（电气工程专业论文）模拟和混合信号电路测试及故障诊断方法研究.pdf

模拟和混合信口 电路测试及故障诊断方法研究 摘要 随着现代电子技术尤其是数模混合电路和片上系统技术的发展 对模拟和混 合电路的测试及故障诊断的需求日益迫切 但由于模拟和混合电路本身的复杂性 使得传统的数字电路测试方法在模拟和混合信号电路测试及故障诊断中的应用前 景和人们的期望相差甚远 因此本文对模拟和混合信号电路的测试及故障诊断问 题进行了深入的研究 以现代测试技术为基础 提出了一些新的测试和诊断方法 本文的工作主要有以下几个方面 1 研究了混合信号电路的电流测试方法 稳态电流测试已成为一种重要的数 字电路测试方法被业界广为接受 瞬态电流测试作为传统测试方法的一个有益补充 也正受到越来越多的关注 但在混合信号电路中 电流测试的研究仍处在初级阶段 因此本文在这方面进行了一些有益的探索性工作 在对混合信号电路的稳态 瞬态 电流测试进行深入研究的基础上 本文提出了一种基于小波分析的混合信号电路动 态电流测试及故障诊断方法 所提出的动态电流测试方法为混合信号电路的故障检 测提供了一个有效手段 同时 所提出的基于小波变换的电流信号分析方法则有助 于快速实现电路的准确测试及故障诊断 电流测试中电流传感器的设计至关重要 因此该测试方案还包括了一个满足动态电流测试要求的电流传感器的设计 对实例 电路的测试实验结果表明了该方法的有效性 2 研究了模数转换器静态参数的内建自测试结构 模数转换电路的静态参数 作为表征模数转换器基本特性的参数 其测试的结果可成为系统性能评估的重要依 据 因此进行模数转换电路特性参数测试的研究有着重要的现实意义 直方图法广 泛用于模数转换电路静态参数测试中 但很少用于内建自测试的设计中 本文提出 了一种基于码密度直方图分析算法测试模数转换电路静态参数的内建自测试结构 该内建自测试结构包括一个用于生成测试信号的模拟信号发生电路 以及简化的模 数转换电路静态参数测量算法 该结构不仅硬件开销小 测试速度快 而且能够测 试独立的模数转换电路电路 仿真试验表明 该信号发生器能按设计要求准确生成 所需要的幅度 频率均可调的模拟测试信号 3 研究了基于遗传算法的模糊神经网络在模拟电路故障诊断中的应用 基于 传统神经网络的模拟电路故障诊断方法普遍存在网络收敛慢 易陷于局部最优等缺 陷 因此 本文提出了一种融合遗传算法的模糊神经网络聚类模型对容差模拟电路 故障诊断的新方法 该方法能对没有任何先验假设的测试数据进行准确的诊断 与 传统的普通神经网络相比较 这种方法给出的模糊神经网络的学习既包括网络权值 的修正 也包括模糊神经元中隶属度函数参数的调整 而且其模糊推理体现出来的 权值易于理解 这种方法对包括容差在内的多故障的模拟电路的故障诊断的准确率 博士学位论文 有了进一步的提高 而且诊断时间也进一步缩短 实例测试表明这种方法是有效的 4 研究了锁相环抖动的测量方法 锁相环电路广泛用于微处理器和通信系统 的模拟 混合信号芯片中时钟信号的产生 而时钟抖动的测量问题日益成为关乎现 代高速系统稳定性的一个重要部分 本文提出了基于有限长信号瞬时相位分析的 锁相环时钟抖动测量方法 该方法先采用基于双窗函数频域法实现的希尔伯特变 换来构造待测时钟信号的解析信号 再通过该解析信号分析待测信号的瞬时特性 从中提取出时钟的抖动 按该方法对实例含抖动时钟信号进行测试实验的结果表 明所测抖动与在待测时钟信号中加入的抖动一致 在窗函数的对比实验中 由于 基于双窗函数的谱分析方法极大地改善了快速快速傅氏变换的谱幅值估计精度 同时又没有降低谱的频率分辨率 因此该方法比其他方法表现出了更好的测量精 度 实验结果表明了该测量方法能有效实现p l l 输出时钟信号抖动值的准确测量 关键词 混合信号电路 故障诊断 电流测试 小波变换 内建自测试 模糊神 经网络 遗传算法 时钟抖动 模拟和混合信号电路测试及故障诊断方法研究 a b s t r a c t a sm o d e r ne l e c t r o n i ct e c h n o l o g yd e v e l o p sv e r yr a p i d l y t h er e s e a r c ho nt h ef a u l t d i a g n o s i st h e o r i e sm e t h o d sf o ra n a l o ga n dm i x e d s i g n a lc i r c u i t sa r eb e c o m i n gv e r y p o p u l a ra n da l s oc h a u e n g i n g h o w e v e r t r a d i t i o n a l t e s t i n gm e t h o d sa n df a u l t d i a g n o s i st h e o r i e sc a nn o tm e e tt h ea c t u a lr e q u i r e m e n td u ot ot h ed i f f i c u l t i e si n h e r e n t i n a n a l o g a n d m i x e d s i g n a l c i r c u i t s o nt h eo t h e rh a n d s o m e c o m p u t a t i o n i n t e l l i g e n c et e c h n o l o g i e sa n dm o d e mt e s tt e c h n o l o g i e sh a v ec o m ef o r t hi nr e c e n t y e a r s c o n s i d e r i n gt h e s en e wt e c h n 0 1 0 9 i e sm i g h tp r o v i d ep o t e n t i a ls o l u t i o nf o rf a u l t d i a g n o s i so fa n a l o ga n dm i x e d s i g n a lc i r c u i t s r e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o no fm o d e r n t e s ti sd o n ei nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s 1 t h er e s e a r c ho nt h ec u r r e n tt e s t i n gf o rm i x e d s i g n a lc i r c u i th a sd o n e t h e q u i e s c e n tp o w e rs u p p l yc u r r e n t i d d q t e s t i n gh a sb e e na c c e p t e db yt h ei n d u s t l i a l c o m m u n i t ya sa ni m p o r t a n tt e s tm e t h o du t i l i z e da b r o a di nd i g i t a lc m o si ct e s t i n g a n di th a se v e rw o r k e do u tm a g n i t u d ec o n t r i b u t i o nf 0 rt h et e s to fd i g i t a li c a n d b e i n gr e g a r d e da sa ne x t e n s i o no ft h ei d d qt e s t i n g t h et r a n s i e n tc u r r e n t i d d t t e s t i n g h a sd r a w nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s h o w e v e r m o s tp r e v i o u s l yw o r k w e r ef o c u so nd i g i t a lc i r c u i tt e s t i n g a n df e wc o n c e m e da n a l o ga n dm i x e d s i g n a l c i r c u i tt e s t i n g b a s e do nt h es t u d yo fp r i n c i p l e f e a s i b i l i t ya n dm e t h o do fc u r r e n t t e s t i n g aw a v e l e ta n a l y s i sb a s e dd y n a m i cc u r r e n t i d d t e s t i n gm e t h o di sp r o p o s e df o r m i x e d s i g n a lc i r c u f a u l td i a g n o s i s t h ei d dt e s t i n go f f e r sa ne f f e c t i v es o l u t i o nt o d e f e c t o r i e n t e d t e s t i n g o f m i x e d s i g n a l c i r c u i t t h et i m e f r e q u e n c yr e s o l u t i o n p r o p e r t yo fw a v e l e ta n a l y s i sh e l p st op r o c e s st h ei d ds i g n a t u r ef o rd e t e c t i n ga n d l o c a l i z i n gf a u l t e x p e r i m e n t sw e r ep e r f o m e do na2 b i tn a s ha d c c i r c u i ta s s o c i a t e d w i t hac u r r e n ts e n s o rm o n i t o r i n gt h es u p p l yc u r r e n t t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e p r o p o s e dm e t h o d sn o to n l yh a v eh i g h e rs e n s i t i v i t yt h a np u r ei n t e g r a la n df f t m e t h o d i nf a u l td e t e c t i o n b u ta l s oc a ne f i f e c t i v e l yi s o l a t et h ef a u l t yr e g i o ni nc i r c u i t f u r t h e r m o r e t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nd i f 佗r e n tm o t h e rw a v e l e t so nt h es e n s i t i v i t yo f f a u l td e t e c t i o ni sa d d r e s s e d 2 t h er e s e a r c ho nt h eb u i l t i ns e l ft e s t b i s t a r c h i t e c t u r ef o ra d cs t a t i c p a r a m e t e r st e s t i n g av e r yc l a s s i c a lt e c h n i q u eu s e dt od e t e n 1 i n et h es t a t i cp a r a m e t e r s o fa d c o f f s e t g a i ni st h eh i s t o g r a mm e t h o d t h eh i s t o g r a mm e t h o di sw i d e l yu s e d f o rt h ee x t e m a lt e s t i n go fa d c s h o w e v e r t h eh i s t o g r a m b a s e db i s tw i t hc o m p l e t e o n c h i pd e t e r m i n a t i o no ft h ea d cp a r a m e t e r si su s u a l l yn o tc o n s i d e r e da sav i a b l e 1 v 博士学位论文 s o l u t i o nb e c a u s eo ft h eh u g ea m o u n to fr e q u i r e da d d i t i o n a lc i r c u i t r y e s p e c i a u yt h e c i r c u i to fa n a l o gs i g n a lg e n e r a t o r t h u s s u c hh i s t o g r a m b a s e db i s ti sp r e s e n t e d t h e s c h e m ei n v o l v e sa n o n c h i ps i g n a lg e n e r a t i o n w h i c h p r o v i d e sa c c u r a c y t r i a n g l e w a v ea st h es t i m u l a n ts i g n a lo fa d ct e s t i n g t h eb i s th a st h ea d v a n t a g e so f h i g ht e s t i n gs p e e da n dl o w a r e ao v e r h e a df o re a s i l yi n t e g r a t e do nc h i p t h er e s u l t so f s i m u l a t i o ns h o wt h ep e r f o r m a n c eo ft h i sa r c h i t e c t u r e 3 t h er e s e a r c ho ng e n e t i ca l g o r i t h mb a s e df u z z yn e u r a ln e t w o r kf o ra n a l o g c i r c u i tf a u l td i a g n o s i sh a sb e e nd o n e as y s t e m a t i ca p p r o a c hc o m b i n i n gf u z z yn e u r a l n e t w o r k w a v e l e ta n a l y s i sa n dg e n e t i ca l g o r i t h mi sp r o p o s e df o rf a u l td i a g n o s i so f a n a l o g u e c i r c u i t s t h ep r e s e n t e df u z z yn e u r a ln e t w o r ki s d e v e l o p e dw i t h t h e i m p r o v e df u z z yw e i g h t e dr e a s o n i n gm e t h o d t h eo p t i m a lf e a t u r es e t si se x t r a c t e dt o t r a i nt h en e t w o r kb yu s i n gw a v e l e ta n a l y s i sa sap r e p r o c e s s o r t h i se n s u r e sas i m p l e a r c h i t e c t u r ef o r t h en e u r a ln e t w o r k a n dm i n i m i z e st h es i z eo ft h et r a i n i n gs e tr e q u i r e d f o ri t sp r o p e rt r a i n i n g a n dt h ea d j u s t i n go fc o n n e c t i o nw e i g h t sa n do p t i m i z a t i o no f m e m b e r s h i pf u n c t i o n sa r ep e r f o r m e dw i t hg e n e t i ca l g o r i t h m s t h er e l i a b i l i t ya n d c o m p a r i s o no ft h i sm e t h o dw i t ho t h e rm e t h o d sa r es h o w nb ya c t i v ef i l t e re x a m p l e s a n dt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t a lt e s t ss h o wt h a tt h i sm e t h o dc a ns a t i s f a c t o r i l yd e t e c t a n di d e n t i f yt h ef a u l t s 4 t h er e s e a r c ho nji t t e rm e a s u r e m e n to fp h a s e l o c k e dl o o p s p l l s h a sb e e n d o n e p l l sa r eu b i q u i t o u sc i r c u i tb l o c k si nr fa n dm i x e d s i g n a li n t e g r a t e dc i r c u i t s p l l sa r ee x t e n s i v e l yu t i l i z e da so n c h i pc l o c kg e n e r a t o r st os y n t h e s i z eah i g h e r i n t e m a lf r e q u e n c yf r o mt h ee x t e r n a l1 0 w e rf r e q u e n c y i na l lo ft h ea b o v ea p p l i c a t i o n s t h eji t t e ro fp l l si so n eo ft h em o s tc r i t i c a l p e r f b r m a n c ep a r a m e t e r sa n da f u n d a m e n t a ll i m i t a t i o ni nt h e s es y s t e m s t h u s a ni m p r o v e dm e t h o di sp r o p o s e dt o m e a s u r et h ej i t t e ro np l l so u t p u tc l o c ka c c u r a t e l y i nt h i sm e t h o d t h eji t t e ri s m e a s u r e db ya na n a l y t i cs i g n a lw h i c hi se x t e n d e df r o mt h er e a ls i g n a lo fp l lo u t p u t c l o c k a n dad o u b l ew i n d o wf u n c t i o n sm e t h o di su s e di nt h ef r e q u e n c ya n a l y s i st o o p t i m i z e t h ep e r f o m a n c e t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n sv a l i d a t et h es a t i s f a c t o r y p e r f o r m a n c eo fp r o p o s e dp l lj i t t e rm e a s u r e m e n t a n dt h eb e t t e r p e r f o r m a n c e c o m p a r e dw i t ht h eo t h e rm e t h o d s k e y w o r d s m i x e d s i g n a l f a u l td i a g n o s i s c u 玎e n tt e s t i n g w a v e l e tt r a n s f o m b u i l t i n e l ft e s t f u z z yn e u r a ln e t w o r k g e n e t i ca l g o r i t h m ji t t e r v 博士学位论文 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担 作者虢关豸职 日期 细侮彩月彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查 阅和借阅 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文 本学位论文属于 l 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密回 请在以上相应方框内打 作者签名 导师签名 期 复彳7 年 飙冲 日日月月 d f 移 博i j 学位论文 第1 章绪论 模拟电子电路故障诊断的研究自2 0 世纪7 0 年代开始 在世界范围内已取得 卓有成效的进展 并形成了比较系统的理论 成为继网络分析和网络综合之后网 络理论的第三大分支 当前 由于模拟电子电路v i s i v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e d c i r c u i t e s 超大规模集成电路 的发展和数字 模拟混合信号 m i x e d s i g n a l 电路的 广泛使用 对模拟和混合系统的测试和诊断提出了急迫的需求和更高的要求 l 许多专家也已经在此领域开展了相关理论的研究和方法的探索 并取得了一些进 展 但仍然存在很多问题有待深入研究 2 4 因此 本文研究了用于模拟和混合信 号电路测试和诊断的新方法 本课题的研究获得了国家自然科学基金项目 n o 5 0 6 7 7 0 1 4 高校博士点基 金 2 0 0 6 0 5 3 2 0 0 2 国家8 6 3 计划 n o 2 0 0 6 a a 0 4 a 1 0 4 湖南省科技计划项目 0 6 j j 2 0 2 4 教育部新世纪优秀人才支持计划 n c e t 0 4 0 7 6 7 资助 1 1 问题的提出 随着集成电路 i n t e g r a t e dc i r c u i t i c 技术的高速发展 电路的集成度和复杂 度不断提高 对电路的可靠性要求也随之提高 因此集成电路的测试愈来愈成为 计算机科学技术工作者关心的重要方向 而其中又以模拟和混合信号 m i x e d s i g n a l 电路的测试问题尤为突出 之所以强调模拟和混合电路的测试问题 是因为目前在集成电路设计中把模 拟 数字和混合信号电路集成到同一衬底的i c 上的现象愈来愈普遍 这种趋势就 是近年来i c 设计产业的发展目标 s o c s y s t e mo nc h i p 的设计 s y s t e m o n c h i p 可译为片上系统或者系统级芯片 这个概念是2 0 世纪9 0 年代提出来的 与以前 的设计形成鲜明的对比是以前一个完整的电子系统往往由许多不同的芯片构成 每个芯片分别行使不同的功能 而现在加入系统集成技术后 同样的电子系统只 需要一块芯片 便可以实现从前需多块芯片同时工作才能实现的功能 设计者期 望将模拟和数字器件集成在同一芯片上 以减少封装和装配成本 应用包括无线 通信 网络 多媒体信息处理 工艺控制和实时控制系统等 这些应用领域已经 得到飞速发展 混合信号硬件系统含有数字内核 通常用于数字信号处理 围绕 的模拟滤波器 a d 转换器 a d c 和d a 转换器 d a c 而其中混合信号测试是 s o c 进一步发展的瓶颈所在 它使得s o c 中测试成本远大于设计成本 图1 1 展 示了混合信号电路测试问题 模拟和混合信i u 路测试及故障诊断方法研究 模拟输入 数宁输入 图1 1 混合信号电路测试 模拟部分是数字芯片与真实世界的接口 模拟晶体管和元件个数比数字晶体 管少得多 模拟电路包含不到1 0 0 个元件 而数字部分目前已达到几百万个器件 在混合信号系统中 模拟电路信号的可观察性已有所减低 混合信号电路的大量 使用增加了i c 测试的难度 目前 模拟电路的测试成本超过这些电路制造成本的 3 0 而其还有继续升高的趋势 模拟电路自动测试设备 a t e 本身就比数字电路 a t e 成本高得多 模拟测试己成为系统成本的主要部分 具体说来 和数字电路的测试相比 模拟电路测试的复杂性主要体现在以下 几方面 1 1 1 模拟电路规模大小没有一个界限 电路的输入激励和输出响应都是连续量 网络中各元件的参数通常也是连续的 难以做简单的量化 由于故障参数是连续 的 因此从理论上讲 一个模拟元件可能具有无穷多个故障 所以不可能像在数 字系统测试中那样构造一部字典来 查阅 所有的故障 2 模拟电路中的元件参数具有很大离散性 即具有容差 由于容差实际上就 是轻微的故障 它们的普遍存在 其影响往往可与一个或几个元件的大故障等效 因此导致实际故障的模糊性 而无法唯一定位实际故障的物理位置 从模拟电路 故障诊断的实践看 元件参数的容差是实施正确诊断的最大困难 3 模拟电路模型化比数字电路困难 不存在广泛可接受的模拟故障模型 像 数字电路固定故障和路径延迟故障模型那样 在故障模拟过程中 模型化是至关 重要的 必须模型化和测试包含噪声的模拟电路 4 模拟电路的可分解性差 在模拟电路中 被测电路不能轻易地分解成很多 相对独立的宏模块进行测试 但在数字电路测试中 可对电路分块进行测试 5 模拟电路中的测试总线比数字电路难实现得多 将模拟信号传送到输出管 博l 学位论文 脚可能改变模拟信号和电路的功能性 在测试过程中 重新配置模拟电路通常是 不可接受的 而数字电路测试时是可行的 重新配置硬件会不可避免地改变模拟 电路转移功能 甚至关掉也会如此 6 在数字测试中可分别测试数字电路的逻辑功能性 固定故障 和时序性 路 径延迟故障 但是在模拟电路中 却不能分别和组合实现这两种类型的测试 由于模拟的测试存在上述各种特点和困难 因此不可能将数字系统中所使用 的测试方法简单地移植到模拟和混合信号电路系统中来 必须根据模拟和混合信 号电路的自身特点探索有效的测试理论和方法 1 2 模拟和混合信号电路测试研究现状 模拟系统的测试与诊断课题是近代电路理论的一个前沿领域 相关研究工作 始于2 0 世纪6 0 年代 1 9 6 2 年 r s b e r k o w i t s 发表了关于模拟电路故障诊断方面 的早期研究工作 从而揭开了模拟电路故障诊断研究的序幕 5 1 1 9 7 9 年 n a v i d 和w i l l s o n 在文献 6 中论证了线性电阻电路元件值可解的充分条件 进一步奠定 了模拟电路故障诊断的理论基础 之后 该领域的研究迅速活跃起来 不断有新 的理论和方法涌现 然而由于模拟电路自身的特殊性使得模拟电路故障诊断具有 较大的难度 进展一直比较缓慢 因此即使到了9 0 年代 模拟电路的故障诊断无 论在理论上还是方法上均未完全成熟 可付诸广泛实用的技术还比较少 从国内 情况来看 我国在故障诊断领域的研究较西方发达国家稍晚 大概始于7 0 年代末 虽然起步较晚 但是经过是近十几年的努力 我国已经基本跟上了国外在此方面 的步伐 在某些理论研究方面已经和国外不相上下 总的说来 目前国内外关于 模拟电路测试 诊断的理论和方法可归纳为传统模拟电路故障诊断方法和现代模 拟电路故障诊断方法 传统模拟电路故障诊断方法主要有 故障字典法 7 1 3 元 件参数辨识法 1 4 故障验证法 15 1 引 现代模拟电路故障诊断方法主要以基于智能 计算的方法为代表 故障字典法 f a u l td i c t i o n a r y 是目前模拟电路故障诊断中最具有实用价值的 方法 它的基本思想是与数字系统的故障诊断相似 即预先根据经验或实际需要 确定所要诊断的故障集 然后求电路存在故障集中的一个故障时的响应 求响应 的方法既可以在计算机上仿真 也可以在实际电路上仿真 然后将所得到的响应 做必要的处理 作为对应故障的特征 将它们编撰成一部故障与特征对应的字典 在利用这部字典做实际电路的诊断时 对被测电路施加与测前模拟时完全一样的 激励和工作条件 取得相应的特征 最后在故障字典中查得与此特征对应的故障 如果字典中每个故障对应的特征都是不同的 则所查到的故障一定是唯一的 由 于模拟电路中元件的故障参数是一个连续量 测量响应的数据引入误差是不可避 免的 最困难的是各元件都有一定的容差 因此利用字典法即使诊断硬故障 其 模拟和混合侪i u 路测试及故障诊断方法研究 效果也不如数字系统中的字典法诊断 文献 8 虽然提出一种可以诊断容差模拟电 路软故障的故障字典法 但主要还是基于传统的故障字典法 诊断效果提高并不 显著 而且一般的说 字典法只能解决单故障诊断 元件参数辨识事实上是系统参数估计 它是在取得足够的独立数据后 根据 网络的结构去估计或求解网络中每个元件的参数 如果一个元件参数超出预先所 确定的容差范围 则认为它是一个故障元件 文献 1 4 提出的基于系统辨识的故障 诊断方法克服了对可及测试点的苛刻要求 但是 因为只有在解得网络中所有元 件的参数之后 才能断定网络中有多少个元件故障 哪些元件存在故障 由于一 般网络所包含的元件数较多 标志这些元件特征的参数量 即方程中的未知量是 很多的 欲求出这些未知量所需的方程数目也是很大的 而且这些方程多是非线 性方程 所以求解这些方程是一件很艰巨的工作 通常需要大型计算机来完成 此外由于这些工作都是在测试后进行的 所以做实时诊断是很困难的 虽然现有 一些成熟的方法将其中的非线性方程转换为线性方程 但由于同时增加了许多中 间变量 方程个数也有相应的增加 所以总的计算量仍是相当可观的 故障验证法是在获取 不完整 的有限故障信息的基础上作诊断 实施比较 方便 且具有较好的实用前景 因此引起了许多学者的兴趣 所取得的研究成果 也比较多 故障验证法的基本思想是 预先猜测电路中的故障所在 然后根据所 测数据去验证这种猜测是否正确 如果二者吻合 则认为猜测正确 故障定位工 作结束 根据预猜故障的范围 故障验证法又可分为k 故障诊断 故障定界诊断 和网络撕裂法等 k 故障诊断的预猜对象是故障元件的集合 文献 1 5 研究了线性 电路k 故障诊断法的有效范围 讨论了提高电路可诊断性的各种途径 并给出了 多激励条件下电路k 故障诊断的条件 但该研究未能推广到非线性电路的故障诊 断中 而故障定界诊断的预猜对象是 故障元件在其中哪一个子集中 即哪个子 集中包含所有的故障元件和部分无故障元件i l 酬 网络撕裂法的预猜对象是 故障 元件在网络元件集的哪些子集中 由于网络撕裂法逐渐将网络撕裂成若干子块 因此对每次猜测的验证工作量可逐渐减少 所以总的计算工作量较少 s a l a m a 等 人于19 8 4 年首先提出了基于网络撕裂的子网络级诊断方法 判断有故障的子网络 但该方法对电路的撕裂是破坏性的 这在实际诊断中是不容许的 1 7 j 此后 文献 1 8 对这种方法进行了改进 但是依然存在计算量大 诊断速度慢等问题 随着信息处理技术的不断发展和深入 上述传统模拟故障诊断方法也朝着智 能化的方向发展 逐渐形成了现代模拟故障诊断方法 目前 国际上主要以人工 智能的诊断方法为主 早在2 0 世纪7 0 年代 模糊技术就被应用于模拟电子系统的故障诊断 引 到 2 0 世纪9 0 年代 神经网络逐渐被应用于模拟电路的故障诊断中 2 叶 j 文献 2 3 提 出用r b f 网络实现模拟电路元件级和子系统级的软故障诊断 文献 2 4 1 则比较了 博j 学位论文 r b f 网络和模糊技术对电路软故障的诊断效果 文献 2 5 提出了用基于r b f 和b p 网络的方法实现具有容差的模拟电路故障诊断 文献 2 6 则采用模糊神经元作为神 经网络隐层的神经元 通过b p 网络实现c m o s 运算放大器的故障诊断 文献 2 7 提出了利用多层感知机分析电路直流响应特征的方法来检测和辨识故障元件 文 献 2 8 则先用模糊成员函数对模拟电路阶跃响应测试数据进行模糊与处理 然后再 输入到多层感知机中实现故障诊断 文献 2 9 利用拉格朗日插值和神经网络特征化 的方法来模拟电路故障 文献 3 0 讨论了傅立叶变换 小波变换和主元分析对基于 神经网络故障诊断方法的影响 文献 31 研究了基于矢量学习机神经网络和聚类算 法的模拟电路故障诊断方法 文献 3 2 3 4 则分别提出了基于贝叶斯神经网络 时 延神经网络和概率神经网络的模拟电路故障诊断方法 上述方法普遍存在网络结 构设计没有理论依据的不足 小波分析的出现也为模拟电路故障诊断的研究带来 了进展 文献 3 5 提出用小波变换压缩电压特征值的方法提取故障特征 而文献 3 6 3 7 对模拟电路的脉冲响应信号进行小波分析 再用神经网络实现模拟电路故 障诊断 但此类方法基本都局限于用小波变换做数据预处理 从而简化网络结构 加快学习速度 虽然诊断效果有所改善 但离在线实时诊断还有距离 国内也在现代模拟电路故障诊断方法的方面做了大量工作 提出了很多用于 模拟电路故障诊断的神经网络 3 跏6 0 文献 4 3 提出用遗传算法优化b p 网络 但还 不够成熟 文献 4 4 4 6 提出了基于模糊神经网络的模拟电路故障诊断方法 但隶 属度函数的选取仍然是个难题 文献 4 7 提出了模糊b p 网络故障分类器融合被测 元件参数的诊断方法 但实现过程较复杂 文献 4 8 5 2 分别应用小波变换和小波 包变换从被测电路的输出电压响应中提取故障特征 结合神经网络实现电路故障 的诊断 而文献 5 3 则从电路的电流角度进行分析 从而实现故障诊断 但网络容 易陷入局部收敛 文献 5 4 提出了基于紧致型小波神经网络的诊断方法 比普通 b p 网络训练速度快 准确率高 容错能力强 但还是存在易陷入局部收敛的不足 文献 5 5 提出用小波基取代传统神经网络激励函数的小波神经网络 该方法具有学 习收敛速度快 对网络输入不敏感的优点 但网络结构的设计仅凭经验 文献 5 6 5 8 提出了基于撕裂法和集团法的大规模模拟集成电路的神经网络故障诊断方 法 该方法要求满足严格的撕裂条件 且要构造多个b p 网络 文献 5 9 提出了基 于主元分析的神经网络诊断方法 该方法具有准确率高的特点 不过网络隐层节 点数的确定缺乏理论依据 文献 6 0 构造了一种新型神经网络电路故障专家系统 不过仅给出了理论架构 结合小波分析 文献 6 l 6 3 提出了小波神经网络诊断模 拟电路故障的方法 在非线性模拟电路故障诊断方面 国内也取得了不少成果 文献 6 4 提出了用 v o l t e r r a 级频域核作为故障特征对弱非线性定常动态网络进行故障诊断的方法 该 法对被测对象内部参数依赖小 但数据量大 且仅对弱非线性电路有效 文献 6 5 模拟和混合信i j i u 路测试及故障诊断方法研究 则提出利用优化正弦谐波信号作为系统激励信号测量v o l t e r r a 频域核的方法 将所 测v o l t e r r a 频域核作为故障特征对非线性模拟电路进行故障诊断 但只对简单非线 性电路进行了事例验证 文献 6 6 提出了基于系统灵敏度分析的非线性函数传递 法 实现非线性电路的系统辨识 文献 6 7 提出了一种利用新的雅可比矩阵计算方 法和迭代算法 从非线性诊断方程角度研究了非线性电路的故障诊断理论和方法 文献 6 8 提出了只需求解线性故障诊断方程即可实现非线性电路故障诊断的方法 文献 6 9 则将节点故障诊断方法推广提出非线性电路故障诊断方法 但对具不可测 节点的非线性电路故障诊断问题效果不理想 文献 7 0 提出了利用矩阵理论 w o o d b u r y 公式分解扰动电路的导纳矩阵诊断扰动元件参数偏移量和非线性元件工 作区间的新方法 文献 7 1 提出了似故障增量电路法 该法基于所构造的似故障增 量电路 用线性方程诊断非线性电路中的多故障 但未应用到实际工程中 文献 6 3 7 2 7 3 则提出了结合神经网络的非线性电路故障诊断方法 在测试手段方面 当前模拟电路测试主要采用基于d s p 的自动测试仪 a t e a u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t 和传统模拟测试仪相比 基于d s p 的a t e 具有以下优 点 7 4 1 精度 由于数字信号处理后的波形采样集合的误差远小于单个采样的误差 因此基于d s p 的a t e 通常比纯模拟测试设备更精确 由于模拟波形被数字化 d s p 测试仪的串扰 噪声和信号飘移大大减小 2 速度 基于d s p 测试仪采用 个继电器开关周期 一个采样周期和一个建 立时间可获得一个被测器件 d u t 的采样集 那么 采用离散傅立叶变换 d f t 或 快速傅立叶变换 f f t 分析可产生许多不同的仿真的模拟测试设备测量 对于多个 测量 d s p 测试仪在时间方面比采用多个模拟设备更有效 例如 d s p a t e 可进 行一个f f t 计算 然后根据计算结果导出许多仿真的仪器测量 d s p 测试仪消除 了模拟a t e 本身所固有的滤波器建立时间 3 操作容易 在基于d s p 的a t e 之间 测试是可重复的 因为其中大多数 是数字的 而不是模拟的 d s pa t e 的校准比较简单 由于大多数仪器是数字的 而不是模拟的 软件可存储偏差和获得调整因子 当测量开始时自动利用这些参 数 d s pa t e 可减小维护 由于大多数仪器是数字的 而不是模拟的 因此技术 员较少对连续的变量进行电子调节 4 模型化方便 d s p a t e 比纯模拟a t e 可更容易模型化无缺陷的和有缺陷的 器件 d s pa t e 是非常灵活的 操作人员可通过计算机控制台改变测试条件 而 不需要调节仪器上的许多模拟控制 5 更多的测量信息 d s pa t e 为期望的参数提供附加的信息 如d s p 峰值检 测器不仅报告峰值 而且及时报告峰值的位置 6 体积和功耗 通用d s pa t e 比传统模拟a t e 体积小 便宜且功耗小 博i 学1 蕾论文 然而 d s p a t e 也存在以下不足 1 价格昂贵 尽管由于v l s e 技术其成本在不断下降 但精度的位数要求和 宽带要求导致昂贵的数字信号处理器 功能测量所要求的大量f f t 计算也带来昂 贵的成本 然而 对于混合信号a t e 主要成本来自数字管脚 2 当只进行一个测量时 传统的纯模拟测试仪是非常便宜的 3 对于不熟练的操作人员 仪器的灵活性是个问题 操作人员需要了解仪器 的原理 4 要求测试工程师了解每种测试的物理和数学基本原理 测试误差来源和 d u t 误差来源 可见 单纯靠目前d s p a t e 的技术无法解决模拟 混合信号电路测试的所有 问题 因此在未来 仍需发展和完善其他能有效实现模拟 混合信号测试的方法 和技术 1 9 8 1 年 l e v i 提出了c m o s 电路的稳态电流 i d d o 测试方法 7 5 l 受到了学者 及工业界极大的重视 文献 7 5 7 8 的研究更是奠定了i d d o 测试的基础 该方法提 出之初 大众哗然 这主要由于电流测量速度慢 而且与逻辑功能很难联系起来 但是 经过近多年来的研究和实践 i d d o 测试的优点越来越显现 目前已经成为 一种被工业界广为接受的c m o s 集成电路测试方法 并得到了广泛的应用 7 9 8 1 1 但c m o s 电路中的某些故障 例如部分开路故障 就不能用静态电流方法或电压 方法检测出来 后来发现 观察动态电流给人们提供了一个透视电路内部开关性 能的窗口 于是近年来 人们开始研究是否可以用测量动态电流 i d d t 的办法来检 测c m o s 集成电路的故障 8 2 8 3 1 动态电流测试作为电压测试和静态电流测试的一 种补充手段逐渐受到人们的重视 早期的i d d o 测试方法是等电路稳定后测量漏电流 再与事先定好的阈值比较 即可得出检测结果 这是因为早期电路规模不大 好电路与坏电路的i d d o 差别很 大 电流分布没有重叠 但是随着i c 技术向深亚微米方向发展 用一个固定的阈 值作为好电路与坏电路的分界显得越来越困难 在深亚微米技术中 随着晶体管 尺寸的缩小 为减小芯片的功耗 不得不降低电源电压 同时晶体管的阈值电压 也