模擬電路故障分析及診斷方法

李帥

摘要：模擬電路的復(fù)雜度以及密集度隨著大規(guī)模模擬集成電路的發(fā)展不斷的增長(zhǎng)，從而對(duì)模擬電路運(yùn)行的可靠性要求更多，因此，為了避免故障的發(fā)展，必須在模擬電路發(fā)生故障前替換掉將要失效的元件，這就需要我們除了實(shí)時(shí)對(duì)模擬電路進(jìn)行診斷找出失效元件外，還應(yīng)當(dāng)對(duì)故障進(jìn)行預(yù)測(cè)從而確定失效元件。通過人工診斷技術(shù)已經(jīng)無法滿足這些要求，因此，目前急需解決模擬電路故障自動(dòng)診斷這個(gè)問題。

關(guān)鍵詞：院故障分析;模擬電路;故障診斷;故障處理

1模擬電路故障發(fā)生的原因

模擬電路的故障部分是由于設(shè)計(jì)缺陷以及生產(chǎn)過程和工藝不先進(jìn)造成的，但是絕大部分還是由于使用過程中元件和電路磨損和老化造成的。對(duì)于模擬電路的故障類型，可以將模擬電路的故障分為早期故障、偶然故障和損耗故障。早期故障多在初期發(fā)生，主要是由于設(shè)計(jì)和制造缺陷等原因造成的;在有效使用期內(nèi)發(fā)生的故障即為偶然故障;而損耗故障則是在使用后期由于老化磨損、損耗以及疲勞等原因造成的故障。由于設(shè)計(jì)和制造等原因造成的且發(fā)生在使用初期的故障即為早期故障，隨著時(shí)間的變化，其故障率會(huì)明顯降低。

2模擬電路故障診斷特點(diǎn)

2.1在模擬電路中，可測(cè)電壓節(jié)點(diǎn)十分有限從而導(dǎo)致無法獲得充分的診斷故障的信息，因此，或者故障定位不唯一或模糊，或者根本診斷不出來。

2.2模擬電路的輸入輸出信號(hào)在時(shí)域和電壓幅度上具有連續(xù)性，元件參數(shù)的連續(xù)性使得故障的診斷模型更加復(fù)雜而難以簡(jiǎn)單量化.

2.3模擬電路存在很多非線性和反饋電路。對(duì)于存在非線性元件的模擬電路而言，增加了診斷的復(fù)雜性和信息處理量等問題.

2.4由于環(huán)境變化對(duì)模擬電路影響較大，因此，輸出的響應(yīng)除了受制造工藝引起的元件參數(shù)偏差影響外，還會(huì)受到熱噪聲以及電磁干擾等外界環(huán)境因素的影響。實(shí)際模擬電路的元件具有很大的離散性即容差。容差的存在導(dǎo)致了故障的模糊性，因而有時(shí)無法唯一確定故障位置，使得診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性難以保證，這是故障診斷的最大困難之一。

3模擬電路故障診斷的方法

3.1故障字典法

首先建立故障字典。預(yù)先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶋H需求確定所要診斷的故障集，求得電路存在故障集中的一個(gè)故障響應(yīng)，然后對(duì)故障相應(yīng)做必要處理后作為對(duì)應(yīng)故障的特征，從而將他們編成一部故障與特征相對(duì)于的字典;然后查找故障。在對(duì)電路進(jìn)行實(shí)際診斷時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)被測(cè)電路施加與測(cè)前模擬時(shí)一樣的激勵(lì)和工作條件從而取得相應(yīng)的特征，最后在故障字典里查出與之相對(duì)應(yīng)的故障。線性和非線性電路均適用于字典法故障診斷，但是由于故障組合太多，尤其當(dāng)模擬電路的規(guī)模較大時(shí)很難查找故障，因此，很難得出滿意的結(jié)果。

3.2最小距離法

最小距離法的原理是：對(duì)n個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，得到相對(duì)應(yīng)的n個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)，把這些數(shù)據(jù)組成的測(cè)試向量（Vn∈Rn）構(gòu)成一個(gè)n維故障空間，故障集中的k個(gè)故障是這n維空間中的k個(gè)故障子空間，這些空間的中心為各測(cè)試點(diǎn)模糊域中心值。測(cè)試以前將各故障子空間的中心值存起來，構(gòu)成字典，然后取得一個(gè)測(cè)試矢量Vn*（相當(dāng)于n維空間中的一個(gè)點(diǎn)），接下來對(duì)照字典一一查看，查找出是什么故障。其實(shí)也就是判別Vn*這個(gè)點(diǎn)落入哪個(gè)故障子空間中，即該點(diǎn)距哪一個(gè)故障子空間中心的距離最小。其中Vi*是Vn*中在第i個(gè)測(cè)試點(diǎn)上的測(cè)量值，Vi（Fj）是故障Fj在第i個(gè)測(cè)試點(diǎn)上的模糊域中心值。

3.3直流故障字典法

（1）選擇故障集

故障集的種類有很多，在電路中選擇故障集，應(yīng)該根據(jù)被測(cè)電路的特點(diǎn)及過去的經(jīng)驗(yàn)來選擇。在實(shí)際的電子電路中，由于元件數(shù)和元件軟故障的狀態(tài)數(shù)較多，因此多故障的組合數(shù)就較大，所以我們把它們都列入到故障集中，這樣大大增加了計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)字典的內(nèi)存容量。在實(shí)際的電路中如果選擇故障集，比較切實(shí)的方案就是選擇若干單故障和多故障作為故障集。

（2）選擇激勵(lì)信號(hào)通常采用的是與電路板正常工作時(shí)施加激勵(lì)相似的信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)。還可以采用多種輸入信號(hào)的組合的方式，這樣可以充分隔離故障集中的所有故障或絕大部分故障。

（3）電路狀態(tài)的仿真可以采用實(shí)際故障設(shè)置或計(jì)算機(jī)仿真兩種方式。在一定激勵(lì)條件下，通過這兩種方式都能夠得到電路在正常狀態(tài)和各種故障狀態(tài)下各個(gè)可測(cè)節(jié)點(diǎn)的電壓。但是采用計(jì)算機(jī)仿真方式，為了使計(jì)算機(jī)的仿真結(jié)果與實(shí)際電路的狀態(tài)一致，則必須要選用適當(dāng)?shù)脑骷收夏Ｐ秃湍Ｐ蛥?shù)。

（4）處理容差問題。在實(shí)際電路中，由于電路元件參數(shù)都具有容差，導(dǎo)致電路的各個(gè)可測(cè)節(jié)點(diǎn)的電壓是一個(gè)連續(xù)的區(qū)間，給電路故障狀態(tài)的隔離帶來困難。為了克服元件容差影響，引入模糊集和模糊域的方法來解決。

隨著電路規(guī)模和復(fù)雜性的不斷增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的診斷方法已經(jīng)不能夠滿足實(shí)際電路的診斷要求，如存在診斷計(jì)算量太大以及由于元件容差問題導(dǎo)致的診斷結(jié)果模糊等。隨著專家系統(tǒng)、模糊理論以及機(jī)器學(xué)習(xí)和小波分析等技術(shù)的深入研究和應(yīng)用，其為解決模擬電路故障在診斷過程中存在的各種難題提供了有益的思路和工具，因此，目前模擬電路故障診斷領(lǐng)域的主流方法就是基于人工智能和現(xiàn)代信息信號(hào)處理的診斷方法。基于知識(shí)的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)即為專家系統(tǒng)，其之所以能夠利用人類專家的知識(shí)和方法來處理該領(lǐng)域的問題，主要是由于其內(nèi)部包含了大量專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。

模擬電路出現(xiàn)故障在所難免，故障的診斷就應(yīng)該是主要環(huán)節(jié)，如果能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的情況，有效地采取好的方式方法定位故障發(fā)生的位置，進(jìn)而有針對(duì)性地、用科學(xué)地故障診斷法對(duì)故障進(jìn)行處理，提高故障診斷能力，同時(shí)將故障診斷技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)可以使故障診斷更加快速可靠，大大提高工作的效率，達(dá)到事半功倍的效果，將模擬電路故障所帶來的損失降到最低，確保模擬電路裝置能夠正常運(yùn)行，保證了社會(huì)生產(chǎn)與社會(huì)活動(dòng)的持續(xù)進(jìn)行。

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