基于Saber的微分放大电路故障模式仿真与分析

张尚珠

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009）

基于Saber的微分放大电路故障模式仿真与分析

张尚珠

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009）

主要介绍了一种基于Saber仿真软件的故障模式分析方法。通过对微分放大电路的故障模式进行分析，验证了该分析方法的有效性。

故障模式分析；蒙特卡罗；仿真软件

0 引言

随着可靠性技术在工程中的应用，故障模式与影响分析 （FMEA：Failure Mode and Effects Analysis）的概念和方法也逐渐地被接受。目前，在航空、航天、兵器、舰船、电子和汽车等工业领域，FMEA方法均获得了一定程度的普及，成为了系统研制过程中必须完成的一项可靠性分析工作，为保证产品的可靠性发挥了重要的作用。

故障模式是故障的表现形式，例如：短路、开路、断裂和过度耗损等。通常情况下，在研究产品的故障时往往是从产品的故障现象入手，通过现象找出故障发生的原因。故障模式是FMEA分析和其他故障分析的基础[1]。本文借助软件故障注入的方式对案例中的电路进行测试，得到了故障的表现形式，为FMEA提供了有利的依据。

1 电路故障模式分析的工具和步骤

1.1 分析工具

笔者采用了电路设计分析软件Saber作为此次电路故障模式的分析工具。Saber所具有的先进的分析能力使其可以被用来对处于电气故障状况下的系统进行仿真和分析[2]。它可以自动地建立起一个代表着各种电气器件故障现象 （例如：系统短路或开路）的故障矩阵，对每种故障状况下系统的性能进行评估。可自动生成故障表，并利用故障表对整个系统设计的可靠性进行评价。

1.2 分析步骤

利用Saber软件开展电路故障模式分析的步骤主要有[3]：

a）建立测试项目；

b）设定仿真额定值和极限范围；

c）注入故障；

d）仿真带有故障模式的电路；

e）输出分析图表。

以上分析步骤都是基于电路设计分析软件Saber中的testify测试模块来进行的。

电路的故障与产品所属系统的规定功能和规定条件密切相关，在对具体的系统进行故障分析时，首先必须明确系统在规定的条件下丧失规定功能的判别准则[4]，即应明确系统的故障判据，这样才能够判别产品的某种非正常状态是否为该产品的故障模式。

在进行故障模式分析时还应注意[5]，应确定和描述电路在执行每一种功能时可能会出现的故障模式。如果一个电路有多种故障模式，那我们就需要找出该电路全部可能的故障模式及其对电路的性能的影响。

图1 微分放大仿真电路图

2 典型电路案例分析

2.1 电路仿真

以微分放大电路为例进行仿真。利用Saber软件器件库中的模型搭建电路模型，根据电路设计要求设置好信号源和电压源等输入，微分放大仿真电路图如图1所示。

运行DC分析和瞬态分析校验电路的性能。仿真输出波形如图2所示。

图2 电路仿真结果

利用软件计算器可算出out2-out1的波形和数据，得到的数据如图2所示。从图2中可得，输入峰-峰振幅 （20 mV）扩大了近800倍 （达到16 V）。

当确认仿真电路的性能无误后，便可使用Testity测试模块完成设计的故障分析。

2.2 故障分析

Testify测试模块有Test Setup、Test Ranges、Fault List和Results4个功能，其界面如图3所示。依次执行这些功能，对微分放大电路进行测试。测试的输入过程与循环输入的过程或者Saber Guide中的蒙特卡罗分析的输入过程相似。

图3 Testify测试模块界面

在该分析的过程中，我们对微分放大电路设定3个测试项目，即：信号out1的上升时间Risetime1、信号out2的上升时间Risetime2和信号out3的低通3dB点。

首先，在Test Setup中设定3项测试项目的DC分析、瞬态分析和测量程序，设定3项测试项目的窗口如图4所示。

在Test Ranges界面下进行自动仿真，确定出3个测试中需要测量的标准值和上、下限值。确定正常工作和工作限值的窗口如图5所示。图中的Nominal负责运行电路没有故障插入时的仿真，测量结果传入此栏；Limits栏运行默认的蒙特卡罗分析，确定电路工作的可接受范围，上、下限范围结果传入此栏，如果需要观察蒙特卡罗分析其他的故障值，则可利用Edit来调用蒙特卡罗分析界面，在其中设置蒙特卡罗分析的次数和分布种类等。这一过程便是故障判据的设置过程，只不过该判据是由蒙特卡罗分析结果自动设置的，而不是由设计人员手动设置的，在实际工作中，需按分析要求的不同进行不同的处理。

设置好电路运行测试的程序，并给定了参数的可接受的工作范围后，便可在Fault List界面内设定所需要仿真的电路故障。执行Get fault list后，软件可自动将该电路所有可能发生的故障导入，并形成列表。分析人员可根据任务需要在右栏中选择一个或多个故障，如图6所示。当测试运行时，每个被选择的故障都会被陆续地插入电路中进行仿真，并测量相关结果。

切换到Results功能界面，直接运行故障仿真Run后，便可得出电路分别在c2开路、r1开路和q1管脚c开路3个故障时3次仿真的输出结果，如图7所示。测试的标题列于数据列首行，这些数据构成矩阵元素，故障在垂直列，测试在水平列。软件自动对照故障判据，如果测量值落在指定的测试界限内，测量值为红色，代表没有查出故障；如果测量值落在指定的测试界限外，测量值为蓝色，代表检查出了故障。由以上分析可得，该软件的故障注入及仿真无需调用仿真界面进行，可直接在后台进行，因而其大大地减少了人工操作的流程，提高了故障仿真分析的速度。

图4 设定3项测试项目窗口

图5 确定正常工作和工作限值的窗口

图6 设定仿真故障的窗口

当仿真完成后，运行Report便可浏览测试结果报告。该报告中的内容包括：判据的边界值、仿真结果数据矩阵、仿真数、测试故障总数和隐含故障的百分比，以及所有未检测到的故障列表等，如图8所示。

从分析报告中得到的每一故障模式所对应的故障表现形式以及超差的大概量值，将为电路设计人员进行FMEA时提供更加直观可靠的数据参考，同时也可以为产品实物测试性试验工作的开展奠定基础。

3 结束语

本文主要介绍了利用Saber仿真平台对典型电路的故障模式进行分析的方法。通过对微分放大电路的故障模式进行分析，验证了该分析方法的有效性，并为今后的产品性能检测及FMEA提供了可靠的数据参考。

但是，该方法也存在一定的缺点。例如：该软件不支持多点故障状态下的仿真，生成的报表只涵盖了故障模式分析的内容，有关FMEA的结论较少，设计人员在完成故障分析后须对FMEA表格进行完善。目前该方法只是处于试用摸索阶段，有待我们进一步地研究与探讨。

图7 运行故障仿真窗口

图8 显示测试结果的窗口

[1]曾声奎，赵廷弟，张建国，等.系统可靠性设计分析教程 [M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.

[2]GJB/2 89-1997，电路容差分析指南 [S].

[3]王君友，康锐.基于EDA技术的电路容差分析方法研究[J].北京航空航天大学学报，2001，27（1）：54-56.

[4]赵细云，曾杰军，钱慰宗.电路的容差分析仿真及在电路设计中的应用 [J].电子工程师，2002，28（1）：54-56.

[5]魏文博.容差分析和设计方法研究 [D].西安：西安电子科技大学，2005.

The Simulation and Analysis of Failure M ode for Differential Am plification Circuit Based on Saber

ZHANG Shang-zhu
（China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China）

The failure mode analysismethod based on Saber simulation software is introduced. And by adopting the method to analyze the failure mode of differential amplification circuit，the validity of themethod is proved.

failuremode analysis；Monte Carlo；simulation software

TP 391.9；TN 786

：A

：1672-5468（2015）05-0016-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2015.05.004

2015-04-14

2015-09-14

张尚珠 （1982-），女，山东荣成人，中国空空导弹研究院工程师，主要从事可靠性工程研究工作。