（电路与系统专业论文）容差模拟电路复杂故障的测试与诊断.pdf

摘要 自二十世纪八十年代以来，模拟电路故障诊断已成为继网络分析和网络综 合之后网络理论的第三大分支。其主要任务是根据激励信号和部分网络的响应， 确定故障元件的位置和参数。 模拟电路故障诊断的研究，已经取得了不少进展，提出了很多诊断方法， 大致可分为两大类：测试前模拟法和测试后模拟法。前者以故障字典法为代表。 后者主要是沿着如下两个方向展开：参数识别法和故障验证法。故障字典法和故 障验证法对容差电路无能为力，因为实际电路总是存在容差的。所以，这两个方 法无法应用于实际电路的故障诊断。参数识别法虽然可以应用于容差电路，但其 诊断方程的建立和求解十分困难，因此也影响了它在实际中的应用。 本文研究了容差模拟电路复杂故障的测试与诊断。保留了已有参数识别法 能应用于容差电路的优点，改进了已有元件参数识别法故障诊断方程建立麻烦和 非线性程度非常高的缺点。提出了基于节点电压方程的故障诊断方程，方便了方 程的建立。将不可及节点电压作为辅助未知参量，降低了方程的非线性。采用改 进的n e w t o n r a p h s o n 迭代法求解故障诊断方程，加快了求解速度。重点研究了 线性电路的故障诊断，因为它是其他研究的基础。对于大规模线性电路和非线性 电路也作了分析和讨论。研究大规模线性电路采用“分块诊断法，力求将一个 大规模的诊断问题转化为几个相对规模较小的诊断问题，然后再应用前面提出的 线性电路故障诊断理论。对于非线性电路，分为两类问题：非线性静态电路和非 线性动态电路。前者采用直流激励法，将非线性元件转化为直流等效电阻，从而 电路退化为线性静态电路。后者采用两步法，通过施加不同的测试激励信号，将 其分解成为两个相对简单的问题非线性静态电路的故障诊断和线性动态电 路的故障诊断。最后，诊断实例验证了本文提出的方法的可行性和有效性。 模拟电路故障诊断领域的研究是一个比较前沿的课题。本文提出的方法仍 有不足之处，比如，对于非线性电路的故障诊断理论，还有待进一步的研究和改 进。 关键词：模拟电路；容差；故障诊断；参数识别 a b s t r a c t s i n c et h e1 9 8 0 s ，f a u l td i a g n o s i so fa n a l o gc i r c u i t s ，o t h e rt h a nn e t w o r ka n a l y s i sa n d n e t w o r ks y n t h e s i s ，h a sb e c o m et h et h i r dm a i nb r a n c hi nt h en e t w o r kt h e o r y t h ec h i e f t a s ki nt h ef a u l td i a g n o s i si st ol o c a t et h ef a u l tc o m p o n e n t sa n dd e t e r m i n et h e i r p a r a m e t e r si na c c o r d a n c ew i t ht h ee x c i t a t i o ns i g n a la n dt h er e s p o n s eo fap a r to ft h e n e t w o r k t h e r eh a v e b e e nq u i t eal o to fa c h i e v e m e n t si nt h er e s e a r c ho ft h ef a u l td i a g n o s i so f a n a l o gc i r c u i t s t h ee x i s t i n gd i a g n o s i sm e t h o d sa l eb a s i c a l l yi nt w oc a t e g o r i e s ， n a m e l y , t h es b t ( s i m u l a t i o nb e f o r et e s t ) a n dt h es a t ( s i m u l a t i o na f t e rt e s t ) t h ef a u l t d i c t i o n a r ym e t h o di st h er e p r e s e n t a t i v eo ft h ef o r m e r , w h i l et h ec o m p o n e n tp a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o nm e t h o da n dt h ef a u l tv e r i f i c a t i o nm e t h o da r et h er e p r e s e n t a t i v e so ft h e l a t t e r s i n c et h ef a u l td i c t i o n a r ym e t h o da n dt h ef a u l tv e r i f i c a t i o nm e t h o da r en o t f e a s i b l et oc i r c u i t sw i t ht o l e r a n c e ，t h e yc a n n o tb ea p p l i e dt ot h ef a u l td i a g n o s i so f p r a c t i c a lc i r c u i t s t h a ta r ea c t u a l l yw i t ht o l e r a n c ea l w a y s t h o u g ht h ec o m p o n e n t p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o nm e t h o di sa p p l i c a b l et oc i r c u i t sw i t ht o l e r a n c e ，i ti sd i f f i c u l t t oe s t a b l i s ha n ds o l v ei t sd i a g n o s i se q u a t i o n t h e r e f o r e ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o d i sm u c ha f f e c t e d t h i st h e s i sm a i n l yd e a l sw i t ht e s t sa n dd i a g n o s i so fc o m p l e xf a u l t si na n a l o g c i r c u i t sw i t ht o l e r a n c e i tk e e p st h em e r i t so ft h ee x i s t i n gc o m p o n e n tp a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o nm e t h o dt h a ti ti sa p p l i c a b l et oc i r c u i t sw i t ht o l e r a n c e ，w h i l ei m p r o v e s t h ed r a w b a c ko ft h i sm e t h o dt h a ti ti sd i f f i c u l tt oe s t a b l i s hi t sf a u l td i a g n o s i se q u a t i o n w i t hah i g hn o n l i n e a r i t y af a u l td i a g n o s i se q u a t i o nb a s e do nn o d ev o l t a g ee q u a t i o n s ， w h i c hc a nb ee s t a b l i s h e dw i t hm u c he a s e ，i sp r o p o s e d w i t ht h ei n a c c e s s i b l en o d e v o l t a g e st a k e na st h ea s s i s t a n tu n k n o w n s ，t h en o n l i n e a r i t yo ft h ee q u a t i o ni sm u c h r e d u c e d t h ei m p r o v e dn e w t o n - r a p h s o ni t e r a t i o na l g o r i t h ms p e e d su pt h es o l u t i o n p r o c e d u r e f a u l td i a g n o s i so fl i n e a ra n a l o gc i r c u i t sa st h eb a s i co fo t h e rw o r ki s m a i n l yr e s e a r c h e d ，w h i l el a r g e - s c a l el i n e a rc i r c u i t sa n dn o n l i n e a rc i r c u i t sa r e a l s o a n a l y z e da n dd i s c u s s e d d e c o m p o s i t i o nd i a g n o s i sm e t h o di sp r o p o s e dt ol a r g e s c a l e l i n e a rc i r c u i t s ，w h i c ht r a n s f o r m sa l a r g e - s c a l ed i a g n o s i sp r o b l e m i n t os o m e s m a l l s c a l ed i a g n o s i sp r o b l e m s ，a n dt h ef o r e n a m e dm e t h o dt ol i n e a rc i r c u i t si s f e a s i b l et os o l v et h ep r o b l e m n o n l i n e a rc i r c u i t si n c l u d en o n l i n e a rs t a t i cc i r c u i t sa n d n o n l i n e a rd y n a m i cc i r c u i t s d ce x c i t a t i o nm e t h o di sp r o p o s e dt on o n l i n e a rs t a t i c c i r c u i t s ，w h i c ht r a n s f o r m st h en o n l i n e a rr e s i s t a n c e si n t od ce q u i v a l e n tc o m p o n e n t s ， a n dt h ec i r c u i t sd e g e n e r a t et ol i n e a rs t a t i cc i r c u i t s t w os t e p sm e t h o di sp r o p o s e dt o n o n l i n e a rd y n a m i cc i r c u i t s b ya d dd i f f e r e n tt e s te x c i t a t i o ns i g n a l s ，t h en o n l i n e a r d y n a m i cc i r c u i ti sd e c o m p o s e dt ot w os i m p l ep r o b l e m s ，n a m e l y , f a u l td i a g n o s i so f n o n l i n e a rs t a t i cc i r c u i t sa n df a u l td i a g n o s i so fl i n e a rd y n a m i cc i r c u i t s f i n a l l y , p r a c t i c a le x a m p l e sv a l i d a t et h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e da p p r o a c h t h er e s e a r c ho nf a u l td i a g n o s i so fa n a l o gc i r c u i t si saf r o n t i e ro fs c i e n c e t h e r ea r e s t i l ls o m ed e f i c i e n c i e so ft h em e t h o d sp r o p o s e di nt h et h e s i s ，f o re x a m p l et h et h e o r y a b o u tf a u l t d i a g n o s i s o fn o n l i n e a rc i r c u i t si ss t i l lt ob ed e e p l yr e s e a r c h e da n d i m p r o v e d k e y w o r d s ：a n a l o gc i r c u i t s ；t o l e r a n c e ；f a u l td i a g n o s i s ；c o m p o n e n tp a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o n h i 前言 模拟电路广泛用于航天、军工、通信、自动控制、测量、家用电器等领域。 随着微电子技术的迅速发展，电路复杂性日益提高，集成度不断增大以及人们对 电子设备可靠性要求的日益尖锐，都使得用传统的实验设备和方法进行微电子电 路和系统的维护变得日趋困难甚至不可能，也使得研究新型的测试设备和方法成 为必然的趋势。对于设备与元器件的维修与检测，不再是人们利用简单设备能在 短时间内完成的。人们要求能够在计算机辅助下，自动地完成检测与维修工作， 因此模拟电路故障诊断理论与算法的研究成为一种关键，应运而生。 模拟电路故障诊断技术的用途不仅于此，它对集成电路的研制也有直接的促 进作用，利用这种技术可以通过对集成电路外部的测量了解其内部元件的数值， 从而产生对设计过程和工艺过程的反馈信息。利用这些信息可以改进设计，提高 工艺精度，达到提高集成电路质量与成品率的目的。模拟电路故障诊断理论是介 于电路分析与电路综合之间的一种理论，因此它的发展对电路分析与综合都将有 推动作用。无疑，在国民经济的微电子化、智能化的进程中，故障诊断理论和技 术的用途，将会越来越广泛。 i v 硕t 学位论文容差模拟电路复杂故障的测试与诊断 第一章模拟电路故障诊断概述 1 1 网络理论的第三分支故障诊断 网络理论的发展主要经历了下述三个阶段n 吨】： 网络分析网络分析的主要任务是：在已知网络拓扑结构、元件参数和输入 激励信号时求解网络的输出响应。应用的主要理论和方法是克希霍夫电流定律 ( k c l ) 和电压定律( k v l ) ，以及由它们推导出来的的节点电压法、支路电流法 和回路电流法等。所求的响应可能是解析解，也可能是数值解，结果一般都是唯 一的。如果利用数字计算机求解，则只能求得数值解，通常称之为计算机辅助分 析( c 从叫o m p u t e ra i d e da n a l y s i s ) 。目前为止，网络分析理论发展的最为 成熟，应用最为广泛。 网络综合网络综合又称之为网络设计，其主要任务是：在已知网络的输入 激励和所需响应的条件下，求解网络的拓扑结构和元件类型及参数。应用的主要 理论和方法是数学中的逼近理论和优化设计方法。网络综合的结果通常都不唯 一，往往因设计者的经验及所采用的模块或器件而异。可以通过计算机辅助设计 ( c a d _ - c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 来实现。目前它的发展非常的迅速。 故障诊断故障诊断的主要任务是：在已知网络的拓扑结构、输入激励信号 ( 可自选激励信号) 和故障下的响应( 有时可能还已知部分元件参数) ，求解 故障元件的位置和参数。所涉及的主要理论有系统参数辨识、模式识别、优化技 术等。故障诊断的结果要求是唯一的，但是有时却不能保证。一般需要用计算机 辅助测试( c a t - - c o m p u t e ra i d e dt e s t ) 来实现。 表卜卜1 列出了网络理论三大分支的特点。 表卜卜1 网络理论三大分支的特点 激励拓扑结构元件参数响应解的唯一性 已知 网络分析已知已知待求唯一 ( 给定) 已知已知 网络综合待求待求不唯一 ( 给定)( 给定) 已知待求已知 故障诊断已知要求唯一 ( 可选)( 部分已知)( 可测) 故障诊断是继网络分析和网络综合而后发展起来的网络理论的第三大分支， 开展这一领域的研究，对促进近代电路理论的发展将有重要的推动作用。 硕上学位论文 容差模拟电路复杂故障的测试与诊断 1 2 模拟电路故障诊断的意义和发展 近年来，模拟电路故障诊断已经发展成为一个新兴的前沿领域h 1 们，除了它 具有重要的学科意义外，还由于它具有重要的工业实际意义。根据美国的统计资 料乜1 ，在电子电路中，数字电路约占6 0 ，而模拟电路约占4 0 ，数字电路完全 代替模拟电路难以实现。而模拟电路正是电子系统中容易发生故障的薄弱环节， 据经验，即使电路板的8 0 是数字电路，但8 0 的故障却出自模拟电路。 数字电路故障诊断的研究开展较早口3 ，从二十世纪5 0 年代开始研究，6 0 年 代进入理论发展阶段，1 9 7 5 年开始出现商用的故障诊断测试软件。而模拟电路 故障诊断的研究比数字电路故障诊断的研究迟了十多年，其研究起始于二十世纪 6 0 年代，此后的十几年进展比较缓慢，直到8 0 年代，由于集成电路与计算机的 迅速发展，模拟故障诊断的研究引起了人们的重视，并一跃成为十分引人注目的 研究方向，且取得了不少研究成果。但是，这一研究至今仍处于理论探索和实际 研究阶段，离工业实用还存在相当的距离。目前国际上还没有出现工业实用的故 障诊断方法及其计算机软件。 模拟电路的测试和诊断之所以较数字电路困难，总结起来有下述几方面的 原因： 1 )模拟电路的输入激励和输出响应都是连续量，网络中的元件参数通常 也是连续的，所以模拟系统中的故障模型比较复杂，难以简单量化。 而在数字系统中，极大部分的故障都可以用模型化故障s - a - 1 和s - a - o 来仿真，故障总数是有限的。 2 )模拟电路中的元件参数具有很大的离散性，即具有容差。所谓“容差 就是元件参数值轻微的偏离标称值，只是尚在允许的范围之内，超出 这个范围就是真正的故障元件了。从模拟电路故障诊断的实践看，元 件参数的容差是普遍存在的，而且也是正确实施诊断的最大困难。 3 )模拟电路中广泛存在非线性问题，包括一般理解的网络中的非线性元 件引起的，也包括线性电路中存在的众多非线性问题。即使是线性电 路，故障诊断时采用的诊断方程也是非线性关系的。众所周知，求解 非线性方程通常采用迭代法，计算工作量是很大的。随着电路规模的 线性增大，计算工作量则是以指数形式增加。 4 )一个实用的模拟电路，几乎都存在反馈电路，电路规模越大，反馈回 路也越复杂。反馈电路的存在更是增加了仿真模拟诊断的计算量和复 杂性。 5 )模拟电路故障诊断时可测的节点( 即可及节点) 数有限，远少于网络 的节点数，导致可用于作故障诊断的有关信息量较少，不充分，造成 硕士学位论文容差模拟电路复杂故障的测试与诊断 故障定位的不唯一性和模糊性，甚至不可诊断。 由于模拟电路故障诊断存在上述各种特点与困难，不可能将数字系统中所 使用的测试方法移植到模拟电路中来，必须根据模拟电路自身的特点探索有效的 诊断理论与方法。近几年来，随着电子工业的发展，电子设备的复杂性越来越高， 使得工业生产对模拟电路提出了新的更高的要求。同时微电子技术的迅猛发展对 模拟电路的测试和诊断也提出了急迫的需求，这就迫使科技人员进一步探索新的 测试理论和方法，研制新的测试设备以适应社会的需求。 1 3 模拟电路测试与故障类型的分类 在模拟电路中，故障可以分为两大类：一类为硬故障，指元件的开路和短 路失效故障；另一类为软故障，指元件的参数随着时间或环境条件而偏离至不能 允许的程度，也就是超出了预定的容差范围。一般网络中元件产生硬故障已经改 变了网络的拓扑结构，但在模拟电路故障诊断中仍将它们看成是元件( 支路) 的 故障。所以，硬故障可以看成是软故障的一个特例，一般可诊断软故障的方法也 可诊断硬故障。 按电路中存在的故障数来区分，可将故障分为单故障和多故障。据统计口1 ， 在实际应用中，电子设备发生单故障的概率是故障总数的7 0 8 0 ，而且一些多 故障往往又是相互联系的，因此有时也可当作单故障来处理。例如，对于一个晶 体三极管模型，在故障诊断时可以作为一个元件来处理，它包含了输入电阻、电 流增益等多种可能的故障。 除了上述两种主要的故障类型分类方法，还有诸如独立故障、从属故障； 永久性故障、间歇性故障、偶然性故障等。各种类型的故障只是从不同的角度分 类，实际发生的故障可能属于其中的一个或几个类型。可见，模拟电路中故障的 类型呈现多样性与复杂性。 一般地说，模拟电路测试应完成下述三方面的工作： 1 ) 故障检测 根据所采集到的数据以及已知的电路结构与标称值，判断电路是否存在故 障。但是故障检测不能确定故障元件的位置和参数。相对而言，故障检测比较容 易，主要用于产品的检测。 2 ) 故障辨识 故障辨识也常称为故障诊断。在已检测到电路存在故障的前提下，确定存在 的故障总数，各故障元件在电路中的物理位置，如果需要，还可进一步确定或估 计故障元件的相关参数。对故障辨识的要求是准确唯一，这也是目前故障诊断中 的主要任务，对它的研究最多，困难也最大。 硕士学位论文 容差模拟电路复杂故障的测试与诊断 3 ) 故障预报 为进一步提高系统的可靠性和利用率，最好在系统发生故障前即能预报出将 发生故障的元件，以便提前更换或作其他处理，避免系统产生更大的事故，确保 系统长期正常运行。其中一个重要问题是尽量延长系统中的每个元件或部件的生 命周期。即尽量减少误报。 最后，列举一些目前模拟电路故障诊断领域的主要研究方向删： 1 ) 电路的模型和模拟 例如非线性器件模型，多口网络模型，复杂网络模拟，统计模拟等。 2 ) 元件容差问题 考虑正常元件容差条件下的故障诊断理论和方法。 3 ) 多故障诊断 4 ) 非线性模拟电路故障诊断 5 ) 大规模网络的故障诊断 例如分解网络技术，人工智能技术，分级诊断技术等。 6 ) 数字模拟混合电路的故障诊断 7 ) 利用微型计算机和微处理器进行故障诊断 8 ) 自维护系统 9 ) 可诊断模拟电路设计 硕士学位论文容差模拟电路复杂故障的测试与诊断 第二章故障诊断方法简介 2 1 故障诊断方法的分类 模拟电路故障诊断方法，有多种不同的分类方式n 吨1 。如按故障诊断的环境 区分，可分为在线诊断和离线诊断；按模拟形式区分，可分为故障模拟法和元件 模拟法；按被测试电路性质区分，可分为线性电路故障诊断和非线性电路故障诊 断；按激励信号法区分，可分为工作信号法，仿真信号法，单测试信号法，多测 试信号法，单频信号法，多频信号法。 现在对模拟电路故障诊断方法的分类常依据电路的仿真是在实际测试的先 或后。如果对电路的仿真是在现场测试之前实施，则称为测试前模拟法；电路的 仿真是于实际测试之后实施，则称为测试后模拟法。测试前模拟法中的主要方法 是故障字典法。这是数字电路故障诊断中常用的一种方法，也是模拟电路故障诊 断领域早期发展起来的主要方法。测试后模拟法主要沿着两个方向展开：元件参 数识别法和故障预猜验证法。除了上述三种主要诊断方法以外，还有一类方法称 作逼近法。它实际上包括测试前模拟法中的概率统计法与测试后模拟法中的优化 法两种。 图2 一i - i 所示为模拟电路故障诊断的典型分类方法。 i - 图2 - 1 - 1 模拟电路故障诊断方法分类 硕上学位论文 容差模拟电路复杂故障的测试与诊断 2 1 1 故障字典法 故障字典法n ，顾名思义，是把各种故障与其许多征兆之间的关系一一对 照，并整理字典形式的一种诊断方法。诊断时按测得的种种征兆在该字典中进行 检索，并按某种判别准则确定最可能的故障状态。因此，应用任何一种故障字典 法都包含以下三个步骤： 1 ) 明确故障的诊断范围 由于故障通常大都是元件参量变异，而模拟电路中元件参量的变值是连续 的，因此可以认为故障状态是无限多的，这显然无法在一本字典中完全罗列出来。 所以，在着手编制一本故障字典前，必须明确其诊断范围。一般总是根据元件的 可靠性与以往经验，把最常遇到的一些故障作为一本字典的诊断范围。通常认为 常见的故障大多是硬故障，即元件的开断或短路等，而很少是元件连续变值的软 故障。 2 ) 辨明故障征兆 每种故障都有其各种征兆。编一本故障字典时，首先必须把故障诊断范围 内的每一种故障的种种征兆搜集整理在一起，再按便于查找、检索故障的某种方 式进行编排。故障的征兆既可以用特定激励下的响应来体现，也可以用为了获得 某一特定响应的激励来表达，有时还需要用多种激励和其相应的多种响应来表 征，以便区别不同的故障。这些征兆一般总是在诊断测试前，通过对被诊断电路 的拟似而取得 3 ) 在线诊断要快速准确 当待诊断对象出现故障后，即按与编写字典时辨明故障征兆相同的步骤对 待诊断对象进行检测，再在字典中按所得征兆逐个查找。但实际中经常存在着这 样一种情况，即多个不同的故障有着相近的征兆，这时就需按一定的判别准则加 以区分，以确定它为某一故障。 根据激励源性质和所取特征量的差异，字典法还可分为直流故障字典、交 流( 频域) 故障字典和时域故障字典，对应的特征量分别是测试端口的直流电压 向量，频率响应和时域特征。 2 1 2 元件参数辨识法 在故障字典法中，网络的外部特性与元件参数之间的关系是用字典形式来 表示的，诊断时就根据这个字典形式的函数关系来确定网络的故障。这是在未深 入或没有条件深入认识网络响应与元件参数之间关系的情况下不得不采取的诊 断措施。事实上，响应与元件参数之间的关系在很多场合下是完全有可能用解析 硕士学位论文容差模拟电路复杂故障的测试与诊断 函数来表达的。给定了网络的拓扑结构及元件性质后，其外部特性就完全取决于 元件的参数值。元件参数辨识法故障诊断乜纠们的基本出发点就是通过网络的外部 特性与元件参数之间的解析关系来确定故障元件。具体的步骤如下： 1 ) 列出以元件参数为未知量的故障诊断方程。 设网络n 在激励信号“= 。，“：，u 。) r 作用下，可测端口上测到的响应为 y 一( y l ，y ：，y 。) r ，若元件参数厂一( r l , 吃，o ) 与激励信号u 独立无关，根据网络 理论可得 y i r i l l z ( 矗，2 ，一o ，u 1 ，“2 ，一戗删) i 2 1 ，2 ，e ae f q( 2 - 2 1 ) 上述方程组称为故障诊断方程组，其中激励和响应可以是电压，也可以是电 流；或一是电压，一是电流；或两者均兼有电压及电流。式中q 是指不同测试情 况，通常包括激励端口情况、激励信号情况、测试端口情况以及它们三者的组合。 故障诊断方程组式( 2 - 2 - i ) 应该既适用于线性网络，也适用于非线性网络。 由于网络响应与元件参数值之间的关系十分复杂，即使网络是线性的，其关系也 往往是非线性的，特殊场合下才是线性的。因此式( 2 - 2 - i ) 的方程组通常总是 一个非线性方程组。 2 ) 求解非线性方程组式( 2 2 1 ) ，从中解出所有的元件参数。 3 ) 将求得的元件参数值与电路参数的标称值进行一一比较，超过容差范围 的即为故障元件。 2 1 3 故障预猜验证法 实际上网络中经常出现的故障为数并不多，甚至只有极少数几个，如单故 障、双故障等；而网络中的大部分元件都是无故障的，它们的实际值与其标称值 比较接近，理想情况下便可认为这些无故障元件的实际值就是它们各自的标称 值。这样的话就可以预猜某几个元件作为一个假想的故障元件集。然后利用网络 可测端口的测试结果与这几个元件之间的约束条件来验证上述“故障元件集”的 假定是否正确。若验证结果表明预猜正确，一般便可由此确定这些故障元件的参 数值。但在有些情况下，根据预猜的“故障元件集”也难以确定出全部故障元件， 必要时还可进一步核实这些预猜通过的“故障元件 是否为真正的故障的元件。 若验证结果表明预猜有误或核实不符，则需要猜另一个元件集，并重复上述过程， 直至找到真正的故障元件为止。这就是有限故障的预猜验证法，简称故障验证法 2 s 一2 7 o 根据预猜故障的范围，故障验证法可分为k 故障诊断、故障定界诊断和网 络撕裂法等。 硕士学位论文容差模拟电路复杂故障的测试与诊断 2 2 几种故障诊断方法的比较 为了更好的比较上述几种故障诊断方法的优缺点及适用场合，我们从在线计 算要求、离线计算要求、可及节点、顽健性、故障类型等几方面进行了比较。 1 ) 在线计算要求 一个故障诊断方法所需的在线计算量应尽可能小，这意味着测试后拟似既 快，所需计算又很简单。 故障字典法通常所用的判别准则比较简便，例如是用最小距离规则等，诊 断结果十分明显，计算操作又非常简单。但当待诊断网络的规模较大时，字典势 必较厚，测试时间可能较长，此时在编写字典时应采用分卷的概念。对于元件参 数法，由于通常包含了非线性方程的求解，显见比较复杂费时。而故障验证法中， 在线计算要求只需处理线性方程，求解比较方便。 2 ) 离线计算要求 这是指具体测试前所需的计算量，其目的在于尽可能减少在线计算。 故障字典法中，首要步骤是建立字典，需要进行大量拟似计算，因此其离 线计算量之大可想而知。对于元件参数法，其测试前拟似仅用来验证测试信号及 所选测试节点能否获得良好的可测性，所以其离线计算要求相对于在线计算要求 是微不足道的。而在故障验证法中，测试计算主要是为了获得标称网络的必要信 息，计算量不是很大。 3 ) 可及节点 一般说来，测试节点愈多，诊断效果及诊断速度将愈佳。但实际上在模拟 集成电路中，测试端口很少，所以势必可及节点也不可能很多。 故障字典法通常只测试硬故障，因此只需要很少的测试节点。元件参数法 则需要较多的测试节点，方能满足网络中所有元件参量的可诊断性。而在故障验 证法中，一般要求测试节点数必须大于故障元件数，这对于具有很少的测试端口 的模拟集成电路，也是一个比较苛刻的要求，实际应用中很难满足。 4 ) 顽健性 模拟电路元件的实际值与标称值之间往往会有些偏离( 比如元件老化，或 由于工艺等原因所造成的偏差) ，对于那些偏离不大的，我们就说它处在容差范 围以内。若处于容差范围内的偏离对诊断所起的作用较小，则这一诊断方法便具 有较高的顽健性。由于模拟电路中元件的容差总是绝对存在的，所以研究容差模 拟电路的故障诊断是现在比较流行的一个方向。 故障字典法中，顽健性不高是它的一大弱点，容差的存在使可诊断性明显 降低。元件参数法的顽健性最好，在该方法中，求解的未知量便是待诊断网络中 所有元件的实际值，求解过程中有不牵涉到标称值。故障验证法是从非故障元件 硕士学位论文容差模拟电路复杂故障的测试与诊断 的实际值( 即标称值) 这一假定出发，因此容差的存在使这方法的故障定位变得 十分困难。 5 ) 故障类型 理想的诊断方法既能诊断单故障又能诊断多故障，不论这些故障是硬故障 还是软故障。 大多数字典法仅适用于单故障诊断，而且是硬故障。元件参数法能处理任 何类型的故障。故障验证法对单故障一般比较有效，也有可以解决多故障问题。 6 ) 诊断分辨度 诊断电路时，能将故障定位到元件一级是再好不过的事，但往往困难很大， 此时可考虑先定位到模块级。 大多数字典法能获得很高的诊断分辨度，但具体应用中也常遇到多种故障 状态难以区分的情况。元件参数法既能分辨到元件级也能分辨到模块级。而故障 验证法则先分辨到子网络，再从故障子网络识别故障元件。 7 ) 网络类型 待测网络可以有许多种类型：线性的和非线性的，含受控源的和不含受控 源的等等。我们希望的模拟电路故障诊断方法最好能处理所有类型的网络。 应用字典法类诊断非线性网络时，可在直流域或时域中进行。元件参数法 和故障预猜验证法都可以诊断非线性网络，不过此时所需的在线计算时间要求较 高。 综上分析，我们可以列出“三种诊断方法的比较表 如下： 表2 - 2 - 1 三种诊断方法的比较表 淤 在线离线可及 顽健性 故障诊断网络 诊断方法计算计算节点类型分辨度类型 故障字典法少多中等弱 蕈元件 线非线 元件参数辨识法多少中等强多元件线非线 故障预猜验证法中等少少弱多元件线非线 目标少中等少强多元件模块线非线 硕士学位论文容差模拟电路复杂故障的测试与诊断 第三章容差线性模拟电路故障诊断的新探索 通过对几种流行的故障诊断方法的总结比较，可见模拟电路故障诊断之所以 至今尚停留在探索阶段，未能充分应用于实际，其主要原因有- - 一是容差问题； 一是可测端口问题。可见，要使模拟电路故障诊断的理论与方法能够付之实用， 必须在元件容差、测试条件、故障性质与数量等方面有新突破：即排除元件容差 对诊断准确性的影响；不限定电路的可及节点或可及端口数量；不限定电路中故 障的性质( 软故障还是硬故障) 及数量。 正是因为实际上存在容差问题，因此故障字典法的应用受到了限制n 蚴3 ，它 只能处理一些常见的故障，覆盖率也不高。至于故障验证法1 ，容差问题更为 严重，因为它是假定非故障元件的实际值即为其标称值，实际应用更加困难。元 件参数辨识法由于不受容差影响，较有发展前途，是一个值得挖掘的方向。但已 有的该方法需要较多的测试节点和较大的在线计算量，这对于实际电路，特别是 集成电路实施起来往往比较麻烦晗蝴1 ，所以在其基础上我们在诊断方程的建立与 求解以及测试条件等方面进行了一番改进和探索。 本文首先研究线性模拟电路，详细阐述了改进的故障诊断方程的建立与求 解。然后，对于大规模线性电路，采用分块的方法将一个大规模的诊断问题转化 为几个相对规模较小的诊断问题，再加以解决。最后，研究了非线性模拟电路的 故障诊断，包括非线性静态电路和非线性动态电路。 3 1 故障诊断方程的建立单口多频激励法 首先，我们来研究线性动态模拟电路( 即含有电容、电感等动态元件的电路) ， 在本章的最后会简单提及关于线性静态模拟电路的故障诊断的处理方法。 由于是以元件参数法为基础，所以第一步是要建立故障诊断方程。故障诊断 方程的建立在以往已有不少的讨论n 2 瑚堋，比如采用符号函数法，先是利用拓扑 结构分析法生成符号传递函数( 用元件参数表示) ，然后用多频激励( p 个元件 参数，需加p 次不同频率的激励) ，由于符号传递函数与元件参数之间存在复杂 的非线性关系( 分母为r 1 个元件参数乘积之和，分子为n 一1 个元件参数乘积之和) ， 所以这样所建立的故障诊断方程比较复杂，其非线性程度很高，相应的计算也较 麻烦，而且生成符号传递函数十分费时，只能应用于小规模电路，不适用于大规 模网络。为了克服上述困难，我们提出了以不可及节点电压为辅助参量，基于节 点电压方程的诊断方法，将其称为单口多频激励法。 设线性动态模拟电路有p 个元件参数，( n + 1 ) 个节点，0 为参考点，l ，2 ， 硕士学位论文 容差模拟电路复杂故障的测试与诊断 m 为可及节点，m + l ，m + 2 ，n 为不可及节点，以l ( j ) 为激励电流源( 频率为 的正弦信号，接于节点l 和0 之间) ，如图3 一卜1 所示。 嚆1 2 o 一 图3 - 1 - 1 线性动态模拟电路 当= q 时，可得节点电压方程为： 瞰m 】吲2 1 1 1 ( j q ) 0 0 ( 3 - 1 - 1 ) 其中，1 ( j 蚴，x ) 为= 皑时电路的节点导纳矩阵，x 为p 个元件参数向量， v a ( 1 = v i o ) , 嘭1 ，曙1 为c o = q 时可及节点电压向量( 可测) ， v b l 一f 噶，喘，v n ( 1 为国= q 时不可及节点电压向量( 不可测) 。该方程组 有p 个元件参数和( n m ) 个不可及节点电压未知，方程数为r l 。一般情况下， p + 一m ) 以，故为欠定方程( 只有当电路为全树支电路，且每个节点可及时， 有p = m ，此时p + ( n - m ) = n ，才能通过一次测量解出p 个参数) 。但如果仿照上述方 法，使= 皑，鸭，进行k 次测试，则可获得r l k 个方程，这些方程中， 包含的未知数是p 个参数和k 仍一所) 个不可及节点电压。若 n k 乏p + k 仍一册) ，即k 苫p m ，则可对这些未知量构成完整约束。解此方程 组，即可求得p 个元件参数，然后将其与标称值比较，超过容差范围者即为故障 元件。 本方法中，建立的故障诊断方程是基于节点电压方程，这是在电路分析中 最常用的一类分析方法，适用于线性网络、非线性网络、有源网络、无源网络、 带受控源、不带受控源等各种情况，列写方程的过程简单，便于在计算机上实现。 同时，每一次测试中将不可及节点电压与p 个元件参数一起作为未知量，虽然方 程的个数增加了，但方程的结构简单了，其中非线性项仅是某一元件参数与某一 不可及节点电压之乘积，可见其最高次数为2 ，这种特殊结构的方程给求解带来 了方便，在后面的故障诊断方程的求解算法中我们会做详细讨论。最后，测试时， 激励口选择方便，只需要在一个可及节点的端口上施加激励信号即可，它与在多 个端口上同时或分别施加激励信号等价，都可以在每次测试中获得不同的信息量 ( 及方程之间彼此独立) 。单个激励口应该选择能使可及节点电压发生变化的端 口。例如，对于有源网络，一般选择原网络的输入口。同样，目的是为了每次测 硕士学位论文容差模拟电路复杂故障的测试与诊断 试能获得彼此独立的不同方程。 对于线性静态模拟电路( 即不含电容、电感等动态元件的电路) ，若不做特 殊的处理，本方法是无效的，因为改变测试频率，k 不随而变化，响应信号的 幅度和相位也不随而变化，所以多频测试只能获得与一次单频测试相同的信 息，即只能获得1 1 个独立方程，故无法求得p 个参数。但是，我们可以通过在可 及节点之间外接一个已知电容，将静态电路转化为动态电路后即可应用上述方 法。 3 2 故障诊断方程的改进 1 由于网络中只包含单一角频率为c o 的激励信号源( 初始相位假定为0 ) ，而 且网络满足正弦稳态条件口，故在正弦信号源的作用下，节点电压也是同频率的 正弦波，所以我们在建立节点电压方程时采用的是正弦稳态分析，即在处理中不 出现角频率和相位，只将激励源的振幅代入计算，最后在所得的节点电压上再加 上角频率和初始相位( 所得值中已包含最后的相位偏移量) 即可。而且由于我们 采用的是计算机模拟，前面模拟分析所得的可及节点电压是作为后面诊断方程的 已知量，并且前后是同一方程，只是未知量和已知量在分析和诊断时颠倒了一下， 所以作为中间变量的不可及节点电压完全可以只用幅值替代。 2 在式( 3 一卜1 ) 中，硭1 1 、吃、珞n 、1 1 1 ) 中的元素都是复数，而在实际的求 解中往往都是实系数方程来得更简便，所以进一步将故障诊断方程式( 3 一卜1 ) 转化为实系数方程。 为了方便，将式( 3 1 1 ) 简写成：1 吃1 一馨其中，1 一n ( j c o l ，x ) 是节点导纳矩阵，曙2 1 w d 】是节点电压向量，j p2 【l ( 1 ) o q ) ，0 ，o 是 激励电流源向量。 将上式写成实虚部的形式 ( 堪+ j 瑶) ( 曙+ j 馏) = ( 础+ j 1 ( x 。) ， 展开后可得 瑶卜谨+ j 础馏+ j 瑶卜谨一蜡卜馏= 础+ j 姑， 所以 f 堪卜谨一瑶卜曙= 础 i 瑶卜瑶一瑶卜咄一础7 进一步写成矩阵的形式 瞄绷引卦( 3 - 2 - 1 )i 瑶，瑶，i 【馏，j 2 i 磴，l 。 硕士学位论文 容差模拟电路复杂故障的测试与诊断 式( 3 - 2 一1 ) 就是第一次测试后所得的实系数化的故障诊断方程，后续每次 测试所得的方程与式( 3 - 2 - 1 ) 完全一样。 3 关于测试激励信号和测试次数k 由于故障诊断方程中所包含的独立方程个数必须等于未知量个数，因此要 使元件参数可解，就必须获得足够多的独立方程。一般说来，每进行一次不同的 测试，就可以得到若干方程，为了使这些方程之间相互独立，每次测试应适当改 变测试参数。广义地说，测试参数包括测试端及激励端的位置以及激励信号参数。 但是对于集成电路来说，其激励端及测试端只能限于可及端子，因此改变测试参 数往往需要在信号参数上下功夫。 在本方法中，我们选择固定在一个端口上施加激励信号，每次测试中改变 激励信号源的频率和幅度。这样，为了获得足够多的独立的诊断方程数，就必须 进行k 次测试。对于式( 3 一卜1 ) ，我们在前面已经证明，要对所有未知量构成完 整约束，则k p m ，其中p 表示元件的个数( 包括电阻、电容、电感和相关源 的跨导、跨阻、比例系数等) ，m 表示可及节点数。但是在推导得到式( 3 - 2 - 1 ) 后，我们发现，进