基于Multisim11.0的模拟或数字电路故障诊断

李海东

（渤海大学，辽宁 锦州 121000）

0 引言

Multisim11.0作为目前世界上较为先进的电子自动化设计软件，通过它强大的性能和比较领先的自动化机制引起了电子专家的注意。人们开始尝试将multisim11.0应用于模拟或数字电路的故障诊断与排除，并取得了非常显著的效果，本文将重点介绍multisim11.0在故障诊断方面的优势及应用过程中需要注意的问题。

1 什么是Multisim11.0

Multisim11.0是目前在电子领域知名度和应用度都比较高的一款电子设计自动化软件，它和NI Ultiboard一样都属于美国国家仪器公司，都作为电路设计软件套件而被众人所认知。同样，由于其不凡的产品性能，该应用软件成功入选伯克利加大SPICE项目，能获得这一殊荣的电子应用软件为数并不多。在具体的应用实践中，该软件主要应用在电路图的设计和电路的教学。在这一过程中，参与者可以真实的感受到电路的整个交互式的搭建过程，并且体验其强大的捕获、仿真和分析功能。所以在电子学教育中Multisim11.0被广泛应用，帮助教育工作者实现从理论到原理图设计甚至电路故障的诊断和测试的完整的综合设计流程。Multisim11.0的突出性能如下：

1.1 图形界面比较直观

Multisim11.0的操作界面具有很强的直观性，它的呈现方式如同一个正在进行的电子实验的工作台，在电路的绘制过程中，只需借助鼠标就可完成电路所需个元件和测试仪器与导线的连接而且，在控制面板上所显示的模拟电路与操作方式基本一致，在操作过程中可以通过显示器清楚的看到测量数据，以及各相关数据的波形轨迹和特性曲线，帮助实验者或者系统维护人员更好的进行电路的维护和保养。

1.2 元器件比较丰富

Multisim11.0和上代的软件相比，拥有了更为强大的元器件供应，目前在全世界已经有上万种元件为其提供专业的支持，而且软件自身可以方便的实现对系统内元件的参数按照实际的需要进行相应的修改，并且软件本身可以借助自带的模拟生成器及代码自创模型实现对自己所需元件的生成与创建，可以说具有很强的智能性。

1.3 较强的仿真能力与丰富的检测仪器

Multisim11.0和上代的软件相比，借由SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能，这些仿真功能在具体的实际操作中发挥着越来越重要的作用。同时，该软件提供了近20多种的虚拟仪器来实现对各种电路动作的实际监测。例如，比较常见的万能表，以及函数信号发生器、瓦特表、示波器、字符发生器、逻辑分析仪等设备，虽然这些设备只是该软件的一个虚拟构成，但它得的设置与运行和真实生活中的一样，这种交互式的动态显示帮助我们更好的对模拟或数字电路进行有效的分析。同时，该软件还可以通过自定义相关仪器来实现电路测试的升级与灵活控制各应用程序的仪器。

1.4 分析手段比较完备

Multisim11.0具有比较完备的分析手段，通过进行对直流工作点的分析，以及交流和瞬态分析来实现对原型开发和测试设计的迅速完成。具体来说，该软件利用仿真产生的数据来完成数据的执行与分析，这个范围比较广泛，从简单的基本数据到异常的极端数据都可以进行完整的分析，并且每一个数据的分析都为下一步分析做好铺垫，具有了符合电子行业标准的交互式的测量和分析性能。

1.5 比较好的信息转换的兼容性

在Multisim11.0软件中，提供了比较完备的原理图与仿真数据的转换。可以通过自带的相关软件实现对数据的输出，可以进行将原理图输出到布线，也可以输出为网络表文件，对数据进行互联网的共享。在数据输出以前，软件会首先对结果进行分析运算。例如，进行基本的算数运算，三角运算，复合运算，向量运算和逻辑运算等等，从而提高结果分析的可靠性，与此同时，该软件支持C代码、汇编代码以及16进制代码，并兼容第三方工具源代码；包含设置断点、单步运行、查看和编辑内部RAM、特殊功能寄存器等高级调试功能。

2 Multisim11.0的模拟或数字电路故障诊断

在当今社会，数字化发展非常迅速，已经逐渐成为现今世界发展的主要潮流。不夸张的奖，在各个行业各个领域，数字化都有其非常广泛的应用，这也是未来发展的方向。在数字化的进程中，它发展的主题是电路。从传统的模拟电路到今天的数字电路，见证者科技的突飞猛进。数字化的核心就是其数字电路，数字电路也是计算机硬件电路和通信电路以及信息自动化的关键所在。数字电路经历了电子管、半导体分立器以及集成电路等重要的历史发展阶段。它是模拟电路的提升与改进，实现了对数字信号进行的数字量化与一系列的数字运算和逻辑运算。由于其较强的稳定性和良好的抗干扰性，自60年代以后得到了非常广泛的运用，速度比模拟电路还要快。在这中间模拟电路和数字电路在各个领域推广，极大的带动了电子产业的发展。尤其是上个世纪末，微型处理器的出现让数字电路有了本质的提升，规模更大，功能也更加强大。现在已经超过过去的简单的二进制演变为八进制甚至是多进制。

2.1 模拟或数字电路故障产生的主要原因

在本文中我们重点分析数字电路产生故障的主要原因。首先我们要简单了解一下数字电路的基本组成单位，那就是门电路。门电路的主要功能是用来实现基本的逻辑运算与复合的逻辑运算。通俗来讲，门电路其实就是一个简单的开关电路。一般我们经常看到的是与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或和同或门等几种，而这些门电路的主要构成是：半导体二极管、半导体三极管、CMOS等具有开关特性的元件及电阻、二极管。这些开关特性所处的条件不同其元器件所处的跳转状态也会不同。所以面对如此多的门电路，尤其是出现了结构比较复杂的集成电路，将电路的大多数部分甚至是全部集中在一个小芯片上，一旦某一物理元件存在缺陷或者出现一些细微的变化，都会影响整个电路的正常运行，严重时还会对整个电路造成意想不到的伤害。所以，对正在运行的电路进行定期的诊断显得尤为重要，另外在电路运行前的检查也是必要的，例如，各引线之间的连接，以及是否存在短路，各个接口，插件之间的连接是否出现接触不良等等。

2.2 模拟或数字电路故障的主要特点

数字电路的故障来源门电路，门电路的输入可以唯一，也可以为两个，甚至更多，这就会出现信号传输的快慢问题，虽然门电路的传输时延很小，但是，对于不同的器件材料，延时区别是很多的，比如三极管材料要远大于CMOS材料的器件。当一个门电路的输入有多个，且根据不同路径到来时候，由于时间的先后顺序，这就会产生竞争，导致冒险现象。数字电路是用0和1表示电平信号的高低，但是在数字电路的传输过程中依然是电流或者电压的传播，在每一个门电路中，或多或少都会有耗能器件，这时候，随着信号的流通，耗能必不可少，这就可能影响电平的情况，甚至会影响门电路的驱动问题，即前一个门电路的输出达不到驱动下一个门电路的能力，这会使电路无法正常工作。信号在传输的过程中也会收到外界电磁的影响，这可能会是信号的电平发生改变，从而影响电路的功能实现，乃至出现错误的逻辑关系，这些情况都是随机的，不可预见的，我们很难控制，我们所能做的仅仅是尽量避免这些情况的发生，所以我们要知道数字电路会存在哪些故障的隐患，从而达到减少电路故障的发生概率。

2.3 Multisim11.0在模拟或数字电路故障诊断

Multisi11.0作为美国国家仪器有限公司推出的一款比较优秀的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。因此本文借助其强大的仿真性能来完成它对模拟与数字电路的故障诊断。

经过Multisim11.0在模拟或数字电路的应用，我们发现该软件比较直观的将电路故障所处的位置通过数据分析和运算以后，传出到我们面前。我们比较直观并且准确的找到故障所在模块，借助诊断备件将其进行替换。尤其是该软件自带的升级功能帮助我们更好的做好了电路故障的预警机制，为故障的及时判断和准确分析提供了强有力的支持。

同时借助该软件的各个元件，我们对时序电路的故障进行了比较有效的诊断。因为时序电路存在时序，所以电路需要在一定时序的作用下才能实现其功能，这就让其测试问题变得复杂，借助Multisim11.0软件我们还是可以对电路的功能进行检测的，虽然时序电路是一个很庞大的整体，但是我们可以借助Multisim11.0软件将其划分为不同的小部分，当然部分的划分还要根据电路所实现的功能的不同，对此我们可以对小部分电路的功能进行检测，从而实现对整体电路的检测。

在过去的模拟与数字故障诊断方法中，直方图法是一种比较科学的检测方法，一般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。本文借助了Multisim11.0其自带的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。经过检测发现该结构不仅硬件开销成本低、测试速度比较快,而且能够测试独立的模数转换电路电路。通过仿真试验表明,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。

本文还根据实际操作需要，借助Multisim11.0软件研究神经网络在模拟电路故障诊断中的应用。由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,本文借助Multisim11.0软件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。最后也取得了非常好的效果。这也是通过求得电路的故障检测序列，在加于待测电路中，对比于电路的功能实现情况得出故障存在与否。故障检测试验大致分为3步，第一是引导阶段，将电路从未知状态引导至预定状态，第二步是验证是否存在电路所具有的所有状态，第三步验证电路中的状态是否可以按电路的功能实现状态的转换。经过Multisim11.0的一系列工作，成功的实现了对数字电路的诊断。

［1］运昌，编.模拟集成电路原理与应用吴[M].广州：华南理工大学出版社，1995.