模拟电路软故障诊断的研究

四川省蚕丝学校 黄 钞

模拟电路软故障诊断的研究

四川省蚕丝学校 黄 钞

目前，电子设备发展空前火热，电子设备的主要核心部件是由数字电路和模拟电路组成，研究模拟电路的故障诊断，有利于提高电子设备的性能。本文主要是对模拟电路软故障诊断的研究，分析模拟电路软故障诊断研究现状中存在的一些问题，提出科学的模拟软电路故障诊断方法，为提升电子设备质量提供帮助。

模拟电路；软故障诊断；电子设备

模拟电路由于其独特的性质，使得模拟电路故障诊断相比于数字电路而言更加困难。时间和电压的连续特性使得模拟电路比数字电路更易受故障的影响；模拟电路中的元件参数具有很大的离散性，使得模拟电路实施正确诊断比较困难；模拟电路中广泛存在非线性问题和反馈回路，增加了故障诊断难度。模拟电路故障按照元件参数值偏离其标称值的程度划分为软故障和硬故障两类。

1 模拟电路故障概述

1.1 模拟软故障的概念

模拟电路的故障按照元件参数值偏离其标称值的程度划分为软故障和硬故障两类。软故障是指元件的参数随着时间或者环境条件的影响而偏离至不能允许的程度，从而导致了系统性能的异常或恶化。元件软故障通常不会导致电路网络拓扑结构的改变，大多不会对电路功能造成重要影响。硬故障又称灾难性故障，是指元件的参数突然发生很大的变化（如元件的短路、开路等），从而导致系统严重失效，甚至完全瘫痪。硬故障是一种结构性的破坏，它破坏了电路的拓扑结构，使电路功能失效。硬故障从本质上可以看作是软故障的某种特例，即元件参数变化的两种极端情况：极大值（开路）和极小值（短路）。

区分元件参数值偏离其容差范围所引起的故障类型原则是：实际元件参数值是否大于其标称值的10倍或者小于其标称值的0.1倍。当电路元件值的变化在元件参数之内时，认为元件发生了软故障，在此之外则认为元件发生了硬故障。

1.2 模拟电路故障的特点

由于模拟信号是大小随时间连续变化的信号，它与数字信号有较大的不同。模拟电路本身的特性决定了它的诊断要困难和复杂得多。

（1）模拟电路的输入激励和输出响应都是连续量，模拟电路中的故障模型比较复杂，难以进行简单的量化。

（2）模拟电路中的元器件参数具有很大的离散性，即“容差”，“容差”事实上就是轻微的故障，只是尚在允许的范围内而已，它们的普遍存在，导致故障的模糊性，而无法决定实际故障的物理位置。

（3）模拟电路中存在广泛的非线性问题。在实用的模拟电路中，几乎都存在着反馈回路及非线性问题，增加了计算和测试的复杂性。

（4）频率范围宽。模拟电路的频率低端除直流外最低需测至10-5Hz，高端要测至103GHz（如卫星电视的高频头信号就高达103GHz以上）。在这样宽的频率范围内，即使测量同一电信号，在不同频段所依据的原理、采用的方法和使用的设备都可能相差很大。

（5）现代电子电路通常是多层的或被封装的，可测试用的节点数非常有限，导致可用作故障诊断的信 息量不够充分，造成故障定位的不确定性和模糊性。

2 模拟电路故障诊断的发展

同数字电路的故障诊断方法相比，模拟电路故障诊断的发展速度相对较慢，至今仍然没有一个被广泛认可的测试诊断理论和方法。模拟电路的故障诊断之所以比数字电路的故障诊断要困难是由如下几个特点决定的：

（1）模拟电路的输入、输出信号在时域和电压幅度上具有连续性，以及元件参数的连续性使得故障诊断模型比较复杂，难以简单量化。

（2）实际模拟电路中的元件参数都具有很大的离散性，即具有容差。容差的存在导致了故障的模糊性，因而有时无法唯一确定故障位置，使得诊断结果的准确性难以保证，这是故障诊断的最大困难之一。

（3）模拟电路中广泛存在非线性和反馈回路。模拟电路中往往含有非线性元件，而且即使在线性电路中也存在众多的非线性问题，这使得诊断的复杂性和信息处理量急剧增加。

（4）模拟电路中可测电压节点有限，导致供诊断用的故障信息量不充分，造成故障定位的不唯一性和模糊性，或者根本不可诊断。

（5）模拟电路对环境变化较敏感，其输出响应不仅易受制造工艺所引起的元件参数偏差的影响，而且易受热噪声、电磁干扰等外界环境因素的影响。

鉴于上述原因，我们不可能将相对成熟的数字电路故障诊断方法直接移植到模拟电路系统中区解决问题，必须根据模拟电路自身的特点去探索新的行之有效的诊断理论和方法。

3 模拟电路软故障诊断方法

随着微电子技术的迅速发展，电路的复杂性日益提高，集成度不断增大，在宇航、军事、科研等各方面所使用的电子设备，其可靠性要求更加苛刻，实时监测和故障排除的要求更具挑战性。传统的故障诊断方法已经不能适应技术发展的需求，要求科技人员和理论工作者进一步探索新的理论和方法，常用的模拟电路软故障分析方法有：属于传统的模拟电路软故障诊断方法的故障字典法、参数识别法、故障验证法、逼近法；适用于现代模拟电路软故障诊断方法的基于专家系统、神经网络、模糊理论、小波变换、遗传算法等理论发展起来的新方法。

3.1 小波分析故障诊断方法

小波分析的基本原理：通过小波母函数在尺度上的伸缩和时域上的平移来分析信号，适当选择母函数，可以使扩张函数具有较好的局部性，因此，它是一种时一频分析方法。即小波分析故障诊断机理包括的两个方面：利用观测器信号的奇异性进行故障诊断，以及利用观测器信号频率结构的变化进行故障诊断。小波分析不需要系统的数学模型，故障检测灵敏准确，运算量也不大，对噪声的抑制能力强，对输入信号要求低，但在大尺度下由于滤波器的时域宽度较大，检测时会产生时间延迟，且不同小波基 的选取对诊断结果也有影响。小波分析与神经网络的结合，是一个十分活跃的研究领域。小波分析是一种时-频分析方法，在时-频域具有良好的局部化性质并具有多分辨分析的特性：

目前，小波分析与神经网络的结合有以下两个途径：一个途径是辅助式结合，比较典型的是利用小波分析对信号进行预处理，然后用神经网络学习与判别；另一个途径是嵌套式结合，即把小波变换的运算融入到神经网络中去，形成所谓的神经网络一小波分析或小波网络。可以看到，小波神经网络由于把神经网络的自学习特性和小波的局部特性结合起来，具有自适应分辨性和良好的容错性，因此又为软故障诊断开辟了一条新路，既拓宽了神经网络理论、模糊理论、小波分析方法的应用领域，同时，又为解决软故障诊断的实用化找到了突破口，推动了模拟电路软故障诊断理论和方法的进一步发展。

3.2 故障字典法

故障字典法，其基本思想是首先提取电路在各种故障状态下的电路特征，然后将特征与故障的一一对应关系列成一个字典。在实际诊断时，只要获取电路的实时特征，就可以从故障字典中查出此时对应的故障。故障字典法是最具实用价值的故障诊断方法，因为几乎所有的计算量都集中在测前，测后只需要查字典定位故障，所以能做到实时诊断。然而故障字典法需要在测前确定电路的故障集，如果考虑软故障的情况，建立的字典将无穷大，所以在实际应用中一般用来处理单故障和硬故障，应用受到极大的限制。

在诸多模拟电路故障诊断方法中，故障字典法是最成熟和最具有实用价值的一种方法，它属于测前仿真故障诊断方法（与测后仿真方法相对而言）。故障字典技术包含三项重要内容：故障字典的构建、测点选择和故障诊断。为了构造初始故障字典，首先列出所有潜在故障并选定测试信号，包括类型、频率、幅度等。然后用选定测试信号激励被测电路，包括无故障和所有故障状态，最后记录下所有备选测点上的响应特征，如电压、电流等参量或由这些参量计算得到的故障特征，并存放于故障字典中。测点选择的任务是根据给定的测试性指标从初始故障字典中选择最少的测点构成最优故障字典，并根据选择结果设置实际的物理测点和选择测试激励以及测试参量。故障诊断阶段只需要用与构造字典阶段相同的信号激励被测电路，根据测点上获得的参数计算故障特征，将故障特征与最优字典相比较诊断出故障。

本文主要研究模拟电路软故障诊断，介绍了模拟电路故障的软故障和硬故障的概念，并详细分析了模拟电路故障的特点；系统的分析了模拟电路故障诊断发展困难的原因，详细的介绍了两种现代模拟电路软故障诊断方法，小波分析故障诊断方法和故障字典法，为今后模拟电路故障诊断方法的研究提供参考。

[1]姚俊华．模拟电路软故障诊断方法的研究[D]．电子科技大学,2010．

[2]杨士元,胡梅,王红．模拟电路软故障诊断的研究[J]．微电子学与计算机,2008,01:1-8．