基于Multisim11.0的模擬或數字電路故障診斷

李海東

（渤海大學，遼寧 錦州 121000）

0 引言

Multisim11.0作為目前世界上較為先進的電子自動化設計軟件，通過它強大的性能和比較領先的自動化機制引起了電子專家的注意。人們開始嘗試將multisim11.0應用于模擬或數字電路的故障診斷與排除，并取得了非常顯著的效果，本文將重點介紹multisim11.0在故障診斷方面的優勢及應用過程中需要注意的問題。

1 什么是Multisim11.0

Multisim11.0是目前在電子領域知名度和應用度都比較高的一款電子設計自動化軟件，它和NI Ultiboard一樣都屬于美國國家儀器公司，都作為電路設計軟件套件而被眾人所認知。同樣，由于其不凡的產品性能，該應用軟件成功入選伯克利加大SPICE項目，能獲得這一殊榮的電子應用軟件為數并不多。在具體的應用實踐中，該軟件主要應用在電路圖的設計和電路的教學。在這一過程中，參與者可以真實的感受到電路的整個交互式的搭建過程，并且體驗其強大的捕獲、仿真和分析功能。所以在電子學教育中Multisim11.0被廣泛應用，幫助教育工作者實現從理論到原理圖設計甚至電路故障的診斷和測試的完整的綜合設計流程。Multisim11.0的突出性能如下：

1.1 圖形界面比較直觀

Multisim11.0的操作界面具有很強的直觀性，它的呈現方式如同一個正在進行的電子實驗的工作臺，在電路的繪制過程中，只需借助鼠標就可完成電路所需個元件和測試儀器與導線的連接而且，在控制面板上所顯示的模擬電路與操作方式基本一致，在操作過程中可以通過顯示器清楚的看到測量數據，以及各相關數據的波形軌跡和特性曲線，幫助實驗者或者系統維護人員更好的進行電路的維護和保養。

1.2 元器件比較豐富

Multisim11.0和上代的軟件相比，擁有了更為強大的元器件供應，目前在全世界已經有上萬種元件為其提供專業的支持，而且軟件自身可以方便的實現對系統內元件的參數按照實際的需要進行相應的修改，并且軟件本身可以借助自帶的模擬生成器及代碼自創模型實現對自己所需元件的生成與創建，可以說具有很強的智能性。

1.3 較強的仿真能力與豐富的檢測儀器

Multisim11.0和上代的軟件相比，借由SPICE3F5和Xspice的內核作為仿真的引擎，通過帶有的增強設計功能將數字和混合模式的仿真性能進行優化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、電路向導等功能，這些仿真功能在具體的實際操作中發揮著越來越重要的作用。同時，該軟件提供了近20多種的虛擬儀器來實現對各種電路動作的實際監測。例如，比較常見的萬能表，以及函數信號發生器、瓦特表、示波器、字符發生器、邏輯分析儀等設備，雖然這些設備只是該軟件的一個虛擬構成，但它得的設置與運行和真實生活中的一樣，這種交互式的動態顯示幫助我們更好的對模擬或數字電路進行有效的分析。同時，該軟件還可以通過自定義相關儀器來實現電路測試的升級與靈活控制各應用程序的儀器。

1.4 分析手段比較完備

Multisim11.0具有比較完備的分析手段，通過進行對直流工作點的分析，以及交流和瞬態分析來實現對原型開發和測試設計的迅速完成。具體來說，該軟件利用仿真產生的數據來完成數據的執行與分析，這個范圍比較廣泛，從簡單的基本數據到異常的極端數據都可以進行完整的分析，并且每一個數據的分析都為下一步分析做好鋪墊，具有了符合電子行業標準的交互式的測量和分析性能。

1.5 比較好的信息轉換的兼容性

在Multisim11.0軟件中，提供了比較完備的原理圖與仿真數據的轉換。可以通過自帶的相關軟件實現對數據的輸出，可以進行將原理圖輸出到布線，也可以輸出為網絡表文件，對數據進行互聯網的共享。在數據輸出以前，軟件會首先對結果進行分析運算。例如，進行基本的算數運算，三角運算，復合運算，向量運算和邏輯運算等等，從而提高結果分析的可靠性，與此同時，該軟件支持C代碼、匯編代碼以及16進制代碼，并兼容第三方工具源代碼；包含設置斷點、單步運行、查看和編輯內部RAM、特殊功能寄存器等高級調試功能。

2 Multisim11.0的模擬或數字電路故障診斷

在當今社會，數字化發展非常迅速，已經逐漸成為現今世界發展的主要潮流。不夸張的獎，在各個行業各個領域，數字化都有其非常廣泛的應用，這也是未來發展的方向。在數字化的進程中，它發展的主題是電路。從傳統的模擬電路到今天的數字電路，見證者科技的突飛猛進。數字化的核心就是其數字電路，數字電路也是計算機硬件電路和通信電路以及信息自動化的關鍵所在。數字電路經歷了電子管、半導體分立器以及集成電路等重要的歷史發展階段。它是模擬電路的提升與改進，實現了對數字信號進行的數字量化與一系列的數字運算和邏輯運算。由于其較強的穩定性和良好的抗干擾性，自60年代以后得到了非常廣泛的運用，速度比模擬電路還要快。在這中間模擬電路和數字電路在各個領域推廣，極大的帶動了電子產業的發展。尤其是上個世紀末，微型處理器的出現讓數字電路有了本質的提升，規模更大，功能也更加強大。現在已經超過過去的簡單的二進制演變為八進制甚至是多進制。

2.1 模擬或數字電路故障產生的主要原因

在本文中我們重點分析數字電路產生故障的主要原因。首先我們要簡單了解一下數字電路的基本組成單位，那就是門電路。門電路的主要功能是用來實現基本的邏輯運算與復合的邏輯運算。通俗來講，門電路其實就是一個簡單的開關電路。一般我們經常看到的是與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或和同或門等幾種，而這些門電路的主要構成是：半導體二極管、半導體三極管、CMOS等具有開關特性的元件及電阻、二極管。這些開關特性所處的條件不同其元器件所處的跳轉狀態也會不同。所以面對如此多的門電路，尤其是出現了結構比較復雜的集成電路，將電路的大多數部分甚至是全部集中在一個小芯片上，一旦某一物理元件存在缺陷或者出現一些細微的變化，都會影響整個電路的正常運行，嚴重時還會對整個電路造成意想不到的傷害。所以，對正在運行的電路進行定期的診斷顯得尤為重要，另外在電路運行前的檢查也是必要的，例如，各引線之間的連接，以及是否存在短路，各個接口，插件之間的連接是否出現接觸不良等等。

2.2 模擬或數字電路故障的主要特點

數字電路的故障來源門電路，門電路的輸入可以唯一，也可以為兩個，甚至更多，這就會出現信號傳輸的快慢問題，雖然門電路的傳輸時延很小，但是，對于不同的器件材料，延時區別是很多的，比如三極管材料要遠大于CMOS材料的器件。當一個門電路的輸入有多個，且根據不同路徑到來時候，由于時間的先后順序，這就會產生競爭，導致冒險現象。數字電路是用0和1表示電平信號的高低，但是在數字電路的傳輸過程中依然是電流或者電壓的傳播，在每一個門電路中，或多或少都會有耗能器件，這時候，隨著信號的流通，耗能必不可少，這就可能影響電平的情況，甚至會影響門電路的驅動問題，即前一個門電路的輸出達不到驅動下一個門電路的能力，這會使電路無法正常工作。信號在傳輸的過程中也會收到外界電磁的影響，這可能會是信號的電平發生改變，從而影響電路的功能實現，乃至出現錯誤的邏輯關系，這些情況都是隨機的，不可預見的，我們很難控制，我們所能做的僅僅是盡量避免這些情況的發生，所以我們要知道數字電路會存在哪些故障的隱患，從而達到減少電路故障的發生概率。

2.3 Multisim11.0在模擬或數字電路故障診斷

Multisi11.0作為美國國家儀器有限公司推出的一款比較優秀的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。因此本文借助其強大的仿真性能來完成它對模擬與數字電路的故障診斷。

經過Multisim11.0在模擬或數字電路的應用，我們發現該軟件比較直觀的將電路故障所處的位置通過數據分析和運算以后，傳出到我們面前。我們比較直觀并且準確的找到故障所在模塊，借助診斷備件將其進行替換。尤其是該軟件自帶的升級功能幫助我們更好的做好了電路故障的預警機制，為故障的及時判斷和準確分析提供了強有力的支持。

同時借助該軟件的各個元件，我們對時序電路的故障進行了比較有效的診斷。因為時序電路存在時序，所以電路需要在一定時序的作用下才能實現其功能，這就讓其測試問題變得復雜，借助Multisim11.0軟件我們還是可以對電路的功能進行檢測的，雖然時序電路是一個很龐大的整體，但是我們可以借助Multisim11.0軟件將其劃分為不同的小部分，當然部分的劃分還要根據電路所實現的功能的不同，對此我們可以對小部分電路的功能進行檢測，從而實現對整體電路的檢測。

在過去的模擬與數字故障診斷方法中，直方圖法是一種比較科學的檢測方法，一般廣泛用于模數轉換電路靜態參數測試中,但很少用于內建自測試的設計中。本文借助了Multisim11.0其自帶的一種基于碼密度直方圖分析算法測試模數轉換電路靜態參數的內建自測試結構。該內建自測試結構包括一個用于生成測試信號的模擬信號發生電路,以及簡化的模數轉換電路靜態參數測量算法。經過檢測發現該結構不僅硬件開銷成本低、測試速度比較快,而且能夠測試獨立的模數轉換電路電路。通過仿真試驗表明,該信號發生器能按設計要求準確生成所需要的幅度、頻率均可調的模擬測試信號。

本文還根據實際操作需要，借助Multisim11.0軟件研究神經網絡在模擬電路故障診斷中的應用。由于傳統神經網絡的模擬電路故障診斷方法普遍存在網絡收斂慢、易陷于局部最優等缺陷。因此,本文借助Multisim11.0軟件對容差模擬電路故障診斷的新方法,該方法能對沒有任何先驗假設的測試數據進行準確的診斷。與傳統的普通神經網絡相比較,這種方法給出的模糊神經網絡的學習既包括網絡權值的修正,也包括模糊神經元中隸屬度函數參數的調整,而且其模糊推理體現出來的權值易于理解。最后也取得了非常好的效果。這也是通過求得電路的故障檢測序列，在加于待測電路中，對比于電路的功能實現情況得出故障存在與否。故障檢測試驗大致分為3步，第一是引導階段，將電路從未知狀態引導至預定狀態，第二步是驗證是否存在電路所具有的所有狀態，第三步驗證電路中的狀態是否可以按電路的功能實現狀態的轉換。經過Multisim11.0的一系列工作，成功的實現了對數字電路的診斷。

［1］運昌，編.模擬集成電路原理與應用吳[M].廣州：華南理工大學出版社，1995.