（计算机应用技术专业论文）基于特征距离和性能分析的混合电路测试.pdf

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 作者签名 椭争 日期 渺叶年l7 月a 曰 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 n p 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 不保密团 请在以上相应方框内打 作者躲砖嘲南7 导师签名 岁f 矾纠t 日期 a 亨 4 年l1 月a1 日 日期 及时毕年f 月a 7 日 硕 学位论文 摘要 随着微电子技术的发展 大规模集成电路和超大规模集成电路的电路密度不 断增加 这使得集成电路的测试难度增加 而数模混合电路的应用更使测试的难 度增大 数模混合电路的故障诊断一直是个难点 也是电子系统集成技术的重点 研究方向之一 我们急需运用新的理论 新的方法来解决此问题 伪随机测试技术是一种测试线性时不变模拟电路元件的1 种新的有效的方 法 它不直接测试电路的性能参数 而是通过分析输入 输出随机过程的统计量 构建特征空间 通过在特征空间中分析 来对电路有无故障进行分类 本文所做的主要工作 通过分析特征空间中电路集的协方差矩阵 本文利用每个电路在特征空间中 到电路集的距离概念 计算出待测电路到无故障电路集和有故障电路集的距离 并通过比较这两个距离的大小关系来判别电路有无故障 对电路进行分类 直接 在m 维特征空间分析待测电路 从而不必在m 维空问中挑选特征对 利用特征对 分析电路有无故障 本文给出了一种基于混合电路性能分析的电路参数估计的方法 该方法可以 根据电路性能参数的不同要求 设置性能的不同容差范围 从而得到电路的组成 电子元件的容差范围 该方法具有很强的实用性 灵活性 基于最优化理论 我 们建立数学模型 利用数学软件m a t l a b 解决该问题 关键字 混合电路测试 伪随机测试技术 特征空帕 多元统计分析 电路 性能分析 最优化理论 兰 皇竖堑丝兰童 丝墼墼堡窒皇丝型篁 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y e s p e c i a l l ym i c r o e l e c t r o n i c s t h ed e n s i t yo f l s ia n dv l s ii s i n c r e a s i n g t h i sm a k e st h et e s to fi c sm o r ed i f f i c u l t a n dt h e a p p l i c a t i o no fd i g i t a la n da n a l o gm i x e d s i g n a lc i r c u i t sa l s om a k e s t h et e s tm u c h m o r ed i f f i c u l t i nt h es a m ew a y t h er e s e a r c ho ft h ef a u l td e c t e c t i o no fm i x e d s i g n a l c i r c u i t si sa l w a y sad i f f i c u l t y a n di ti sa l s oo n eo ft h ei m p o r t a n tr e s e a r c ha s p e c t s i ti s u r g e n tf o ru st ou s en o v e lm e t h o d sa n dn o v e lt h e o r i e st os o l v et h i sp r o b l e m t h ep s e u d o r a n d o mt e s t i n gt e c h n i q u ei san e wa n de f f i c i e n tt e s t i n gm e t h o df o r l i n e a rt i m e l n v a r i a n t l t i a n a l o gc o m p o m e n t s w h i c ha n a l y z ec i r c u i ti ns i g n a t u r e s p a c e f o rc l a s s i f y i n gf a u l t y f r e ea n df a u l t yc i r c u i ti n s t e a do fd i r e c t l ym e a s u r i n g p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s t h es i g n a t u r es p a c ei sg e tf r o ma n a l y z i n gt h es t a t i s t i c a l c h a r a c t e ro ft h ei n p u ta n do u t p u ts t o c h a s t i cp r o c e s s e so ft h ec u t c i r c u i tu n d e r t e s t i n g t h i sm a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s t h i sp a p e ru s e sad i s t a n c ec o n c e p to fe v e r yc i r c u i tt oc i r c u i t ss e ti ns i g n a t u r e s p a c et h r o u g ha n a l y z i n gt h ec o v a r i a n c em a t r i xo fc i r c u i t ss e t s ow ec a nc a l c u l a t et h e d i s t a n c e so fac u tt of a u l t f r e ea n df a u l t yc i r c u i t ss e t a n dc a nd i s t i n g u i s ht h e f a u l t f r e ea n df a u l t yc i r c u i tt h r o u g hc o m p a r i n gt h et w od i s t a n c e s a n dd i r e c t l ya n a l y z e t h ec u ti nm d i m e n s i o ns i g n a t u r es p a c ei n s t e a do fs e l e c t i n gt h es i g n a t u r e p a i ro f m d i m e n s i o ns i g n a t u r es p a c et oa n a l y z et h ec u t t h i s p a p e ra l s o d i s c u s s e sac i r c u i tp a r a m e t e re s t i m a t em e t h o db a s e do n m i x e d s i g n a l c i r c u i tp e r f o r m a n c ea n a l y s i s t h i sm e t h o dc a ns e tt h ed i f f e r e n t p e r f o r m a n c er a n g ea c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n td e m a n do nc i r c u i t p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s ot h i sm e t h o dc a nc a l c u l a t et h ec o m p o n e n tv a l u er a n g e a n di t h a ss t r o n g p r a c t i c a b i l i t ya n df l e x i b i l i t y w es e tu pam a t h s m a t i c a lm o d e lb a s e do no p t i m i z a t i o n t h e o r y a n ds o l v et h i sp r o b l e mb yt h em a t h s m a t i c a ls o f t w a r em a t l a b k e y w o r d s m i x e d s i g n a lc i r c u i tt e s t i n g p s e u d o r a n d o mt e s t i n gt e c h n o l o g y s i g n a t u r es p a c e m u l t i v a r i a t e s t a t i s t i c a la n a l y s i s c i r c u i tp e r f o r m a n c ea n a l y s i s o p t i m i z a t i o nt h e o r y 一 i 一 硕十学位论文 图2 1 图2 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图4 1 圈4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 插图索引 线性系统示意图 自噪声通过线性系统 n 位线性反馈移位寄存器 一 高斯分布白噪声发生器 2 3 级m 序列发生器 m 序列的时间波形 带通滤波器 带通滤波器的频幅特征曲线 m 序列通过带通滤波器后的平稳随机噪声的实时采样波形 被测模块 用不同的统计量构建特征空间的硬件实现 一 a 1 k h z 低通滤波器b 1 0 0 h z 低通滤波器c 带通滤波器 电路x 2 无故障和f 6 故障的冲激响应 一 测试框架 输入序列l 长度不同引起h t 值的变化 互相关函数采样 采样频率对互相关函数的影响 8 位a d c 条件下r x y 和理论值的比较 电路x l x 2 电路x 1 的实验结果 电路x 2 的实验结果 一般情况下故障的分类 电子器件的最大偏差 被测电路 实测电路 一 他h 加扒n 篮丝卯 嬲如如弛 弘弭知铊们钙拍卯档 硕士学位论文 第1 章绪论 随着科学技术和生产的发展 尤其是微电子技术的发展 大规模集成电路 l s i 超大规模集成电路 v l s i 的电路密度不断增加 而引脚数却有一定 的限制 许多电路封装在电路内部 从外部进行观察和控制很困难 集成电路 的测试难度越来越大 为了满足大规模集成电路测试的要求 人们提出了许多 测试生成算法 如布尔差方法 d 算法和p o d e m 算法等等 而由于时序电路 测试的复杂性 8 0 年代末又提出了专家系统的方法 基于模拟的测试生成方法 等等 但是电路规模的增大使得测试生成的时间 测试时间以及所需数据量 都在飞速的增加 造成测试成本随着电路复杂程度的提高几乎以指数方式增加 甚至出现测试成本与研制成本倒挂的局面 因此 人们现在越来越认识到研究 测试方法的迫切性和重要性 不同领域的研究人员已经从不同方面研究了电路设计与测试 在数字电路 的测试领域 人们已经取得了一定的成果 因为数字电路的离散特性 其可测 性问题相对较简单些 而模拟电路中的元件值可存在一定的容差范围 而不是 精确的标称值 故其可测性研究比较麻烦1 2 1 尽管在这一领域也做过一些研究 取得了一定的进步 但是模拟电路的自动设计 自动测试工具还是不像数字电 路的那样成熟 还需要做大量的工作 如果待测电路同时含有模拟和数字信号 那么可测性问题就变得更加复杂 目前对数模混合电路的测试与诊断研究甚少 对数模混合电路和模拟电路的测试主要运用直接测试的思想 采用特例的方法 这种方法通常会导致故障覆盖率低 设计过程循环重复和设计时间长等结果 3 5 1 电子市场的需求和集成电路技术的发展 促使混合电路获得迅速发展 由 于电子系统 特别是便携式电子产品对i c 减少体积 增加系统的可靠性 提高 性能 降低成本有着很强烈的要求 这必然要求能把复杂的模拟电路和数字电 路集成在一个芯片上 目前半导体技术发展已能在一个芯片上集成近亿支元器 件 据估计 大约6 0 的i c 芯片包括数模混合电路 数模混合电路复杂程度 的增长将使得模拟混合电路设计和测试的针对特例的方法失效 因此急迫地需 要一个能够解决数模混合电路测试性且易于在计算机上实现的统一的 系统的 方法 3 i t6 1 近年来基于伪随机激励的混合电路的测试得到了发展 7 伪随机测试技 术的主要特征是用于测试的激励是随机信号 其特点是不直接的测试电路的性 能参数 而是通过测试电路的冲激响应 把性能参数空间映射到特征空间 在 量兰丝丝丝塑型 丝 坌丝竺堡竺羔2 塑堕 特征空间进行分析 判定电路有无故障 伪随枧测试技术适用于待测电路的元 件难以直接测试的情况 另外 这种测试方法也非常适用于b i s t 测试 1 1 数字系统的测试 早期的电路测试主要是靠人的参与来查找故障的 是由熟练的技术工人根 据积累的经验和理论知识 并借助一些仪器 如万用表和示波器等 对存在的 系统故障使用直观的方法进行寻找 虽然也用到一些专门的设备和少量程序 但只是维护人员以分析问题的一些辅助手段 这种方法对维护人员的业务水平 和经验的依赖性很大 对于一些难以分析和难以查找的故障往往要停机很长时 间 随着系统规模的增大和复杂性的增加 单凭手工测试几乎是不可能的了 这迫使人们研究新的方法和技术来完成这项工作 人工诊断就逐步为机器诊断 所代替 产生了系统的诊断理论 1 9 5 9 年 埃尔德雷德 e l d r e d 首先提出了组合电路计算机自动进 i 测试 的方法 并将此方法用于第 代的电子管计算机d a t a m a t i c 一1 0 0 0 计算机的诊断 中 揭开了电路测试的序幕 1 9 6 6 年 d b a r m s t r o n g 根据e l d e r d 的基本思想 提出了一维通路敏化的方法 他提出的是一维通路敏化的方法 这种方法虽然 能够解决组合电路的部分诊断问题 但是它始终未能生成一种完全的算法 存 许多的场合f 会遇到诊断问题难以解决 1 9 6 7 年 施条德 s c h n e i d e r 提出了 一种反例 使用一维通路敏化法检测不出电路中存在的一个可测故障 1 9 6 6 年 r o t h 等人提出了基于立方体运算的5 值d 运算 实际上是 种多维敏化法 它 克服了 维敏化法的局限 d 算法成为第一个建立在严格理论基础上的组合电 路测试生成算法 r o t h 的d 算法从理论上解决了组合电路的测试问题 但是在 处理故障的敏化和传播的搜索过程中 没有利用相关策略 使得效率低下 d 算法的发展具有代表性的是1 9 8 1 年由g o a l 提出的通路判定的p o d e m 算法 j3 1 又称通路判定法 它采用了深度优先的反向追踪策略 吸收了穷尽算法的优点 将d 算法中对d 驱赶模式和相容性运算模式的两种穷举搜索变成只对与目标故 障逻辑相关的那些初级输入赋值的一种穷举搜索 避免了许多盲目的试探 减 少 d 算法巾网溯与判决的次数 提高了效率 但是p o d e m 重复判定和反向 追踪的次数仍然很大 为了加速测试牛成 1 9 8 2 年f u j i w a r a 等发表了面i 甸扇出 的f a n 算法f l f a n 算法丰富和发展了测试生成算法的基本思想 且运行速 度较快 故障覆盖率较高 近年来得到了进1 一步的发展 s e l l e r s 等人在1 9 8 6 年提出了布尔差分法 它是通过对数字电路布尔方程式的差分运算来求得测试 能获得测试集的一般表达式 可以求出所给故障的全部测试矢量 由于它将电 路描述为数学表达式 从而可进行严密的数学推导 因此有较高的理论价值 硕士学位论文 但是该算法的运行效率不如d 算法 近年来人们不仅对已有测试算法做了进一 步的完善 而且提出了若干新的测试生成算法 例如层次式测试生成 专家系 统方法 b d d 测试生成方法 基于遗传算法的测试生成算法 基于电网络的测 试生成算法等 12 1 钉 与此同时 国内学者在测试生成理论和应用研究方面 也取得了许多进展 我国学者魏道政教授提出的多扇出分支计算的主通路敏化方法以及较为直观的 图论法 1 6 d 在实际应用中显示出较大的优越性 国防科技大学曾芷德教授提 出的g f 二值算法采用布尔差分的数学描述形式 d 算法的立方体运算方式 并用g f 值分开的二值逻辑运算实现了九值逻辑运算的功能i l 从而简化了算 法的程序实现 提高了算法效率 该算法还首次提出了门级和功能块级电路 组合电路和时序电路测试生成的统一处理 中科院阂应骅教授提出的 布尔过 程论 的研究和应用也为电路测试理论的发展提出了新的思想 1 9 2 0 这些研究 不仅完善了逻辑测试方法的理论 对于实践也具有重要的指导意义 在电子电路的发展过程中 模拟电路比数字电路出现得早 但是数字电路 的发展速度却比模拟电路要快得多 而且仍在日新月异地高速发展 分析其中 的原因可知 除了军事和工业部门对数字系统有急迫地需求 数字i c 制造相对 比较简单 集成度易于提高和可靠性比较高等因素以外 数字系统的测试与诊 断的研究取得突破性的进展 并这些研究成果已广泛应用于生产之中 也是其 中重要的原因 1 2 模拟系统的测试 在模拟系统中 故障可分为两大类1 2 卜2 2 一类称为硬故障 指元件的开路 和短路失效故障 另一类称为软故障 指元件的参数超出预定的容差范围 一 般它们均未使设备完全失效 例如 由于元件的老化 变质或使用环境的变化 等造成元件参数变化 按电路中存在的故障数束区分 可将故障分为单故障和多故障 据统计 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处理 严格的浇 网络中元件产生硬故障己改变了网络的拓扑结构 但在模拟电 路故障中仍将它们看成是元件 支路 的故障 电路中发生硬故障 经常导致 系统严重失效 甚至完全瘫痪 而发生软故障一般仅仅引起系统性能的异常与 恶化 因此对硬故障可看成是软故障的一个特例 模拟系统的测试课题白6 0 年开始研究以来 进展一直比较缓慢 探其原因 大致有两个 一是模拟系统的集成度较低 传统的模拟电路规模比较小 因此 基于特征距离嚣f 性能分析的汽合l h 路测试 目e e e j g 自 自自目i e 自e 自e 目自 e j 自j 自 t 4 自e 目 2 t 自 目s 目 e e 自 自 自j 日 e 日自目 目e e j 一 采用人工测试和修理还可以满足实际需要 即工业生产对模拟电路的测试没有 像对大规模数字系统测试那样的迫切需求 所以模拟电路的测试的研究缺少强 有力动力 另一个原因是模拟电路的测试与诊断远比数字系统困难 闶此至今 无论在理论上和方法卜 均未完全成熟 可付诸实用的还比较少 事实i 卜述 的两个原因是彼此制约和互相促进的 但是最终的制约条件还是实际生产的需 求的迫切性 模拟电路测试和渗断比数字电路困难 主要原因如下f 2 8 1 1 模拟电路中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 所以模拟系统中的故障模型比较复杂 难以作简单的量化 由 于故障参数也是连续的 因此从理论上讲 一个模拟元件可能具有无穷多个故 障 所以不可能象在数字系统故障诊断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 事 实卜就是轻微的 故障 只是尚在允许的范围内而已 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 从模拟电路的故障诊断的实践看 元件参数的容差是实施正确诊断的最大困难 3 模拟电路中广泛存在非线性问题 是由网络中的非线性元件引起的 使 线性电路中存在众多的非线性问题 解非线性方程通常采用迭代法求懈 因此 计算量是很大的 随着电路规模的线性增大 计算量则以指数彤式增加 如果 个电路具有l o o 个元件 中等规模 以目前的计算机水平 总的计算州闯几 乎是难以接受的 4 一个实用的模拟电路中 几乎无一例外地存在反馈圆路 电路规模越大 反馈回路也越复杂 而在计算机上对一个具有复杂反馈回路的模拟电路仿真更 需要大量复杂计算 因为这也是通过迭代计算实现的 5 模拟电路中的电流是一个重要参数 也是故障信息的重要组成部分 但 是在实际测量时 除输入端口和输出端口可以比较方便地测到电流参数外 般电路中的支路电流均不易甚至刁i 可测量 通常只能通过测量电压来得到 此 外可测电压的节点数也有限 远少于网络的节点数 导致可用予故障诊断的有 关信息量较少 甚至很是不充分 最后造成故障定位的不唯一性和模糊性 或 者根本不可诊断 数字i c 芯片的发展很快 在很多的方面已经取代模拟电路 但是在一个完 整的系统中 模拟器件是不可少的 也无法被数字器件完全替代 据统计 到 目前为止 尽管电路设计制作的思路方法步骤发生了一些变化 但是系统中的 模拟电路与数字电路的比例变化不大 因此一个系统中存在模拟电路与数字电 路的混合结构的情况越来越多 以至于在一个印刷电路板或一个i c 中也都具有 硕士学位论文 z 自 j e 0 e e 自 自 模拟电路和数字电路的混合结构 此时不仅测试混合结构中的模拟电路需要模 拟电路的测试理论和方法 而且在测试混合结构中的数字电路时也涉及到有关 模拟电路的测试方法 1 3 混合电路测试 混合电路 m i x e d s i g n a lc i r c u i t s 是由模拟电路 a n a l o gc i i c u i t s 和数字 电路 d i g i t a lc i r c u i t s 组成的混合电路 一方面 计算机 通信和日用消费电 器迅猛发展 对芯片的集成度的要求不断的提高 希望在一块芯片上集成模拟 和数字元件 另一方面 芯片制造工艺水平不断提高 集成电路芯片复杂度日 益增加 使得在一块芯片上集成模拟元件和数字元件的实现成为可能f 2 3 0 据报 道 在1 9 9 9 年 混合电路在所有的集成电路 i c 芯片中占2 2 预计到2 0 0 5 年 这个比例将增长到6 7 2 预计几年的时间内 混合电路的测试费用 将占据整个生产过程费用的5 0 1 2 5 混合电路的测试影响芯片从设计到市场的时间和芯片整个过程 因此对 它的研究有非常重要意义 1 9 9 9 年 i t r s i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a pf o r s e m i c o n d u c t o r s 呼吁降低测试费用 研究新的高效的测试方法来替代昂贵的功 能测试i j 混合电路的测试代价集中在模拟电路元件上 一般地 在电路中只占1 0 的模拟电路元件却占据了9 0 的测试代价牡 所以在进行混合电路测试的时 候 更多的需要考虑电路的模拟元件的测试 混合电路的测试与诊断 需要更 多的考虑其中的模拟元件的测试 而且从思考的角度和方法上也更接近于模拟 系统的测试 在很多的时候我们把模拟系统和混合信号系统简写为a m s s a n a l o ga n dm i x e d s i g n a ls y s t e m 一般地说 a m s s 电路测试和诊断应完成下述三个方面的工作 2 8 1 1 故障检测 f a u l td e t e c t i o n 根据所采集到的数据以及已知的电路结构与标称参数 判断电路是否存在 故障 但故障检测不能确定故障元件的位置和参数 2 相对而言 故障检测比 较容易 它主要用于产品的检验 2 故障辨识 f a u l ti d e n t i f i c a t i o n 在己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 f a u l tl o c a t i o n 如果需要的话 还可进一步确定或估计故 障元件的有关参数 对故障辨识的要求是准确而唯一 这也是目前混合故障诊 断中的主要任务 3 0 引 因为对它的研究最多 但困难最大 故障辨别也常称为 故障诊断 f a u l td i a g n o s i s 基j 距离和性能分析的混台电路测试 3 故障预报 f a u l tf o r e c a s t 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的即能预报出 将发生故障的元件 以便提前更换或作其它处理 避免系统产生更大的事敝 确保系统长期 f 常运行 为了实现故障预报 需要对被测系统作连续监测 从 所取得的现场数据中搜索到异常信号 从中分析和预报即将可能发生故障的元 什 其中 个重要的问题是要尽量延长系统巾的每个元件或部件的生命周期 即尽量减少误报 且彳i 要过早的替换可能有故障的元件 如一个元件的偶发故 障不困视为永久故障而被替换 3 2 3 4 1 1 4a m s s 故障诊断 根据不同的分类依据 a m s s 故障诊断方法有多种不同的分类方式 如按 故障诊断的环境区分 可分为在线诊断 o n 1 i n ed i a g n o s i s 和离线诊断 o f f l i n ed i a g n o s i s 两种 2 在线诊断时不中断生产线或测试线的运行 因此有 时也称为实时诊断 其它方式的渗断均称为离线诊断 般在线诊断要求快速 但是定位的区域较大 理想诊断要求定位区域较小 如元件级或模块级 并目 故障位置应该具有唯一性 现在对混合信号系统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 则称为测前模拟诊断 s i m u l a t i o nb e f o r et e s t s b t 电路的仿真于现场测试之后实施 则称为测 后故障模拟诊断 s i m u l a t i o na f t e rt e s t s a t 故障诊断的主要计算j 作量多 集中在对电路作仿真 冈此测前 后 模拟诊断的工作量集中在现场测试之前 后 显而易见的是测前模拟诊断更易于作实时诊断 5 1 1 测前模拟诊断 测前模拟诊断的典型方法是故障字典 f a u l td i c t i o n a r y i2 l 它足h 前模 拟电路敞障诊断中最具有实用价值的方法 即预先根据经验或实际需要 确定 所要渗断的故障集 然后求电路存在故障集中的一个故障刚的响应 即作电路 仿真 然后将所得到的响应 通常是端口电压向量 作必要的处理 如响应压 缩 编码等 作为对应故障的特征 将它们编纂成4 部故障与特征对应的字典 在利用这部宁典作实际电路的诊断时 对待测电路施加与测前模拟时完全j 卡f 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是不同的 则所有到故障 定是唯一的 如果在字典中查不到与此特征对应的故障 则电路 j 能发生了编纂字典时未收 录的敌障 考虑到测前模拟的现实 i 作摄和字典容量的限制 字典法诊断只作 硬故障的诊断 对j 二少量钦故障也是转化成硬故障的形式处理 硕士学位论文 故障字典法中最困难的地方在于各元件都有一定的容差 元件的故障经常 是 个连续的量 测量响应的数据引入误差是不可避免的 因此利用故障字典 法即使作硬故障的诊断 其效果也不如数字系统中的故障字典法诊断 而且 般地说 故障字典法只能解决单故障诊断 因为故障的组合数太大 在实际 使用中几乎不可能实现对多故障的诊断 3 6 1 2 测后模拟诊断 测后模拟诊断的典型方法主要有元件参数辨识法和故障验证法 37 3 9 酊者 要求提供较多的诊断用信息 而后者是在电路中仅存在有限个故障假设的前提 下诊断 这在一般使用场合是允许的 因此可以在仅获得少量供诊断用的信息 条件下作诊断 例如测试端口较少 测试次数也较少等 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 因此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 模块 数较大 标志这些元件特性的参数量 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日也是很大的 独立 方程数至少不少于未知数个数 而且这些方程多数是非线性方程 所以求解这 些方程是一件艰巨的工作 通常需要用大型计算机来完成 此外由于这些工作 都是在测试后进行的 所以作实时诊断是很困难的 虽然现在已有一一些成熟的 方法将其中的非线性方程转换成线性方程 但由于同时更加了许多的中间变量 方程个数也有相应的增加 所以总的计算工作量仍然是相当可观的1 3 故障验证法是在获取 不完整 的有限故障信息的基础上作出诊断 实施 比较方便 且具有较好的实用前景 4 0 l 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吻合 如果两者吻合 则认为测试正确 故障定位工作 结束 由于电路中总的故障种类较大 而各种故障的组合数则更大 因此这种 猜测 的次数是非常大的 而且对这种方法的研究主要集中在如何减少猜测 的次数 以及减少对每次猜测作验证所需要的工作量 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 k 故障诊断的预测对象是故障元件的集合 即其中不含无故障元 件 而故障定界诊断的预猜对象是 故障元件在其中哪一个予集中 网络所有 的元件的集合总是只分为两个子集 即哪个子集中包含所有故障元件和部分无 故障元件 网络撕裂法的预测对象是 故障元件在网络元件集的哪些子集中 网 络逐渐撕裂成若干子集 而这些子集在网络拓扑结构上可按切块方式取得 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 基 特征距离和性能分析的洮台电路测试 渐减少 所以总的计算工作量较少 由于故障验证法渗断所依据的故障信息较少 因此其中一个比较突出的问 题是故障的可诊断性问题 即网络的叮测性问题 上述三种方法虽然各自定义 了自己的可测性条件 但是在本质上都是一致的 即被测网络的拓扑结构应满 足 定的约束条件 施加的独立激励向量应有足够的数量 可及点 可测电压 的1 点 数必须充分 下少大于故障数 而且应该独直 对模拟电路可测性问 题的研究所取得的卓有成效的成果 为模拟电路的设汁和测试提过了有力的依 捌 除了上面叙述的各种常用的方法外 目前还有逼近法 a p p r o x i m a t i o n m e t h o d 和人工智能 专家系统 两种方法 它们都介于测6 h 模拟诊断和测后 模拟诊断之间 逼近法包括测前模拟巾的概率统计方法和测后模拟巾的优化方 法 专家系统包括类似字典法中的敝障特征的收集和处理过程 以及测后模拟 中的故障推理搜索等过程 山丁网络分析理论已卜分成熟 人们对其认识已经 非常充分 因此获取故障的信息完全依赖维修 专家 可以仿照故障字舆法建 矗 故障字典的过程来获取知识 建立专家系统中的关键部件一一知识库 2 8 1 4 i 4 2j 1 5 本课题研究的主要内容 基于伪随机激励的测试的原弹是把待测电路模块置于d a 和a d 转换器之 间中 变模拟模块测试为数字模块测试 把模拟线性时不变电路模块转换成数 字线性时1 i 变电路模块进行测试 把由l f s r 产q 三的白噪声随机激励输入剑被 测单 i 在输出端得到输出响应 该响应为一个随机过程 通过计算输入激励 和输出响应的某种统计量得到特征集巾 s i g n a t u r es e t 巾 在特征集中中把无 故障电路和故障电路进行分类 而不是商接在性能空间集中区分无故障电路和 故障电路 换句话说 在电路参数在性能参数空间的容差范围将对应它在特征 空间的容差范围 两个空问之问存在着映射关系 待测电路在性能参数空间满 不满足性能参数要求 也町以在特征宅 训中得到体现 在性能参数空问中满足 的性能参数的待测电路 在特征空间中对应于容差范围内的值 不满足的待测 f 乜路对应 容差范围之外的值 7 伪随机测试技术大致上包括这个二个摹本步骤 1 把被测的模拟电路嵌入丁数模 模数转换器之间 把待测的模拟电路 模块转换成数字电路模块 进行测试 2 加到待测电路的激励是山线性反馈移位寄存器 l i n e a rf e e d b a c ks h i f t r e g is t e r 简写为l f s r 生成的伪随机数字激励m 序列 硕 学位论文 3 通过计算待测电路的输入输出的互相关函数 输出均值或者输出的自 相关函数等统计量 构建特征空间 s i g n a t u r es e t 中 然后分析特征空间 判 别电路有无故障 1 6 本文的主要工作 本论文的主要研究方法是首先采用伪随机测试理论对测试电路建立测试模 型 通过计算系统的输入 输出随机过程的互相关函数 得到特征空问 然后 在特征空间中分析有无故障电路的特征 定义了每个电路到无故障电路和有故 障电路的距离 通过比较这两个距离 对待测电路有无故障进行分类 本文给 出了一种基于最优化理论的电路的性能分析的电路参数估计的方法 该方法可 以根据电路性能参数的不同要求 设置不同的性能的容差范围 从而得到电路 的基本组成的电子元件的容差范围 目标函数为各个电子元件的偏差最小值的 最大化 该方法具有很强的实用性 灵活性 主要工作归纳如下 1 用伪随机测试理论对测试电路建立测试模型 2 通过分析特征空间无故障电路集 故障电路集的协方差矩阵 提出了每 个电路在特征空间中到无故障电路集和有故障电路集的距离概念 3 运用这两个距离的大小关系来判别电路有无故障 对电路进行分类 4 提出一种基于电路性能分析的电路参数估计的方法 该方法可以根据电 路性能参数的不同要求 设置不同的性能的容差范围 从而得到电路的基本组 成的电子元件的容差范围 5 利用最优化理论建立电路电子器件参数估计的数学模型 并用m a t l a b 数学工具软件分析解决该非线性规划问题 丛于特征距离和性能分析的混台电路测试 第2 章基本理论 2 1 随机过程的基本知识 2 1 1 随机过程的定义及其统计描述 定义2 1 设随机试验e 的样本空问为s 一 e 对其每一个元素e i 卢l 2 m 都以某种法则确定一个样本函数x t e 由全部元素 e l 所确定的一族样本函数 坝 p 称为随机过程 s t o c h a s t i cp r o c e s s e s 简记为x t 从定义2 1 可以看出 随机过程足 组样本函数的集合 定义2 2 设有一个过程坝f 若对于每一个崮定的时刻t a l l 2 皿 是个随机变量 则称埘 为随机过程 定义2 2 把随机过程看成足组随时问而变化的随机变量 随机过程烈r 通过冲激响应为h t 的系统得到的输出为另一个随桃过稃 y t 描述这一过程的统计描述有很多 其中伪随机测试用到统计量有均值 臼相关函数和互相关函数 1 均值 对于任意的时刻t 飘f 是一个随机变量 把这个随机变量的均值定义为随 机过程的均值 记为m f 即 m f e 缸o f 2 3 x l x o a x 随机过程柳r 的均值是时间t 的函数 2 万著 a f e o 一m f b 2 为随机过程抓 的方筹 方差还可以表示为 仃 f e 口2 一m o 3 相关函数 设任意两个时刻 f r x o j 二 e 肛 f x x 2 f x t j x 2 l 妞i d r 为随机过程 的自相关函数 只 o f e 盖o 妒也 礁以 g y l f k l d x 为两个随机过程坝 和 硕士学位论文 r f 的互相关函数 离散随机序列指时间和状态都离散的随机过程 实验中 我们把待测电路 嵌入于数模 模数转换器中构成 个测试模块 输入到这一测试模块的测试信 号是利用l f s r 产生的m 序列而生成的白噪声 这个输入信号是一个离散随机 序列 2 1 2 平稳随机过程 1 严格平稳随机过程 定义2 3 如果随机过程州 的任意h 维分布不随时间起点的不同而变化 即当时间平移 t 时 其任意的n 维概率密度不变 正扛l 一 上 f l 出 a t 六b l t 一 x i 一 f f 则称坝f 是严格平稳的随机过程或称为狭义平稳随机过程 2 广义平稳随机过程 定义2 4 如果随机过程坝0 的均值为常数 自相关函数只与f 一t 有关 即 m f m r f 1 t r r 则称段 是广义平稳随机过程 严格平稳随机过程必定是广义平稳的 但是广义平稳的随机过程不一定是 严格平稳的 对于正态随机过程而言 它的任意即维分布都只由它的 二阶矩来确定 广义平稳的正态随机过程必定是严格平稳的 实验中我们用到的高斯白噪声 所以得到的实验结果是不随起始时间的变化而变动 2 1 3 各态历经过程 平稳随机过程的一个样本函数取时间均值 观察时间足够长 从概率意义 上趋近于该过程的统计均值 集平均 这样的随机过程具备各态历经性或遍历 性 随机过程的各态历经性是随机过程的各样本函数都同样的历经了随机过程 的各种可能状态 因此从随机过程的任何一个样本函数都可以得到随机过程的 全部统计信息 任何一个样本函数的特性都可以充分地代表整个随机过程的特 性 实验中 我们的白噪声随机激励信号是具备各态历经的随机过程 因而对 于待测电路 我们用一个伪随机激励信号进行测试 当时间足够的长时 该测 试信号可以得到整个随机过程的全部统计信息 基r 特征距离和性能分析的混合电路测试 2 2 线性时不变系统 一个系统对输入信号z 的作用下 可以表示为 h 图21 线性系统示意图 式中y o 是系统的输出 l 表示系统对x f 的作用 它是对信号x r 进行运 算的符号 如果系统的输入 f 女 1 2 o o 之和的响应等于各自响应之和 那么这个系统是线性系统 换句话说 满足叠加原则的系统就是线性系统 替 加原则的数学 夷达式是 r y l l 叩 f k o 嘶y f l lj女 l j 式q a k 为任何参数 可以是无限的 若激励为p 产叫i 响应r f 则当激励为p f t o 时 响应为 f f o 即 y t t o 2 l l x t t o 则这个线性系统就称作时小变线性系统 对于个时不变系统来说 若输 入信号x 的延迟一段时间r o 输出y r 也引起个相同的延迟r o 此特征表明 延迟一一段时间并0 i 会改变响应的波形形状 4 4 1 本文中的待测电路只考虑线性时不变系统 因为线性时不变系统有非常熏 要的意义 酋先 许多实用的系统是线性时不变系统 其次 非线性系统在 定的条件 j 以看作是线性时不变系统 再者 线性时不变系统的分析力 法已 经比较成熟 已经形成了比较完善的理论体系1 4 5 对于一一个线性时不变系统 系统的输出y 是输入艽 t 8 w 冲激响成矗 f 的卷 积 y f f x 0 如o r p f 也就是y f x f t f 当输入为已知的时问函数时 通过卷积公式求得线性时不变系统的输出 如果现在输入为随机过程坝 的1 个样本函数z m 由于样本函数是确知的时 问函数 则同样可以直接利用卷积公式求得系统输出 这罩y 是随机过程 通过系统后产 的新随机过程hr 的样本函数 假如 个稳定的 时不变线性系统的输入 是 个有界的随机过程的样本 函数x t 若过程的所有样本函数都是有界的 其卷积 川 一 一r 胁 硕士学位论文 对于每个样本函数都收敛 亦可直接写成 y f g 姗一r 蚺 我们在进行随机测试时 需要得到系统输出的统计性质 己知输入随机过 的均值与相关函数 求输出随机过程的统计量 46 1 1 系统输出的均值 设坝 是有界的平稳过程 于是由式 2 1 得 口o e j 一 o r p r 厅 r 扭防o r m r m e 如 显然 e y o l h 4 d r 是与时 日j 无关的常数 2 系统输出的自相关函数 若坝 为有界的平稳过程 系统输出的自相关函数是 r f f f e y f y o f e i 肛 f r p r e 归o r r 2 弦r 口o r 弦u q t 2 k r 坼k p r d r 即 r y t f r r j 二 戤 r 一乇如 r 弦 f 弦r d r 2 2 由式 2 2 可知 r y 扛 是输入自相关函数与系统的冲激响应的双重卷积 即 r f b f r f 3 系统输入与输出之间的互相关函数 线性系统的输出必定依某种方式依赖于输入 即输入与输出是相关的 输 入与输出的互相关函数 r o f r e x o r o 瑚 e i o 以m r k d k e b o 皿 f r 一丑m 以 以 若砸 是平稳过程 则 基j 一特征 离和性能分析的混合电路测试 r r e r 0 一 弘以m 即输入输出的且相关函数等于输入自相关函数与系统的冲激响应的卷积 1 1 j 写成 r f r f m 矗 f 当系统输入瓤f 是一个白噪声 其自相关函数为r r 孥j g 日 j r 华艿 r 一五弦以m 等 r 可得a 0 三n 月 r o 二种统计量都和系统的冲激响应存在某种方式的联系 j 这些统汁最来估 计冲激晌j 越 进行测试 在理论上都足l q 行的 把三种统计量用于随机测试都 可以构成特征空n u 二者之问不同的地方主要在它们的误分类率和图2 1 中的 运算嗨元上及其物理实现 白噪声是具有均匀频率谱的平稳随机过程 当它通过线性系统后 其输m 端的噪声功率谱就不再是均匀的了 若白噪声的功率谱密度g u 为 v t o 为 f i 实数 系统传递函数是h 沏 则有 g b j h b 2n o 或 如 a j 爿 2 这里f 如 是单边功率谱密度 从卜凶i 可以看出 线性系统在白噪声作用 卜j 的输出功率谱密度 由系统的频琦夏所决定 不再保