基于ssh的模擬電路故障建模

基于ssh的模擬電路故障建模

1證法故障診斷模擬電路診斷方法包括故障字典法、源參數(shù)識別法和故障認證法。元件參數(shù)辨識法和故障驗證法是測后模擬的典型方法，這類故障診斷方法由于在電路測試之后有許多工作要做，不能實現(xiàn)在線測試，而且計算量相當龐大，因此這類方法只具有理論研究意義，不適合用于實際的模擬電路故障診斷軟件。測前模擬的典型方法故障字典法是目前模擬電路故障診斷中最具有實用價值的方法。2模擬電路的應用故障仿真是故障字典法診斷工作中實質意義的第一步。通過仿真，可以在測試之前得到電路發(fā)生的某些故障的響應，根據(jù)這些響應得到故障特征并將這些特征編撰為字典。如果編寫軟件對電路進行仿真，既耗時也可能得不到精確的結果。可以利用成熟的電路仿真軟件來完成此項工作。本文所采用的方法是利用模擬電路仿真軟件PSPICE對模擬電路的正常狀態(tài)和各種故障狀態(tài)仿真。由于在PSPICE的器件庫中只有無故障元件的仿真模型，而沒有故障元件的模型庫，因此在插入故障作故障狀態(tài)的仿真時需要對器件進行故障建模。即利用PSPICE已有的器件庫，通過建模，得到既能模擬故障的基本特性，又能利用PSPICE作仿真的模型。一般來說這需要通過改變器件的結構或者參數(shù)來實現(xiàn)的。由于我們的目的只是診斷器件的硬故障，所以應使器件的故障建模在滿足這個要求的前提下盡可能的簡單。3錯誤建模方法模擬電路中的電路元件，可分為基本元件和集成電路，下面分別就不同元件的硬故障（物理故障）和功能故障進行建模。3.1端點2對于常用的二端元件，電阻、電容、電感和二極管，其硬故障有開路和短路兩種。這些故障在直流和交流下的模型有所區(qū)別。3.1.1故障建模方法進行電路故障仿真時，如果將元件完全開路或短路，那么電路拓撲結構就發(fā)生了變化，而且很可能造成結點的懸空，這是PSPICE所不允許的。二端元件的短路和開路從物理意義上說，其實是他們的阻抗分別變?yōu)?和無窮大。傳統(tǒng)的方法是利用固定的標稱值小的電阻替代原有元件的方法來模擬短路故障模式，利用固定的標稱值大的電阻來模擬開路故障模式。這種故障建模方法對大多數(shù)電路有效，但是對含有超大電阻和小電阻的電路就得不到需要精度的結果。由于PSPICE的直流工作點分析是在電路中電感短路、電容開路的情況下，計算電路所有節(jié)點的電壓。因此可以利用電容和電感替代原有元件來分別模擬這些元件的開路和短路模型。若電阻R1的標稱值為10K，那么它的無故障模型、短路模型和開路模型分別為（PSPICE的語法結構請參考文獻）：其他二端元件的開短路故障模型建模方法與電阻類似，不再贅述。由于PSPICE的直流工作點分析是在電路中電感短路、電容開路的情況下，計算電路所有節(jié)點的電壓，故直流測試下，電容的開路故障和電感的短路故障無法診斷，所以，直流下不必建立電容的開路故障模型和電感的短路故障模型。3.1.2故障系數(shù)的設置交流測試時，因為電容具有容抗，電感具有感抗，不能再用電容和電感模擬二端元件的開路和短路故障。只能用小電阻來模擬短路時的0阻值，用大電阻來模擬開路時的無窮大阻值。但是尚若把短路時的元件標稱值設置得過小，或者把開路時的元件標稱值設置得過大，不利于PSPICE仿真，甚至得不到仿真結果。那么到底應把這些二端元件開路和短路時的替代元件的值分別設置為多大才能得到在誤差范圍內的仿真結果呢？任何一個元件其實際值和標稱值之間總是存在容差。這樣導致仿真出的節(jié)點電壓與實際的節(jié)點電壓值之間總是不同。用小電阻和大電阻模擬短路和開路故障的建模方法所產生的故障響應的誤差完全可以認為是電路在該故障模式下，其他元件的容差造成的。由于電子器件的飛速發(fā)展，元件的容差變得越來越小，甚至可達到0.01%。因此，為確保采用的故障建模方法不會產生較大的誤差，可以設置一個比元件容差小得多的值作為故障系數(shù)。該值的大小設置要考慮兩方面因素：（1)PSPICE能夠仿真；（2）要能得到故障診斷軟件所要求精度的仿真結果。假設設置故障系數(shù)為容差的1/10，那么對于電阻而言，若其標稱值為100kΩ，那就設置其短路時的電阻值為：100kΩ×0.001%=1Ω；開路時的電阻值為：100kΩ÷0.001%=1×10^10Ω。對于電容，電感和二極管，開路時其設置的替代電阻的標稱值以電路中最大電阻的標稱值除以故障系數(shù)獲得，短路時替代電阻值為電路中最小電阻值乘以故障系數(shù)獲得。3.2未來的器件結構對于管腳數(shù)大于2的器件，故障建模方法相對復雜一些。其一，管腳數(shù)的增加導致其可能的故障模式增加；其二，不能用二端元件的故障建模方法，單純地用一個新的器件去替代原有的器件，而必須增加器件，這樣必然改變電路的拓撲結構。以三極管為例，三極管有三個管腳，基極（B）、集電極（C）和發(fā)射極（E）。常見的故障模式有：基極和集電極短路（BCSHORT），基極和發(fā)射極短路（BESHORT），集電極和發(fā)射極短路（CESHORT）以及基極開路（BOPEN），集電極開路（COPEN）和發(fā)射極開路（EOPEN）。這些故障在直流和交流下的模型如下所述。3.2.1基極故障建模當基極和集電極短路時，在基極和集電極之間并聯(lián)一個電感。利用PSPICE分析靜態(tài)工作點時，視電感短路來模擬該故障。基極發(fā)射極短路故障、集電極發(fā)射極短路故障與基極集電極短路故障類似，這里不再贅述。基極開路時，需要在基級串聯(lián)一個電容，利用PSPICE分析靜態(tài)工作點時，視電容開路來模擬該故障。集電極開路故障、發(fā)射極開路故障與基極開路故障建模方法類似，這里不再贅述。MOS管和結型場效應管的故障建模方法與三極管類似，這里不再贅述。3.2.2模擬油路故障模型多管腳晶體管交流故障模型的建立與直流故障模型類似。所不同的事，發(fā)生短路故障所并聯(lián)的器件由電感變?yōu)樾‰娮?。發(fā)生開路故障所串連的器件由電容變?yōu)榇箅娮?。本文在建立直流故障模型時，利用了電感來模擬短路故障，電容來模擬開路故障。相對于建立交流故障模型時，分別用小電阻和大電阻來模擬短路和開路的做法，有兩點好處：（1）完全模擬了短路時電阻為0、壓降為0，開路時電阻無窮大、電流為0的情況；（2）利于PSPICE仿真分析，因為直流仿真時，將電容開路，電感短路，會使得器件減少，從而加快PSPICE的仿真。如果故障診斷算法允許仿真結果有一定偏差，那么也可用交流故障模型替代直流故障模型。直流故障模型和交流故障模型的統(tǒng)一會使故障診斷更簡單。3.3運算放大器開短路故障模型建立對于集成電路，其內部器件的物理故障很多，故障診斷無需對這些物理故障建立模型。因為只要診斷出集成電路損壞，那么維修時，換掉集成電路就可以了，診斷程序并不關心內部發(fā)生了何種故障。因此，只需對內部器件的物理故障所引發(fā)的集成電路的功能故障進行建模。不同集成電路內部結構不同，因此內部器件的物理故障使得集成電路發(fā)生功能故障的方式千差萬別。但對集成運放而言，筆者利用3.1和3.2中的方法,用PSPICE分析了通用雙極型運算放大器F007和CMOS集成運算放大器5G14573，內部器件的開短路故障所產生的后果有四種情況：（1）內部物理故障對運算放大器的功能無明顯影響；（2）輸出電壓值鉗位在正供電電源電壓或者負供電電源電壓附近；（3）運算放大器失調電壓過大；（4）運算放大器輸出限制在某個電壓或者其他非常規(guī)功能性故障。前三類物理故障占總物理故障數(shù)的90%，因此只要對前三類功能性故障建立模型，那么對于運算放大器而言，所建立的故障就能達到其可能產生的故障數(shù)的90%。這四種故障模型的原理圖入圖1所示。理想集成運放只有在正相輸入端和反相輸入端電壓值相同的時候才能使開環(huán)輸出為0。為此，按照圖1(c）和圖1(d），必須在正相輸入端輸入一個與電源E反相的電壓或者在反相輸入端輸入一個與電源E同相的電壓才能使其開環(huán)輸出為0。輸入的電壓值即為失調電壓值。失調電壓多大為過大由電路情況和運算放大器自身的參數(shù)而定。這樣就用簡單的方法模擬了輸出穩(wěn)定在電源電壓附近和失調電壓過大這兩種功能故障，而不必關心其內部到底發(fā)生了何種物理故障。并且簡化了PSPICE模型文件修改，使整個故障仿真變得容易。4建模方法仿真下面通過一個簡單的例子（電路圖如圖2所示）來說明這種方法的正確性。VI為電路輸入端，電壓值為-2V,VCC和VEE分別為15V和-15V。電路有5個電阻（10個故障），1個晶體管（6個故障），1個運算放大器（4個功能故障），分別對無故障電路和20個故障電路仿真，仿真結果與理論分析完全一致，證明了這種建模方法的合理性。利用這些數(shù)據(jù)，運用合理的算法，就可以編撰出字典。當模擬電路發(fā)生故障時，只要測試算法優(yōu)選出的節(jié)點，比對故障字典，就可以實現(xiàn)故障的診斷。5集成運放功能故障建模方法對于故障模型的建立，要區(qū)別對待物理故障和功能故障。器件的物理故障可以用替代法（二端元件）和串并聯(lián)法（多端元件）實現(xiàn)。對于集成電路的功能