模擬電路故障診斷的要求與方法

楊建濱　施　瑛

[摘要]隨著電路系統(tǒng)的復(fù)雜程度不斷提高，模擬電路故障率占據(jù)總故障率的大部分，因此人們更為迫切地希望提高模擬電路整體可靠性與可維護(hù)性。首先介紹模擬電路故障原因和故障診斷的要求，然后簡要闡述故障診斷的方法。

[關(guān)鍵詞]模擬電路 故障診斷 方法

中圖分類號：TN4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0320012－01

任何一個系統(tǒng)，從某種意義上說，都是一臺“故障發(fā)生器”。即使采用最嚴(yán)格的可靠性設(shè)計與管理，作為合格對立面的故障卻總是存在的，只是故障率或高或低、故障后果或重或輕而已。于是研究故障診斷的理論與應(yīng)用，對于保證系統(tǒng)可靠性來說是至關(guān)重要的。隨著現(xiàn)代自動化水平的日益提高，系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)復(fù)雜性迅速增加，同時其投資也越來越大，從而引起維修費(fèi)用的增高，停機(jī)損失巨大或事故后果嚴(yán)重等問題。因此，對于大型復(fù)雜系統(tǒng)，人們更為迫切地希望提高其整體可靠性與可維護(hù)性，而故障診斷技術(shù)恰好為達(dá)到這一目標(biāo)提供了途徑。

一般系統(tǒng)故障診斷的基本原理是對比測試法，即根據(jù)實際系統(tǒng)輸出與參考模型輸出或與標(biāo)準(zhǔn)值的比較，來判斷系統(tǒng)是否存在故障。若存在故障，則從檢測到的故障信息中分離出故障征兆，據(jù)此識別故障原因，將故障源定位，并采取相應(yīng)的處理措施。

一、模擬電路故障原因

模擬電路發(fā)生了故障，就不能達(dá)到設(shè)計時所規(guī)定的功能和指標(biāo)。這種電路稱為故障電路。引起電路產(chǎn)生故障的原因千差萬別，但通?？蓪⑵錃w為來自設(shè)計階段、制造階段和使用階段等三個方面。有的故障是由于設(shè)計不當(dāng)產(chǎn)生的，有的故障是由于制造工藝上的缺陷造成的，有的故障是在長期使用過程中，由于磨損、老化、損耗、疲勞等原因造成的。

在實際工作中，模擬電路是電子系統(tǒng)中容易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)，據(jù)統(tǒng)計，即使80％的電路板是數(shù)字電路，但80％的故障卻出自模擬電路。模擬電路中的故障從程度上區(qū)分，可分為軟故障和硬故障。軟故障，即故障元件的參數(shù)值隨著時間或環(huán)境條件而偏離至不能允許的程度，也就是超過該元件參數(shù)的容差范圍；硬故障，即故障元件的參數(shù)突然發(fā)生大的變化，例如短路、開路、元件損壞等。

從故障電路中同時故障數(shù)區(qū)分，可分為單故障和多故障。單故障，即電路中只有一個元件發(fā)生故障；多故障，即電路中同時有兩個或兩個以上的元件發(fā)生故障。從故障電路中不同故障的關(guān)系來區(qū)分，可分為獨(dú)立故障和從屬故障。獨(dú)立故障，即電路中兩個或多個元件發(fā)生故障時，彼此不存在因果關(guān)系；從屬故障，即一個元件發(fā)生故障后，導(dǎo)致另一個元件發(fā)生故障，這個被誘發(fā)的故障稱為從屬故障。從故障在電路中隨時間的表現(xiàn)形式來看，可分為永久性故障和間歇性故障。永久性故障，即故障不能自動恢復(fù)原狀，例如開路、短路等；間歇性故障，這種故

障只是暫時發(fā)生，時有時無，例如接觸不良等。

二、模擬電路故障診斷的要求

對模擬電路故障診斷的要求，分為故障測試、故障定位和故障識別三級。判斷被測試電路是否存在故障，稱為故障測試，這是最低級的要求；高一級的要求是判斷出各故障所在的子電路、組件或元件，稱為故障定位，當(dāng)然，故障定位的范圍要求越小越好，最好能定位到元件，在電子設(shè)備的維修工作中，在模擬電路的故障定位后，對于含有故障的單元（子電路、組件或元件）就可用好的單元進(jìn)行更換；更高一級的要求是確定故障元件的參數(shù)值，稱為故障識別。在模擬電路生產(chǎn)工作中，就可以對故障元件參數(shù)進(jìn)行修正，例如采用激光微調(diào)技術(shù)修正模擬集成電路中的元件參數(shù)，通過故障定位，尤其是故障識別，可以改進(jìn)模擬電路的生產(chǎn)，以為可找到生產(chǎn)中的缺陷及其所產(chǎn)生的原因，從而可改進(jìn)工藝，提高成品合格率。

為了適應(yīng)工業(yè)實用上自動故障測試的需要，對模擬電路故障診斷方法也有一定的要求，選擇一個理想的故障診斷方法應(yīng)符合下列一些準(zhǔn)則。

模擬電路可分為無源電路或有源電路，線性電路或非線性電路，規(guī)模有大有小，各種故障診斷方法都有一定的適應(yīng)范圍，當(dāng)然適應(yīng)范圍越廣越好。從功能看，有的方法只能診斷單故障、硬故障；有的還能診斷軟故障、多故障；有的只能定位至子電路，有的可定位至元件；有的可識別故障元件參數(shù)。所選擇方法應(yīng)對被測電路適用，其功能越強(qiáng)越好，應(yīng)能滿足被測電路所需的故障診斷要求。由于診斷每個被測試件都需要在現(xiàn)場進(jìn)行在線計算一次，在選擇故障診斷方法時，它所需的在線計算量應(yīng)盡量小，寧可讓離線計算量適當(dāng)多一些，以建立復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫，而減少在線計算量。

三、故障診斷方法

對于模擬電路，有許多種診斷方法。對于這些診斷方法，可從不同的角度進(jìn)行分類，具體可歸納為以下幾種分類方法：從診斷是否僅僅限于故障診斷、或進(jìn)一步要求故障的定位或定值來分類；根據(jù)待診斷電路的復(fù)雜性（例如線性或非線性）來分類；根據(jù)診斷過程中能否充分保證測試條件來分類。目前文獻(xiàn)中介紹的診斷方法大都是采用對被診斷電路進(jìn)行現(xiàn)場測試之先于（或后于）電路仿真的方法來分類。此法故分為以下兩類：

1．測前仿真法（simulation before test approach）

2．測后仿真法（simulation after test approach）

這兩類診斷法又可分為許多具體方法。

測前仿真法中的主要方法是故障字典法。故障字典法在數(shù)字電路的故障診斷中是較為常用的一種方法。該方法的思路是預(yù)先仿真出種種常見故障狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)端口征兆，然后將這些端口征兆經(jīng)過某種處理后編成一部字典，稱作故障字典。診斷時就根據(jù)待診斷電路的現(xiàn)場測試結(jié)果，在字典中檢索出相應(yīng)的故障類型，因此，這種方法本質(zhì)上是一種經(jīng)驗性的診斷方法。由于模擬電路中的故障現(xiàn)象十分復(fù)雜，需要考慮的因素很多（包括故障值的連續(xù)性和容差等問題），因此，用字典法診斷模擬電路的故障不如數(shù)字電路有效。但它畢竟是在模擬電路故障診斷領(lǐng)域早期就已發(fā)展起來的一種主要方法，也確實能夠解決不少實際問題，特別是那些對輸入－輸出特性難于深入進(jìn)行解析分析的系統(tǒng)問題。人們對它作了大量改進(jìn)工作，已適應(yīng)模擬電路更多的特性。

測后仿真法中的兩類主要方法是：元件參數(shù)解法和預(yù)猜驗證法。其中元件參數(shù)解法是通過解析分析，直接從網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)與元件參數(shù)值之間的關(guān)系中求解出元件的實際參數(shù)值，因此在測試條件充分的情況下，有可能不牽涉容差問題。但是，正因為它是通過解析分析直接從網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)與元件參數(shù)值之間的關(guān)系中求解出元件的實際參數(shù)值，所以它只適用于故障元件的位置已明確的場合。在元件參數(shù)解法中，待診斷電路即使是線性的，其診斷方程通常是非線性的，因此計算起來比較復(fù)雜，一般需要有較大容量的計算機(jī)。特別是當(dāng)需要從非線性診斷方程中解出所有元件的參數(shù)值時，從可解性的條件出發(fā)，端口測試必須充分。

參考文獻(xiàn)：

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