果電路中的非線性元件處于單一的工作狀態，則電路中的每一個非線性元件都會與對應的線性元件交替，從而保證電路的整體性能保持不變。針對此，對非線性電路故障元件的折線故障模型有了新的研究方向。

假設在一個直線非線性電路中包含了多個非線性元件，用n表示，則每一個非線性元件就會有多個線性工作區間。當電路發生軟故障后，故障元件的參數發生變化。在元件鄰域中，故障元件始終處于工作區間，并且電路中的其他非線性元件工作狀態保持不變。在小的鄰域范圍內，電路中所有的非線性元件都會有對應的線性元件進行替代，且不會改變電路的特性。這時電路是線性的，可以采用任意兩個節點電壓隨著參數的變化滿足線性故障元件的斜率故障模型。當電路中某一個元件參數發生變化，在元件的不同參數范圍內，將電路使用不同的線性電路進行替代，從而滿足不同的斜率故障。將元件中所有的斜率故障連接起來后，得到折線故障類型

3.分級故障診斷

利用字典法，對模擬電路進行故障診斷，該方法的優勢就是可以節約成本，在進行故障診斷時，根據檢測結果，查找電路分級故障，完成對電路的分級故障診斷。如果只檢測電路故障，只需建立一級故障字典中的輸出電壓值即可判斷電路是否正常運行。在確定電路發生故障之前，要先確定電路故障元件的位置，建立二級字典。考慮到元件容差的問題，對于線性電路，可以通過公式（6）進行斜率計算。對于非線性電路，計算出點到各折線的距離，算出最小距離即可找到對應的元件。采用二級故障字典診斷出故障元件后，還需要找到故障元件的所在區間，采用三級字典便可實現元件參數區間的查找。

公式（6）：

（二）基于改進型松散小波神經網絡故障診斷

1.BP神經網絡

BP神經網絡采用BP學習算法，是神經網絡的一種重要類型，可以對各種復雜的映射關系進行表達。多層BP神經網絡可以解決非線性映射問題，結構簡單，在模擬電路的故障診斷中應用較多。BP神經網絡的工作過程中輸入信號，是采用輸入到輸出的方向進行正向傳播，誤差信號則相反，利用BP神經網絡在處理函數逼近以及數據壓縮問題時具有較好效果。利用BP神經網絡進行模擬電路的軟故障診斷，可以降低排障人員的工作壓力，完成軟故障數據特征提取、軟故障診斷的功能。利用BP神經網絡，對軟故障進行診斷，識別電路的故障元件，通過測量得到的電路故障原始輸出信號，按照特定的方式進行數據特征的提取，然后再導入到神經網絡中，即可自動識別發生故障的元件位置。

2.故障診斷

利用改進型松散小波神經網絡進行電路軟故障診斷，需要進行測前軟故障特征提取以及測后的故障診斷兩個階段。

測前軟故障主要是對空間電子儀器中的待測電路進行分析，確定可測節點，再利用仿真工具進行仿真測試，獲取電路的軟故障采樣信號，根據故障特征確定網絡輸入層和神經元個數，再通過實驗試湊方法設定隱層神經元個數。最后進行測后故障診斷，利用仿真得到目標電路的原始數據，按照與測前軟故障一樣的方法獲取原始故障特征，從而確定故障元件位置。

三、結束語

在“大數字、小模擬”的發展趨勢下，模擬電路的故障診斷極為重要。電子儀器中的模擬電路一旦發生故障，將會造成巨大的損失。空間電子儀器相對于地面電子儀器而言，故障發生后所造成的損失更大，因此以空間電子儀器為研究對象，介紹了電子儀器模擬電路發生故障的類型以及方法，為后續研究工作奠定基礎。