基于Pspice仿真的某型装备电路故障诊断方法

吴付栓 舒畅 陈远江

（武汉军械士官学校，武汉 430075）

1 引 言

随着装备电子线路日趋复杂，电路测试和诊断在整个装备维修保障过程中所占的比例急剧增加，最好的解决办法是在产品设计阶段就考虑其一旦发生故障，应如何测试和诊断。利用计算机辅助分析技术可以对硬件的结构和工作方式进行重构，大大节约资金和时间，为问题的解决提供了有效途径，Pspice仿真软件是实现这一目标的有力工具。故障字典分析诊断法是目前最具实用价值的电路故障诊断方法[1-2]，以往利用故障字典诊断法研究故障诊断，大多只是针对单纯的模拟电路或数字电路，随着电子技术发展的日新月异，大量涌现的电子线路多数是数模混合电路。因此，寻求混合电路故障诊断的实用方法更加重要，本文将故障字典诊断法的具体实现进行了扩展，采用混合编码方式，并借助Pspice仿真软件进行了混合电路故障诊断方法研究，同时设计虚拟测试设备实现混合电路的测试与诊断。

2 原理与实现方法

利用Pspice仿真软件研究混合电路故障诊断的实用方法PspiceAPD是一个通用的芯片级电路仿真分析程序，它可以对数字电路、模拟电路及混合电路进行仿真[1,3]，利用PspiceAPD来研究混合电路故障诊断问题主要涉及以下几个方面。

2.1 建立仿真模型

Pspice的配套软件 Capture是一个功能强大的电路原理图设计软件，它能够采用人机交互图形编辑方式绘制电路原理图。当Pspice自带模型库中定义的器件模型难以满足需要时，还可以自行建模。

2.2 选择故障模式并注入

理论上可以分析电路中所有的故障模式，但工程上却难以实现，一般是结合具体电路利用故障模式影响及危害性分析(FMECA)来确定发生故障概率较高、对系统危害程度较大的故障模式，将具有这种影响的故障模式构成该电路的故障模式集，将故障模式集中的故障注入到仿真模型中即达到故障注入的目的[4]，这可通过修改程序或直接修改仿真模型来实现。

2.3 选测试点采集数据

测试点实际上就是提取电路信息的观测点[5]。测试点数量的多少要视具体情况而定，一般只要将测试点分布在故障多发部位，并通过计算适当调整测试点的数量和位置就可以最终确定。考虑到故障隔离，初选测试点一般应与故障模式数量相当，而对于无法提供故障诊断信息的测试点应随时取消，并适当增加有用测试点。

2.4 进行仿真故障诊断

Probe模块是 Pspice的输出图形处理软件包，利用Probe模块可以得到电路中任何节点电压和支路电流的信息。Pspice完成电路仿真后可以调用Probe模块，观察仿真结果，检查电路的逻辑是否正确，通过分析电路的各种输出特性波形和数据来判断电路的故障状态，并结合数模混合电路的故障诊断方法来隔离故障。若对仿真结果波形进行再加工还可以提取更多的信息。

故障仿真的目的是通过仿真提取系统在各种故障状态下的响应特征，用于在实际诊断时与实测的特征响应相比较，最终确定故障状态。电子线路故障诊断的实用方法是故障字典法，它本质上是一种经验性的诊断方法，比较适合于作系统硬故障诊断，在实际的电路中硬故障约占电路故障的80%，所以采用故障字典法有实际意义[6～7]，利用故障字典法做故障诊断的关键是建立故障字典。

3 仿真实例分析

下面以某型装备的电源板控制电路为例，讨论如何借助Pspice仿真软件研究混合电路故障诊断方法。由于多故障组合状态的数量过大，发生的概率较低，且一些多故障往往又是相互联系的，有时可以当作单故障处理，因此本文只讨论单故障的情况。

3.1 建立仿真模型

该电源板控制电路主要由直流电源、脉宽调制器、后程处理转换器、保护电路及监控系统等部分组成。电路的输入是+12 V的直流电源，输出是一组+60 V、+6 V、+5 V、-2.7 V和-10 V恒定电压，是一个数模混合电路。在电源板控制电路中，围绕着脉宽调制器（PWM）建立起来的直流/直流转换器接受+12 V主电源电压，再把它转换为+60 V、+5 V、-2.7 V和-10V的恒定电压。此转换器工作在 100 kHz。一个同步电路通过 25 kHz的参考频率锁定此转换器开关频率。脉宽调制器用一个稳定的内部参考电压做比较而监控+5 V的输出电压，并产生可控制宽度的脉冲。为维持所要求的输出电压稳定，靠PWM内部电路的作用，脉冲宽度是可变的。

后程处理转换器包括一个开关进程。此开关进程由PWM提供的脉冲驱动，而它本身又驱动一个变压器。随着变压器次级线圈不同，不同的电压被整流和滤波。输出电压都是按比例均衡的，所以为了确保其它输出电压在容许限度内，仅监视一个输出电压就是足够了。被监视的电压是+5 V的输出电压：当它的电压升高，PWM 减少开关进程的导电时间，以便维持+5 V输出电压在期望值内，反之亦然。

3.2 建立故障字典

假设经过FMECA确定需要关注以下6种故障：(1)电容C3短路；(2)整流二极管D1短路；(3)电容C4短路；(4)电阻R1开路；(5)电阻R1短路；(6)三极管D1开路。6种故障分别用 F1～F6表示，电路正常时用 F0表示。下面通过选择测试点、注入故障来建立该混合电路的故障字典。该电路有十多个节点，既有模拟量又有数字量，根据前面选择测试点的原则暂选4个测试点，测试点电压分别用+60 V、+5 V、-2.7 V和-10 V表示。首先利用Pspice仿真，分别求出上述各种状态下的电压波形和相应模拟量的有效值，根据状态仿真结果，将测试点的有效值(此时基本为常值)及测试点在此刻的数字量值记录下来。

4 电路故障诊断的实现

下面建立一个虚拟的诊断设备，对上述数模混合电路实例进行故障诊断。为方便诊断，需要建立一个灵活的人机交互测试程序框架。测试框架中的元素，包括操作员界面、执行模块、数据库记录、数据和测试过程传递，测试数据转换、电路状态对照、显示结果、生成测试报告等。测试框架建立在Win2000的操作系统下，采用VB语言完成测试界面的友好交互，利用 Access数据库对在仿真过程中产生的故障字典数据信息进行统一管理，其它程序可以从中调用这些数据。

4.1 测试与诊断实现的基础数据

首先将经仿真分析得到的故障字典存入Access2000数据库中，建立一张数据库表来存储故障字典。

4.2 测试主界面功能

图1是测试的主控界面，分三个功能区。电原理图浏览区：用户可以察看利用Pspice仿真软件得到的被测电路原理图，浏览被测电路的功能特点，为测前准备提供帮助；实物浏览区：对照电原理图显示实物。输出测试点波形区，根据数据采集结果记录、存储各测试采集的数据、测试数据转换和显示结果等子功能组成；菜单和按钮区：包括帮助系统、输出测试报告和退出功能。其中，输出测试报告是对测试过程有用信息的汇总，包括测试的时间值、各测试点的测试值、电路状态描述等信息。

图1 电路仿真测试的主控界面

4.3 实现测试

对于数模混合电路，电路中各测试信息既有模拟量又有数字量，因此需要通过不同的接口采集测试点信息。从测试点采集的数据是数字量0或 1，将实测值保存。从模拟量测试点采集的原始数据，需经过转换处理得到相应的整数码，将它与前期保存的测试点的实测值组合构成测试码，转换后的测试码用数组方式存储，与故障字典表中的信息进行比较，并显示相应的诊断结果。如果电路故障模式得不到确定，则会给测试人员提示信息，在这种情况下，需要再次启动测前的数据准备工作，来补充故障字典中的故障模式信息。在测试工作过程中，为提高准确率，往往需要进行多次重复测试，每个采集时刻都只对应一个故障信息表，且表的结构保持一致，可采用上述实例中提供的方法来增加其它时刻对应的故障信息表，从而使故障信息库得到完善。

5 结束语

本文结合实例针对数模混合电路的故障测试与诊断进行了深入研究，得出以下结论：

(1)利用 Pspice仿真在电路设计阶段就可以随时注入故障，无硬件损伤，保证了电路故障分析试验的安全可靠。

(2)在数模混合电路中，各测试点的测试值既有模拟量也有数字量，由于模拟量在测量上存在一定误差，所转换的测试码可能会出现一定偏差，而数字量的值不是1就是0，因此，应尽可能选择数字量测试点，这会使诊断更加准确。

(3)结合具体电路实现的虚拟测试能够对可能的测试结果进行预测，发现测试过程中潜在的可能出现的各种中间和意外结果，同时可以实现对测试环境的缩放、剖析及测试过程的回溯，更好地了解故障诊断过程。

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[1]王立梅, 王晓峰. 基于 Pspice仿真的数模混合电路故障诊断方法研究[J]. 中国测试技术, 2004.30(6).

[2]Jinyan Cai Alam,MS An algorithm for dividing ambiguity sets for analog fault dictionary IEEE.Circuits and Systems, Aug, 2002: 89-92.

[3]胡荣强等.Pspice仿真软件及其在电力电子技术中的应用[J]. 电子设计自动化, 2004,(3).

[4]孙峻朝, 王建莹, 杨孝宗. 故障注入方法与工具的研究现状[J]. 宇航学报, 2001,22(1).

[5]Pinjala,KK. An approach for selection of test points for analog fault diagnosis. IEEE. Defect and Fault Tolerance in VLSI Systems, Nov, 2003: 287-294.

[6]Chakrabarti,S.Cherubal,S. and Chatterjee, Fault diagnosis for mixed-signal electronic systems .IEEE Aerospace Conference, March, 1999: 169-179.

[7]唐人杰. 模拟电子系统的自动故障诊断[M]. 北京: 高等教育出版社, 1991.