故障树分析法在高频电路实验教学中的应用

梁丽芳，韩 冰

(1.大连海事大学 国家级电工电子实验教学示范中心，辽宁 大连 116026；2.大连市气象装备保障中心，辽宁 大连 116001)

高频电路实验是电子信息工程、通信工程、电子信息科学与技术等专业的一门专业实验课。高频电路理论理解和掌握有一定难度，电路易受干扰，实验仪器种类繁多，使得高频电路实验比低频电路实验、数字电路实验等其他课程实验要复杂得多[1]。学生实验时会遇到很多问题(也可以说是故障)，笔者发现学生普遍只能解决一些简单问题，遇到复杂的问题时往往束手无策而选择请教指导教师。所以，现阶段如何使学生由被动接受学习型转变为自主探究型来解决高频电路实验故障问题，以及采用怎样的教学方法提高学生综合分析解决复杂问题的能力就成为高频电路实验教学的一个重大课题。

随着故障诊断理论技术的发展，故障树分析方法的应用越来越广，既可用于分析各种复杂系统的可靠性问题，也可用于分析复杂系统的故障原因[2－3]。从最初应用于航天航空、军事装备和核电等领域，到逐步应用于汽车、交通、电子、软件开发与测试、民用设备维修等领域[4－5]，而这些领域与电子信息类相关专业息息相关。为了达到学校人才培养与用人单位需求之间的无缝衔接，本文将故障树分析法(fault tree analysis，FTA)首次引入到高频电路实验教学中，利用该方法帮助学生层次分明地梳理知识，把复杂问题简单化，提高学生分析问题的能力，培养学生良好的逻辑思维方式，进而提高高频电路实验教学效率和质量，为学生毕业后进入相关行业奠定必备的工程素质基础。

1 故障树分析法介绍

故障树分析是以某个特定的不希望发生的故障作为顶事件向原因方面进行深入分析，自上而下地寻找顶事件发生的所有可能原因(中间事件)，循序渐进地一层层直到追踪到基本原因(基本事件)为止，并用树形逻辑图体现这些事件之间的逻辑关系[5]。故障树分析法不仅可以分析复杂系统的具体部件错误或部件性能恶化导致的错误，还可以分析软件错误、控制错误、人员操作错误和环境应力等引起的故障[6]。

故障树分析分定性分析和定量分析。定性分析是指找出导致顶事件发生的全部可能的故障模式，即求出故障的全部最小割集。一个最小割集是指系统的一种故障模式，全部最小割集是指所有的系统故障谱。定量分析是指根据系统基本事件的失效概率计算出系统失效概率以及对基本事件进行重要度分析等[5－7]。高频电路实验教学只需从逻辑上明确故障发生的过程和原因进而分析定位解决问题，不需要定量计算事件发生的概率，这样只需引入故障树定性分析法。

2 故障树分析高频实验故障的实例

相位鉴频器实验是高频电路实验中复杂而重要的一个实验。本文将以相位鉴频器实验中学生经常遇到的问题(故障)为例，来说明故障树分析法在高频电路实验中的应用方法。

2.1 相位鉴频器实验原理

鉴频的目的是从调频波中检出低频调制信号。相位鉴频器是将调频波信号输入到线性移相网络，变换成相位与瞬时频率成正比的调相—调频波，再与原调频波分别输入到相位检波器进行鉴相进而达到鉴频的目的[8]。该实验是在高频电路实验箱上完成的，具体的实验原理框图如图1所示。实验时，由低频信号源模块产生的fΩ＝5 kHz正弦波信号，作为调制信号输入到高频信号源模块变容二极管控制电压的输入端；高频信号源模块中的LC调频振荡器产生fc＝10.7 MHz的高频振荡，由调制信号控制变容二极管进行线性调频后产生调频波；该调频波再输入到检波鉴频乘法器模块进行鉴频，解调出原始信号。实验箱上的检波鉴频乘法器模块是用模拟相乘器MC1496芯片构成的乘积型相位鉴频器电路。

图1 相位鉴频器实验原理框图

2.2 故障树分析相位鉴频器实验故障实例

在相位鉴频器实验中学生遇到最多的问题是没有解调出原始信号(调制信号)。现以该问题作为顶事件来进行故障树分析过程说明。在导线、电源、各模块供电都正常的前提下，根据图1中的功能模块构成、各功能模块的输入与输出端口、前后级之间的联系、信号走向与实验箱实际电路情况等建立相位鉴频器没有解调出原始信号的故障树[9]，如图2所示。考虑到实验箱是集成化批量生产的，所以故障树并没有展开实验箱各模块电路设计方面的错误和电路元器件的错误。

图2中，用T表示顶事件，用A1、A2、B1、B2、B3、C1、C2、C3表示中间事件，用X1～X16表示16个基本事件。

故障树建立后，可以根据故障树采用逻辑推理诊断法或最小割集诊断法定位实验故障问题点[10]。必要时可采用目光感测法、分割检测法、信号分析法和替换分析法[9]等故障诊断方法来辅助判定。

图2 相位鉴频器故障树分析实例图

2.2.1 逻辑推理诊断法

根据故障树的逻辑关系，从上到下采取合理的验证方法逐层判断每个事件是否发生，如果发生则再进行该事件的下一层测试，否则不展开，这样可以逐步缩短每层调查范围直到找到真正发生的基本事件[10]。基于故障树确定顶事件发生的一种原因的遍历过程 (yes:事件发生，no:事件未发生)如图3所示，最终找到导致顶事件T发生的原因为X11基本事件 (并联谐振回路谐振频率不是10.7 MHz)。

图3 遍历测试验证过程实例

2.2.2 最小割集诊断法

图2所示的故障树采用的全部是逻辑或门，根据下行法[11]求故障树的最小割集集合为{X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15，X16}。逐个测试验证最小割集是否发生，直到找到发生的最小割集，从而定位问题。

3 故障树分析法在高频电路实验教学中的实施管理办法

为了在高频电路实验教学中充分发挥故障树分析法的特点和优势，从而提高实验教学质量，并且使这种方法具有可执行性和实用性，必须制定合理的实施过程和管理办法。具体包括以下5个方面。

1)每学期第一节高频电路实验课，给学生讲授故障树分析法基本原理以及在高频电路实验中如何使用。并不要求学生必须在课堂上就能画出故障树，但是需要采用故障树分析的思维过程进行分析，要求学生课后在实验报告中体现故障树分析实验故障的过程。

2)每节实验课，遇到问题先要求学生按照故障树分析法自行进行分析。如有困难请教指导老师，教师启发或引导学生以故障树分析法的思维方式进行分析，而不是直接告诉问题点，引导学生建立实验故障的故障树。教师通过课堂或实验报告收集每次实验课的故障树分析实例，确定故障种类，归类完善后整理存档。

3)每学期结束后，教师归纳各个实验中所有故障种类的故障树，形成各个实验的故障谱，做成 “高频电路实验故障树分析指南”，作为高频电路实验室的技术资产留存，图形化的资料形象直观，便于以后学习的学生查阅和使用。

4)在实验课上学生遇到问题自行解决不了时，可以查阅 “高频电路实验故障树分析指南”寻求解决方法；学生学会使用既有技术资产自主探究解决问题，获得宝贵的实践经验，与企业开发人员的工作模式接轨。如果还是无法解决再向老师寻求帮助。

5)另外，为提示学生，“高频电路实验故障树分析指南”中各故障谱可以标注每个事件可以采取的测试验证方法。

需要强调的是，由于学生构造故障树的完整与否取决于对理论知识和实验原理的理解程度，验证事件是否发生取决于学生对仪器的操作水平与测试方法的选取等，学生通过建立故障树对实验故障进行诊断时很容易出现漏诊的情况[12]，所以在高频电路实验教学中实施故障树分析法，教师的启发引导和完善归纳整理至关重要。

4 结束语

在高频电路实验教学环节引入故障树分析法，学生通过建立故障树的过程，由表及里、层次分明地梳理实验过程与原理，再经过分析、验证、定位与解决问题，理论知识的掌握更加深刻，学生实验的积极性更加高涨，解决复杂问题的经验也更加丰富。故障树分析法在高频电路实验教学中的实施管理办法能够确保这种分析方法在实验教学中发挥巨大的作用。

故障树分析法也可应用到其他实验教学中。笔者在应用故障树分析法的实践教学中发现，对于同一门实验，一般从第一节实验到最后一节实验越来越复杂，综合性越来越强，但从课堂效果来看，学生使用故障树分析法越来越得心应手，找老师寻求帮助的问题数量成减小趋势，逐步从被动接受学习向自主探究学习转变，并且在后续的相关课程实验中也明显释放了很多老师指导的时间，值得各高校各种实验借鉴和推广。在实践教学中溶入与前沿实际应用相关的工程分析方法，达到专业实践技能培养与工程分析思维培养的完美结合，为电子信息类学生毕业后从事科研或投入相关行业工作奠定了良好的基础，使人才培养与社会需求直接接轨。

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