模拟电路故障分析及诊断方法

李帅

摘要：模拟电路的复杂度以及密集度随着大规模模拟集成电路的发展不断的增长，从而对模拟电路运行的可靠性要求更多，因此，为了避免故障的发展，必须在模拟电路发生故障前替换掉将要失效的元件，这就需要我们除了实时对模拟电路进行诊断找出失效元件外，还应当对故障进行预测从而确定失效元件。通过人工诊断技术已经无法满足这些要求，因此，目前急需解决模拟电路故障自动诊断这个问题。

关键词：院故障分析;模拟电路;故障诊断;故障处理

1模拟电路故障发生的原因

模拟电路的故障部分是由于设计缺陷以及生产过程和工艺不先进造成的，但是绝大部分还是由于使用过程中元件和电路磨损和老化造成的。对于模拟电路的故障类型，可以将模拟电路的故障分为早期故障、偶然故障和损耗故障。早期故障多在初期发生，主要是由于设计和制造缺陷等原因造成的;在有效使用期内发生的故障即为偶然故障;而损耗故障则是在使用后期由于老化磨损、损耗以及疲劳等原因造成的故障。由于设计和制造等原因造成的且发生在使用初期的故障即为早期故障，随着时间的变化，其故障率会明显降低。

2模拟电路故障诊断特点

2.1在模拟电路中，可测电压节点十分有限从而导致无法获得充分的诊断故障的信息，因此，或者故障定位不唯一或模糊，或者根本诊断不出来。

2.2模拟电路的输入输出信号在时域和电压幅度上具有连续性，元件参数的连续性使得故障的诊断模型更加复杂而难以简单量化.

2.3模拟电路存在很多非线性和反馈电路。对于存在非线性元件的模拟电路而言，增加了诊断的复杂性和信息处理量等问题.

2.4由于环境变化对模拟电路影响较大，因此，输出的响应除了受制造工艺引起的元件参数偏差影响外，还会受到热噪声以及电磁干扰等外界环境因素的影响。实际模拟电路的元件具有很大的离散性即容差。容差的存在导致了故障的模糊性，因而有时无法唯一确定故障位置，使得诊断结果的准确性难以保证，这是故障诊断的最大困难之一。

3模拟电路故障诊断的方法

3.1故障字典法

首先建立故障字典。预先根据经验或实际需求确定所要诊断的故障集，求得电路存在故障集中的一个故障响应，然后对故障相应做必要处理后作为对应故障的特征，从而将他们编成一部故障与特征相对于的字典;然后查找故障。在对电路进行实际诊断时应当对被测电路施加与测前模拟时一样的激励和工作条件从而取得相应的特征，最后在故障字典里查出与之相对应的故障。线性和非线性电路均适用于字典法故障诊断，但是由于故障组合太多，尤其当模拟电路的规模较大时很难查找故障，因此，很难得出满意的结果。

3.2最小距离法

最小距离法的原理是：对n个节点进行测试，得到相对应的n个测试数据，把这些数据组成的测试向量（Vn∈Rn）构成一个n维故障空间，故障集中的k个故障是这n维空间中的k个故障子空间，这些空间的中心为各测试点模糊域中心值。测试以前将各故障子空间的中心值存起来，构成字典，然后取得一个测试矢量Vn*（相当于n维空间中的一个点），接下来对照字典一一查看，查找出是什么故障。其实也就是判别Vn*这个点落入哪个故障子空间中，即该点距哪一个故障子空间中心的距离最小。其中Vi*是Vn*中在第i个测试点上的测量值，Vi（Fj）是故障Fj在第i个测试点上的模糊域中心值。

3.3直流故障字典法

（1）选择故障集

故障集的种类有很多，在电路中选择故障集，应该根据被测电路的特点及过去的经验来选择。在实际的电子电路中，由于元件数和元件软故障的状态数较多，因此多故障的组合数就较大，所以我们把它们都列入到故障集中，这样大大增加了计算机存储字典的内存容量。在实际的电路中如果选择故障集，比较切实的方案就是选择若干单故障和多故障作为故障集。

（2）选择激励信号通常采用的是与电路板正常工作时施加激励相似的信号作为激励信号。还可以采用多种输入信号的组合的方式，这样可以充分隔离故障集中的所有故障或绝大部分故障。

（3）电路状态的仿真可以采用实际故障设置或计算机仿真两种方式。在一定激励条件下，通过这两种方式都能够得到电路在正常状态和各种故障状态下各个可测节点的电压。但是采用计算机仿真方式，为了使计算机的仿真结果与实际电路的状态一致，则必须要选用适当的元器件故障模型和模型参数。

（4）处理容差问题。在实际电路中，由于电路元件参数都具有容差，导致电路的各个可测节点的电压是一个连续的区间，给电路故障状态的隔离带来困难。为了克服元件容差影响，引入模糊集和模糊域的方法来解决。

随着电路规模和复杂性的不断增长，传统的诊断方法已经不能够满足实际电路的诊断要求，如存在诊断计算量太大以及由于元件容差问题导致的诊断结果模糊等。随着专家系统、模糊理论以及机器学习和小波分析等技术的深入研究和应用，其为解决模拟电路故障在诊断过程中存在的各种难题提供了有益的思路和工具，因此，目前模拟电路故障诊断领域的主流方法就是基于人工智能和现代信息信号处理的诊断方法。基于知识的计算机程序系统即为专家系统，其之所以能够利用人类专家的知识和方法来处理该领域的问题，主要是由于其内部包含了大量专家的经验和知识。

模拟电路出现故障在所难免，故障的诊断就应该是主要环节，如果能够根据实际应用的情况，有效地采取好的方式方法定位故障发生的位置，进而有针对性地、用科学地故障诊断法对故障进行处理，提高故障诊断能力，同时将故障诊断技术与计算机技术有机结合，利用计算机技術可以使故障诊断更加快速可靠，大大提高工作的效率，达到事半功倍的效果，将模拟电路故障所带来的损失降到最低，确保模拟电路装置能够正常运行，保证了社会生产与社会活动的持续进行。

参考文献：

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[2]赵文东，胡玉贵，刘向祖，倪传国.电子电路故障的检测方法与技巧研究[J].移动电源与车辆，2007（03）.