容差模拟电路故障数据提取的方法

2012-01-29韩宝如吴恒玉王平均

苏州市职业大学学报 2012年2期

韩宝如，吴恒玉，王平均

(海南软件职业技术学院电子工程系，海南琼海 571400)

随着电子工业的发展，电子设备的复杂性越来越高，其中的模拟器件和电路不可缺少.理论分析和实际应用表明，这些设备中的模拟电路较数字电路更容易发生故障.另外，随着超大规模模拟电路的发展和电子器件复杂性的提高，对模拟电路运行可靠性的要求更为严格.因此模拟电路故障诊断技术越来越重要.

提取故障特征是模拟电路故障诊断的关键，也是构造样本集的基础.如何有效提取优质的模拟电路故障特征，是进行电路故障诊断和测试的难点所在.在设计模拟电路故障诊断系统时，能够快速、有效地提取反映电路的故障信息的特征是进行故障诊断的关键所在.

OrCAD/PSpice程序具有很强的计算能力和很高的计算精度，可完成多项电路分析计算工作，而且系统内部设置有各种电器元件的基本出厂模型参数，可对电路系统的分析计算，还可根据实际元器件的特殊性，从外部进行技术参数的修改，这样就充分满足了计算精度的要求，且使用起来也十分方便，对于设置各种故障模型非常方便［1］.本文利用OrCAD/PSpice电路仿真软件对容差模拟电路进行仿真及故障特征提取.

1 OrCAD/PSpice软件的功能

OrCAD/PSpice是一个功能强大的电路仿真模拟软件，不仅可以对电路进行直流、交流、瞬态等基本的电路特性分析，而且可以进行蒙托卡诺(取名于赌城Monte Carlo)统计分析、最坏情况分析(worst－case analysis)、优化设计等高级分析.不但可以对模拟电路进行仿真分析，而且可以对数字电路、数/模混合电路进行计算机模拟.其中的Probe模块，不但可以在仿真结束后显示结果信号波形，而且可以对波形进行一些基本的运算处理，包括傅里叶分析、提取特征参数、分析电路特性随元器件参数变化的关系等［2－3］.

在OrCAD PSpice中，可以分析的类型有以下10种，每一种分析类型的定义如下:

1)直流分析.当电路中某一参数(称为自变量)在一定范围内变化时，对自变量的每一个取值，计算电路的直流偏置特性(称为输出变量).

2)交流分析.计算电路的交流小信号频率响应特性.

3)噪声分析.计算电路中各个器件对选定的输出点产生的噪声等效到选定的输入源(独立的电压或电流源)上，即计算输入源上的等效输入噪声.

4)瞬态分析.在给定输入激励信号作用下，计算电路输出端的瞬态响应.

5)基本工作点分析.计算电路的直流偏置状态.

6)蒙托卡诺统计分析.为了模拟实际生产中因元器件值具有一定分散性所引起的电路特性分散性，PSpice提供了蒙托卡诺分析功能.进行蒙托卡诺分析时，首先根据实际情况确定元器件值分布规律，然后多次“重复”进行指定的电路特性分析，每次分析时采用的元器件值是从元器件值分布中随机抽样，这样每次分析时采用的元器件值不会完全相同，而是代表了实际变化情况.完成了多次电路特性分析后，对各次分析结果进行综合统计分析，就可以得到电路特性的分散变化规律.与其他领域一样，这种随机抽样、统计分析的方法一般统称为蒙托卡诺分析.由于蒙托卡诺分析和最坏情况分析都具有统计特性，因此又称为统计分析.

7)最坏情况分析.蒙托卡诺统计分析中产生的极限情况即为最坏情况.

8)参数扫描分析.是在指定参数值的变化情况下，分析相对应的电路特性.

9)温度分析.分析在特定温度下电路的特性.

10)灵敏度分析.计算电路中元件的参数变化对输出变量的影响，包含直流灵敏度和交流灵敏度分析.

2 故障数据提取方法

2.1 灵敏度分析

利用OrCAD10.5灵敏度工具(Sensitivity工具)对容差模拟电路进行灵敏度分析，其流程为:①使用PSpice-AA参数库的元件绘制容差模拟电路图;②设置分析参数，调用PSpice进行容差模拟电路特性模拟;③确定容差模拟电路特性函数;④检验容差模拟电路特性函数模拟结果;⑤调用PSpice10.5-AA，调入容差模拟电路特性参数;⑥运行Sensitivity工具进行灵敏度分析;⑦根据各元器件参数的变化对输出信号的影响程度，确定可诊断的元器件.

2.2 设置故障模式

模拟电路故障诊断研究中针对的故障类型有:

1)软故障.由于元件偏离正常值的容差限所造成的故障，也称偏移故障.由于软故障是指元件参数超出正常容差范围，它是一个连续量，而且目前还没有可以用的参考模型.这在故障诊断时是十分困难的.当某元件的容差范围在标称值±50%内变化时，认为该元件出现软故障.

2)硬故障.由于开路或短路所造成的故障.包括元件的开路或短路以及线间短路.在OrCAD10.5中利用固定标称值超大的电阻来模拟开路故障模式，用微小电阻模拟短路.

对灵敏度分析所得到的重点元件需要划分故障模式，按照上面的故障设置方法设置电路故障进行仿真，以获取各个模式下的数据，用来构造和训练分类器，从而实现故障的诊断.

2.3 蒙托卡诺分析

依次对设置的每种故障模式和正常状态进行蒙托卡诺分析，其流程为:①使用PSpice-BREAKOUT参数库的元件绘制容差模拟电路图;②设置分析参数;③设置元器件故障模式，调用蒙托卡诺分析;④把故障数据以文本形式保存，返回③.

3 实例仿真

为了对带阻滤波器电路进行故障诊断，首先使用OrCAD/PSpice软件对该滤波器电路进行建模.电路如图1所示，它是由2个RC电路并联组成的带阻RC滤波器，各参数值见图1，电阻和电容的容差范围为10%.根据输出电压的频率进行故障诊断，并不是模拟电路中所有的故障元器件都能被诊断出来.因为有些元器件参数的变化对输出电压的频率影响并不大.所以在诊断前需要计算电路的灵敏度.利用Orcad10.5灵敏度工具对带阻RC滤波器进行灵敏度分析.

1)调用OrCAD/PSpice对带阻滤波器电路进行交流分析，选取1 V的Vac作为激励源，扫描方式为10倍频对数，起始频率为0.03 kHz，终止频率为30 kHz，电路输出波形如图2所示.

图1 带阻滤波器电路

图2 带阻滤波器频率响应波形

2)选择电路特性函数3 dB的带宽，调入、运行Sensitivity工具，在如图3所示的Sensitivity工具窗口查看相关的显示信息，发现C1，C2，C3的改变对电路特性影响大，因此选取电容C1，C2，C3作为被诊断的元器件.由于在模拟电路中，硬故障约占电路故障的80%，其中50%～60%是R(电阻)开路，C(电容)短路和晶体管开路或短路，所以在本文的仿真实验中故障状态分别为电容C1，C2和C3短路，加上正常，共有四种状态.然后依次对带阻滤波器电路的这四种状态进行蒙托卡诺仿真，仿真输出波形如图4、图5、图6和图7所示.

图3 灵敏度分析工具窗口

图4 正常状态时输出波形

图5 C1短路时输出波形

图6 C2短路时输出波形

图7 C3短路时输出波形

每次蒙托卡诺仿真后，都将输出波形以数据的形式存入.txt文本文件中，然后采用Matlab编程的方式，自动精确地读取，可以实现二者之间的数据通信.为了实现这个目标必须使用textread()、Str2num()函数、fopen()和fclose()等函数进行数据处理［4］，并结合Matlab语法中的顺序结构、循环结构、分支结构和控制语句来控制程序的执行，借助于这些语法结构，可以进行一些较为复杂的操作，从而实现对.txt文本文件的读取.