模拟电路故障诊断的要求与方法

杨建滨　施　瑛

[摘要]随着电路系统的复杂程度不断提高，模拟电路故障率占据总故障率的大部分，因此人们更为迫切地希望提高模拟电路整体可靠性与可维护性。首先介绍模拟电路故障原因和故障诊断的要求，然后简要阐述故障诊断的方法。

[关键词]模拟电路 故障诊断 方法

中图分类号：TN4文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0320012－01

任何一个系统，从某种意义上说，都是一台“故障发生器”。即使采用最严格的可靠性设计与管理，作为合格对立面的故障却总是存在的，只是故障率或高或低、故障后果或重或轻而已。于是研究故障诊断的理论与应用，对于保证系统可靠性来说是至关重要的。随着现代自动化水平的日益提高，系统规模不断扩大，系统复杂性迅速增加，同时其投资也越来越大，从而引起维修费用的增高，停机损失巨大或事故后果严重等问题。因此，对于大型复杂系统，人们更为迫切地希望提高其整体可靠性与可维护性，而故障诊断技术恰好为达到这一目标提供了途径。

一般系统故障诊断的基本原理是对比测试法，即根据实际系统输出与参考模型输出或与标准值的比较，来判断系统是否存在故障。若存在故障，则从检测到的故障信息中分离出故障征兆，据此识别故障原因，将故障源定位，并采取相应的处理措施。

一、模拟电路故障原因

模拟电路发生了故障，就不能达到设计时所规定的功能和指标。这种电路称为故障电路。引起电路产生故障的原因千差万别，但通常可将其归为来自设计阶段、制造阶段和使用阶段等三个方面。有的故障是由于设计不当产生的，有的故障是由于制造工艺上的缺陷造成的，有的故障是在长期使用过程中，由于磨损、老化、损耗、疲劳等原因造成的。

在实际工作中，模拟电路是电子系统中容易发生故障的薄弱环节，据统计，即使80％的电路板是数字电路，但80％的故障却出自模拟电路。模拟电路中的故障从程度上区分，可分为软故障和硬故障。软故障，即故障元件的参数值随着时间或环境条件而偏离至不能允许的程度，也就是超过该元件参数的容差范围；硬故障，即故障元件的参数突然发生大的变化，例如短路、开路、元件损坏等。

从故障电路中同时故障数区分，可分为单故障和多故障。单故障，即电路中只有一个元件发生故障；多故障，即电路中同时有两个或两个以上的元件发生故障。从故障电路中不同故障的关系来区分，可分为独立故障和从属故障。独立故障，即电路中两个或多个元件发生故障时，彼此不存在因果关系；从属故障，即一个元件发生故障后，导致另一个元件发生故障，这个被诱发的故障称为从属故障。从故障在电路中随时间的表现形式来看，可分为永久性故障和间歇性故障。永久性故障，即故障不能自动恢复原状，例如开路、短路等；间歇性故障，这种故

障只是暂时发生，时有时无，例如接触不良等。

二、模拟电路故障诊断的要求

对模拟电路故障诊断的要求，分为故障测试、故障定位和故障识别三级。判断被测试电路是否存在故障，称为故障测试，这是最低级的要求；高一级的要求是判断出各故障所在的子电路、组件或元件，称为故障定位，当然，故障定位的范围要求越小越好，最好能定位到元件，在电子设备的维修工作中，在模拟电路的故障定位后，对于含有故障的单元（子电路、组件或元件）就可用好的单元进行更换；更高一级的要求是确定故障元件的参数值，称为故障识别。在模拟电路生产工作中，就可以对故障元件参数进行修正，例如采用激光微调技术修正模拟集成电路中的元件参数，通过故障定位，尤其是故障识别，可以改进模拟电路的生产，以为可找到生产中的缺陷及其所产生的原因，从而可改进工艺，提高成品合格率。

为了适应工业实用上自动故障测试的需要，对模拟电路故障诊断方法也有一定的要求，选择一个理想的故障诊断方法应符合下列一些准则。

模拟电路可分为无源电路或有源电路，线性电路或非线性电路，规模有大有小，各种故障诊断方法都有一定的适应范围，当然适应范围越广越好。从功能看，有的方法只能诊断单故障、硬故障；有的还能诊断软故障、多故障；有的只能定位至子电路，有的可定位至元件；有的可识别故障元件参数。所选择方法应对被测电路适用，其功能越强越好，应能满足被测电路所需的故障诊断要求。由于诊断每个被测试件都需要在现场进行在线计算一次，在选择故障诊断方法时，它所需的在线计算量应尽量小，宁可让离线计算量适当多一些，以建立复杂的数据库，而减少在线计算量。

三、故障诊断方法

对于模拟电路，有许多种诊断方法。对于这些诊断方法，可从不同的角度进行分类，具体可归纳为以下几种分类方法：从诊断是否仅仅限于故障诊断、或进一步要求故障的定位或定值来分类；根据待诊断电路的复杂性（例如线性或非线性）来分类；根据诊断过程中能否充分保证测试条件来分类。目前文献中介绍的诊断方法大都是采用对被诊断电路进行现场测试之先于（或后于）电路仿真的方法来分类。此法故分为以下两类：

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

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

这两类诊断法又可分为许多具体方法。

测前仿真法中的主要方法是故障字典法。故障字典法在数字电路的故障诊断中是较为常用的一种方法。该方法的思路是预先仿真出种种常见故障状态的网络端口征兆，然后将这些端口征兆经过某种处理后编成一部字典，称作故障字典。诊断时就根据待诊断电路的现场测试结果，在字典中检索出相应的故障类型，因此，这种方法本质上是一种经验性的诊断方法。由于模拟电路中的故障现象十分复杂，需要考虑的因素很多（包括故障值的连续性和容差等问题），因此，用字典法诊断模拟电路的故障不如数字电路有效。但它毕竟是在模拟电路故障诊断领域早期就已发展起来的一种主要方法，也确实能够解决不少实际问题，特别是那些对输入－输出特性难于深入进行解析分析的系统问题。人们对它作了大量改进工作，已适应模拟电路更多的特性。

测后仿真法中的两类主要方法是：元件参数解法和预猜验证法。其中元件参数解法是通过解析分析，直接从网络响应与元件参数值之间的关系中求解出元件的实际参数值，因此在测试条件充分的情况下，有可能不牵涉容差问题。但是，正因为它是通过解析分析直接从网络响应与元件参数值之间的关系中求解出元件的实际参数值，所以它只适用于故障元件的位置已明确的场合。在元件参数解法中，待诊断电路即使是线性的，其诊断方程通常是非线性的，因此计算起来比较复杂，一般需要有较大容量的计算机。特别是当需要从非线性诊断方程中解出所有元件的参数值时，从可解性的条件出发，端口测试必须充分。

参考文献：

[1]李春明，模拟电路故障诊断的神经网络方法[J].内蒙古工业大学学报（自然科学版），2000,(02).

[2]杜鑫、唐大全、杨应成，模拟电路故障诊断技术的发展[J].测控技术，2003,(07).