現(xiàn)代模擬電路的故障診斷初探

李帥

摘要：隨著現(xiàn)代科技水平的不斷提高，電子設(shè)備在家用、通信、測(cè)量、自動(dòng)控制、運(yùn)輸、科研等領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用。同時(shí)，半導(dǎo)體、集成電路技術(shù)的發(fā)展使得電路系統(tǒng)的規(guī)模急速加大。這樣，在滿足需求的同時(shí)，設(shè)備發(fā)生故障的可能性與復(fù)雜性也在相應(yīng)增加，尤其在自動(dòng)化工廠、通信以及航空、航天等領(lǐng)域，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障而不及時(shí)維修排除，可能會(huì)造成的損失是難以估量的。模擬電路廣泛應(yīng)用于軍工、通訊、自動(dòng)控制、測(cè)量?jī)x表、家用電器等各個(gè)方面。隨著大規(guī)模模擬集成電路的發(fā)展，模擬電路的復(fù)雜度和密集度不斷增長(zhǎng)，對(duì)模擬電路運(yùn)行可靠性的要求更為嚴(yán)格。在模擬電路發(fā)生故障后，要求能及時(shí)將故障診斷出來，以便檢修、調(diào)試和替換。

關(guān)鍵詞：模擬電路;故障;診斷

1.模擬電路故障的概述

1.1故障產(chǎn)生的原因

模擬電路產(chǎn)生故障的原因主要來自設(shè)計(jì)、制造和使用三方面。一部分故障是由于設(shè)計(jì)不當(dāng)而引起的，另一些故障是由于制造工藝的缺陷而造成的，還有一些故障則是在長(zhǎng)期的使用過程中由于元器件磨損、老化、疲勞等原因造成的。

1.2故障特征

電路發(fā)生故障時(shí)，其特征與正常狀態(tài)時(shí)相比有所變化，引入故障特征的概念是為了表示這種變化。故障特征可以有各種不同的表現(xiàn)形式，比如可以是電路在不同時(shí)間間隔或不同頻率下的輸入輸出信號(hào);也可以是電路節(jié)點(diǎn)上或電路的外部連接點(diǎn)上的交流或直流電壓;還可以是線性電路的傳遞函數(shù)或其他相關(guān)函數(shù)。此外，還有電路的紅外特征，即以電路元器件發(fā)生故障前后表面溫度的變化作為特征量。

1.3故障類型

模擬電路的故障類型從元件的角度包括兩大類。硬故障：指元件的開路或短路失效故障;軟故障：指元件參數(shù)值超出元件容許的容差范圍，一般它們均未使設(shè)備完全失效，例如，由于元件的老化、變質(zhì)或使用環(huán)境的變化等造成的元件參數(shù)變化。嚴(yán)格的說，網(wǎng)絡(luò)中元件產(chǎn)生硬故障已經(jīng)改變了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但在模擬電路故障診斷中仍將它們看作是元件（支路）的故障，電路中發(fā)生硬故障，經(jīng)常導(dǎo)致系統(tǒng)嚴(yán)重失效，甚至完全癱瘓，而發(fā)生軟故障一般僅引起系統(tǒng)性能的異化或者惡化，因?yàn)閷?duì)硬故障的監(jiān)測(cè)與診斷比軟故障要容易些，可診斷軟故障的方法一般也可以診斷硬故障，因?yàn)橛补收峡梢钥醋魇擒浌收系囊粋€(gè)特例。

2.現(xiàn)代模擬電路故障診斷理論和方法

目前，常見的人工智能技術(shù)主要包括專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換等。

2.1專家系統(tǒng)故障診斷方法

專家系統(tǒng)在模擬電路故障診斷中的典型應(yīng)用是基于產(chǎn)生式規(guī)則的系統(tǒng)，其基本工作原理是：首先把專家知識(shí)及診斷經(jīng)驗(yàn)用規(guī)則表示出來，形成故障診斷專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)，進(jìn)而根據(jù)報(bào)警信息對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行推理，診斷出故障元件。模擬電路故障與征兆之間的關(guān)系易于用直觀的、模塊化的規(guī)則表示出來;基于產(chǎn)生式規(guī)則的專家系統(tǒng)允許增加、刪除或修改一些規(guī)則，以確保診斷系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和有效性;能夠在一定程度上解決不確定性問題;給出符合人類語(yǔ)言習(xí)慣的結(jié)論并具有相應(yīng)的解釋能力等。雖然專家系統(tǒng)能夠有效的模擬故障診斷專家完成故障診斷的過程，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一定缺陷，其主要問題是知識(shí)獲取的瓶頸問題、知識(shí)難以維護(hù)，知識(shí)推理的“組合爆炸”和“無窮遞歸”問題以及不能有效解決故障診斷中許多不確定因素，這些問題大大影響了故障診斷的準(zhǔn)確性。

2.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷方法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)重于信息的自組織、自學(xué)習(xí)能力。它就是采用物理上可以實(shí)現(xiàn)的器件、系統(tǒng)或現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)來模擬人腦的結(jié)構(gòu)和功能的人工系統(tǒng)。它是一個(gè)廣泛連接的巨型系統(tǒng)，能分布式存儲(chǔ)信息，具有并行處理功能和自學(xué)習(xí)、自組織和自適應(yīng)功能。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特別適合處理那些故障診斷中無法用顯性公式表示的、具有復(fù)雜非線性關(guān)系的情況，能夠出色解決那些傳統(tǒng)模式識(shí)別方法難以圓滿解決的由于非線性、反饋回路和容差等引起的問題;它以分布的方式存儲(chǔ)信息，利用網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和權(quán)值分布實(shí)現(xiàn)非線性的映射，利用全局并行處理實(shí)現(xiàn)從輸入空間到輸出空間的非線性信息變換，有效解決了復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷中存在的故障知識(shí)獲取的“瓶頸”、知識(shí)推理的“組合爆炸”等問題。

2.3小波變換故障診斷方法

小波分析在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部化性質(zhì)，可以對(duì)高頻成分采用逐漸精細(xì)的時(shí)域或空間域取代步長(zhǎng)，從而可以聚集到對(duì)象的任意細(xì)節(jié)。當(dāng)把小波與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，即形成小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或小波網(wǎng)絡(luò)。它是在小波分析研究基礎(chǔ)上提出的一種前饋網(wǎng)絡(luò)。

其基本思想是用小波元代替了神經(jīng)元，即激活函數(shù)為已定位的小波函數(shù)基，通過仿射變換建立起小波變換與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接。小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)特性和小波的局部特性結(jié)合起來，具有自適應(yīng)分辨性和良好的容錯(cuò)性，為故障診斷開辟了一條新路。但小波網(wǎng)絡(luò)直接對(duì)信號(hào)辨識(shí)后，怎樣構(gòu)造出能表征故障類型的特征向量是本方法的難點(diǎn)。

3.模擬電路故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

目前，模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與故障診斷的緊密結(jié)合是的模擬電路故障診斷技術(shù)有了新的發(fā)展。近年來，人們?cè)絹碓蕉嗟剡\(yùn)用新興的模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論解決診斷知識(shí)的表達(dá)問題。廣泛使用的知識(shí)表示方式，可以方便地將知識(shí)組織成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的知識(shí)庫(kù)形式。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是采用物理上可以實(shí)現(xiàn)的器件、系統(tǒng)或現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)來模擬人腦的結(jié)構(gòu)和功能的人工系統(tǒng)。它廣泛連接的巨型系統(tǒng)，能分布式存儲(chǔ)信息，具有并行處理功能和自學(xué)習(xí)、自組織和自適應(yīng)功能。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)，為故障診斷問題提供了一種新方法，特別是對(duì)那些由于解析模型的故障診斷方法而難以建立系統(tǒng)模型的復(fù)雜系統(tǒng)，基于知識(shí)的故障診斷方法成了非常重要的、也是實(shí)際可行的解決途徑，并已在許多實(shí)際系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用。

近年來模擬電路故障診斷的技術(shù)不斷有突破發(fā)展，推陳出新，在實(shí)際運(yùn)用中也有很多的成功實(shí)例，但是隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是大規(guī)模電路的不斷涌現(xiàn)，模擬電路故障診斷還未完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化。模擬電路的研究領(lǐng)域又面臨著新的挑戰(zhàn)，開展故障診斷的理論方法研究顯得更加重要。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹榮敏，關(guān)靜麗，張果.電子電路模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷研究及仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2005，11（25）

[2]王玲.大規(guī)模模擬電路故障診斷理論與方法研究[D].湖南大學(xué)，2006，4