码元恢复电路的故障模拟与定位

刘苏杰， 黄文涛， 吕海飞， 周 敏

(上海无线电设备研究所, 上海 200090)

码元恢复电路的故障模拟与定位

刘苏杰， 黄文涛， 吕海飞， 周 敏

(上海无线电设备研究所, 上海 200090)

文章从码元恢复电路产品的复杂故障出发，分析电路原理，形成故障树；采用仿真软件建立开路和短路故障产品仿真模型，对故障树所有分支逐一仿真，并与真实故障波形对比；结合电路理论分析，确定故障排查步骤，试验表明故障定位准确。文章通过该电路故障的建模、仿真和定位，提供了一种清晰、准确、简便的复杂电路故障消除方法。

码元恢复； 电路仿真； 故障定位

0 引言

定位准确是航天产品质量问题技术归零的第一步。产品质量问题一旦发生，首先需要保护好现场核实问题。通过有关记录或试验，确定问题发生的准确部位。问题定位时，应从上到下逐层分解。在系统级发生的故障，逐步分解定位到分系统、单机、电路模块、元器件。在定位过程中，以尽可能不更改故障产品状态为前提，采用设计理论进行故障诊断和定位。对于简单的短路、开路的故障，通过繁琐的理论分析，能够完成故障的定位。然而，对于温度参数漂移(特别是半导体元器件)等复杂故障，采用理论分析很难准确定位电路的故障点，只能根据代价、经验进行器件更换。采用试探法进行故障排查，与质量问题定位“尽可能地维持产品状态下，进行故障定位”的原则相违背[1]。为解决这一问题，本文采用电路仿真技术进行故障树分支的排查，实现故障的准确定位[2]。本文以某通信码元恢复电路产品的复杂、奇特故障问题为例，结合电路原理分析，通过建立故障树各分支的短路、开路的故障仿真模型，分析仿真结果，排查和初步定位了可能导致该故障的器件，合理制定故障消除步骤，修复了码元恢复电路。试验证明：该方法清晰地给出了故障排查思路，提高了故障定位的准确度，简化了故障消除步骤，降低排故过程中对故障理论分析能力的要求。

1 电路组成原理

码元恢复电路是某通信设备使用的基带二进制数字解调系统的重要组成部分，其功能是解调输入信号中所携带的码元信息，主要由检波器、低通滤波器、比较器组成[3]。图1是码元恢复电路的原理框图。

码元恢复电路的输入是前级射频解调电路形成二进制振幅键控信号(2ASK)，经过匹配滤波、放大后形成梯形包络形状的波形。该波形携带基带信号通过隔直电容，形成A处波形，如图2所示。再送给包络检波器形成基带输入信号的包络，即B处波形。通过阈值比较，在C处形成码元输出[4]。

2 故障现象与分析

某码元恢复电路产品出现C处码元输出异常的故障。采用示波器可以观测到C处波形出现第一个脉冲变窄，第二个脉冲很窄，第三个脉冲没有复杂故障。选用示波器观看A、B、C三处波形，如图3所示。

对比图2、图3，可以看出故障产品A处波形异常，引起B处波形异常峰值递减，最终使码元输出呈现复杂故障。故障产品A处波形特点：在三个基带信号传输时，正向包络幅度偏低，并且逐个包络递减；在三个基带信号传输时，逐渐积累负向直流偏置；且在无基带信号时，直流偏置慢慢回零。

产品电路图如图4所示，由6个电阻、3个电容、2个二极管、1个比较器组成。

结合图2～4，故障产品输入基带信号为信号源输入，A、B、C处波形均存在异常，A处波形异常是整个故障的根本。电容C1、二极管D1、D2、电阻R5直接与电路节点A相连；而R4、C2、R6、C3在二极管D1、D2导通后与A处相连。因此，该波形异常的故障树构成如图5所示。

综上所述，电路故障已初步判定出现在隔直电路与包络检波电路中。但组成电路的8个器件均可能与该故障相关，理论分析将需要考虑两个二极管的导通和断开、两个电容的充电和放电等较多的状态，准确无误的判断哪一个器件故障导致的该奇特的故障波形，成为一个非常棘手的技术难题。如果允许拆装元器件，将非常有利于问题的分析和定位，然而产品质量归零的要求却不允许。因此，对码元恢复电路进行故障仿真分析，成为解决该问题的最好选择。即建立电路仿真模型，对电路可能的故障进行电路模拟仿真，将故障仿真曲线和实际故障波形进行比较和理论分析，定位导致该故障的失效器件，再按步骤进行故障排除试验。

3 电路建模与仿真

码元恢复电路的建模是在ORCAD/CAPTURE软件支持下，从软件提供的仿真模型库PSPICE.lib中取电容、电阻、二极管等的元器件仿真模型，并完成电阻、电容等参数的设置。运用CAPTURE提供的绘图工具，按照图4完成这些元器件之间的互连，形成码元恢复电路仿真模型[5]。

电路仿真设置在Pspice菜单下，选择New Simulation Profile，新建时域仿真项目及仿真文件，运行Pspice/Run进行仿真，即可在弹出的窗口中看到A、B、C三处仿真输出波形，如图6所示。

从图6可以看出，仿真模型的A、B、C的波形，与图2基本一致。

4 故障建模与仿真

电子元器件的实际故障模式较为复杂，可能是器件模型的其中一个参数出现短路、开路、参数漂移。如果考虑频率特性、温度特性等参数漂移故障，故障产品仿真所使用的元器件参数模型需要针对故障重新建立元器件故障模型，且故障模型不止一个。元器件故障仿真模型可以按照元器件的类型进行建模，根据实际情况进行工作状态等效，通过修改器件模型中的参数值，建立实用的故障模型。具体方法是利用PSPICE内部的Model Editor模块建立电路中所有元器件的故障模型，将它们存储在一个.OLB文件中，即建立了元器件的故障模型库[6]。

上述电路故障仿真方法可以更真实地进行故障模式的仿真，复现故障现象。然而，在不知道故障模式的前提下，建立元器件、温度参数的漂移故障模型，是一个难以解决的问题。因此，本文结合故障树，针对故障分支开路、短路建立仿真模型，与真实故障波形进行对比，进行器件虚拟故障的诊断与排除。

从故障树可以看出，共有8个器件可能出现了故障。在基本电路仿真模型的基础上，对电阻、电容、二极管的开路和短路分别建立故障仿真模型。然后，进行短路、开路故障的仿真分析，并与实际故障特征相比较。具体的建模和分析情况如下。

4.1 C1故障仿真

运用CAPTURE提供的建模工具，将图4电容C1删除，建立电容C1的开路故障仿真模型，并进行仿真，结果如图7(a)所示。将图4电容C1删除，两端用短线相连，建立电容C1的短路故障仿真模型，并进行仿真，结果如图7(b)所示。图中曲线变化趋势与故障产品不一致。

4.2 D1故障仿真

将图4二极管D1删除，建立二极管D1的开路故障仿真模型，并进行仿真，结果如图8(a)所示。将图4二极管D1删除，两端用短线相连，建立二极管D1的短路故障仿真模型，并进行仿真，结果如图8(b)所示。

将图2故障波形与图8仿真曲线进行对比， D1开路和短路的曲线变化趋势与故障产品较为相似，但在幅度上存在较大差异。在包络递减变化大小方面，D1短路与故障产品一致，三个包络幅度依次略有下降，且下降幅度基本一致。在直流偏置大小方面，D1开路与故障产品基本一致，需要较长时间才能恢复。

4.3 D2故障仿真

与4.2同样的方法建立D2故障仿真模型，并进行仿真，结果如图9所示。图中曲线变化趋势与故障产品相反。

4.4 R5故障仿真

分别设置电阻R5的阻值为0.000 1 Ω、100 MΩ，模拟电阻失效的短路、开路两个状态，进行电阻故障仿真，如图10所示。图中曲线变化趋势与故障产品不一致。

4.5 R4故障仿真

与4.4同样的方法建立R4故障仿真模型，并进行仿真，结果如图11所示。图11(a)中曲线变化趋势与故障产品不一致，图11(b)中的曲线直流偏置永远不回零，与故障变化不一致。

4.6 C2故障仿真

与4.1同样的方法建立C2故障仿真模型，并进行仿真，结果如图12所示。图12(a)中的曲线直流偏置回零过快，与故障变化不一致。图12(b)中曲线变化趋势与故障产品不一致。

4.7 R6故障仿真

与4.4同样的方法建立R6故障仿真模型，并进行仿真，结果如图13所示。图中曲线变化趋势与故障产品不一致。

4.8 C3故障仿真

与4.1同样的方法建立C3故障仿真模型，并进行仿真，结果如图14所示。图中曲线变化趋势与故障产品不一致。

5 故障定位分析与试验

根据上述8个器件的短路、开路仿真曲线与故障产品输出波形对比，结果表明：没有任何一个仿真能够完全复现故障产品波形，说明故障并非简单通断故障。将开路、短路的电路仿真曲线和故障曲线进一步对比分析，有以下结论。

a) 二极管D1短路、开路的仿真各具备故障产品的一个特征，因此二极管D1导致该故障的可能性最大;

b) 电容C2开路，也具备故障的一个特征，只是直流偏置回零时间太短，与故障现象不符合。从机理上分析可以认为，该回零时间是由于电路其它器件(如二极管D1)内部电容放电形成。因此，电容C2导致该故障，必须是两个或多个器件同时故障。多点故障发生概率较低，可能性较小;

c) 电阻R4开路，也具备故障的一个特征，只是直流偏置回零时间过长，并且包络递减的幅度过大。与电容C2一样，如果是R4故障，则必须

是两个或多个器件同时故障。多点故障发生概率较低，可能性较小，且可以通过测试静态电阻值进行电阻失效的检测。

综上所述，故障排查的步骤：首先，在不加电状态下测试电阻R4的阻值，排查R4故障的可能性；其次，更换二极管D1，排查D1故障的可能性；最后，更换电容C2，排查C2故障的可能性。

试验结果表明，电阻R4静态阻值测试结果正常。更换二极管后，产品的故障消除。

6 结束语

本文从产品故障出发，采用ORCAD/CAPTURE软件建立故障产品开路、短路故障仿真模型，运用PSPICE软件对故障树的八个分支进行逐一仿真，并与真实故障波形进行对比，同时结合理论分析，确定了可能的单点故障一个，可能导致问题的多点故障两个，形成故障排查步骤，最终完成了故障的消除。为复杂电路故障的排查，提供了一种新的解决方案。采用该方法进行故障诊断，可大大降低对调试人员理论基础的要求。

文中采用建立开路、短路的仿真模型，避开了对二极管、电容等参数变化的故障研究和建模。而是根据开路、短路的故障仿真结果和产品故障曲线的变化趋势，进行故障定位。二极管哪些参数出现何种故障，才会导致该产品的复杂故障现象，仍有待进一步深入研究。

[1] 潘尚杰． 面向型号研制过程的多级协同质量归零系统的开发[M]． 北京：北京航空航天大学, 2010：48-52.

[2] 刘苏杰. 电路仿真技术在科研生产中的应用[J]. 制导与引信, 2011, 32(2): 4-10.

[3] 樊昌信,詹道庸,等. 通信原理[M]. 北京:国防工业出版社, 2014：55-62.

[4] 刘苏杰. 基于PSPICE的小信号包络检波器的虚拟设计[J]. 制导与引信, 2009, 30(1): 30-33.

[5] 谭阳红. 基于OrCAD16.3的电子电路分析与设计[M]. 北京：国防工业出版社， 2011：99-105.

[6] 刘磊. 模拟电路故障仿真及诊断平台设计与实现[D]. 成都:电子科技大学， 2012：10-15.

Failure Simulation and Orientation of Code Element Demodulation Circuit

LIUSu-jie，HUANGWen-tao，LYUHai-fei，ZHOUMin

(Shanghai Radio Equipment Research Institute, Shanghai 200090， China)

According to the complex failure product of code element recovery circuit, failure tree is brought forward to make a analysis of the circuit principle. Simulation model of short circuit and open circuit in failure product by using simulation software is established. All branches of fault tree are simulated one by one, and the simulated results are contrasted with reality failure wave. According to circuit theoretic analysis, steps of failure repairing are given. Experimentations indicate that failure orientation is found correctly. Through modeling, simulation, and failure orientation of circuit failure, the method of complex circuit failure elimination is presented distinctly, accurately and simply.

code element demodulation； circuit simulation； failure orientation

1671-0576(2017)01-0015-06

2016-12-07

刘苏杰(1977-)，男，研究员，硕士，主要从事模拟电路设计与仿真。

TJ765.22

A