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(shí)別法和故障認(rèn)證法。元件參數(shù)辨識(shí)法和故障驗(yàn)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(shí)現(xiàn)在線測試，而且計(jì)算量相當(dāng)龐大，因此這類方法只具有理論研究意義，不適合用于實(shí)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(shí)用價(jià)值的方法。2模擬電路的應(yīng)用故障仿真是故障字典法診斷工作中實(shí)質(zhì)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(yīng)，根據(jù)這些響應(yīng)得到故障特征并將這些特征編撰為字典。如果編寫軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，既耗時(shí)也可能得不到精確的結(jié)果?？梢岳贸墒斓碾娐贩抡孳浖硗瓿纱隧?xiàng)工作。本文所采用的方法是利用模擬電路仿真軟件PSPICE對(duì)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(shí)需要對(duì)器件進(jìn)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(jié)構(gòu)或者參數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。由于我們的目的只是診斷器件的硬故障，所以應(yīng)使器件的故障建模在滿足這個(gè)要求的前提下盡可能的簡單。3錯(cuò)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(jìn)行建模。3.1端點(diǎn)2對(duì)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(jìn)行電路故障仿真時(shí)，如果將元件完全開路或短路，那么電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就發(fā)生了變化，而且很可能造成結(jié)點(diǎn)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(shí)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(biāo)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(biāo)稱值大的電阻來模擬開路故障模式。這種故障建模方法對(duì)大多數(shù)電路有效，但是對(duì)含有超大電阻和小電阻的電路就得不到需要精度的結(jié)果。由于PSPICE的直流工作點(diǎn)分析是在電路中電感短路、電容開路的情況下，計(jì)算電路所有節(jié)點(diǎn)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(biāo)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(jié)構(gòu)請(qǐng)參考文獻(xiàn)）：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(diǎn)分析是在電路中電感短路、電容開路的情況下，計(jì)算電路所有節(jié)點(diǎn)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(shè)置交流測試時(shí)，因?yàn)殡娙菥哂腥菘?，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(shí)的0阻值，用大電阻來模擬開路時(shí)的無窮大阻值。但是尚若把短路時(shí)的元件標(biāo)稱值設(shè)置得過小，或者把開路時(shí)的元件標(biāo)稱值設(shè)置得過大，不利于PSPICE仿真，甚至得不到仿真結(jié)果。那么到底應(yīng)把這些二端元件開路和短路時(shí)的替代元件的值分別設(shè)置為多大才能得到在誤差范圍內(nèi)的仿真結(jié)果呢？任何一個(gè)元件其實(shí)際值和標(biāo)稱值之間總是存在容差。這樣導(dǎo)致仿真出的節(jié)點(diǎn)電壓與實(shí)際的節(jié)點(diǎn)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(chǎn)生的故障響應(yīng)的誤差完全可以認(rèn)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(dá)到0.01%。因此，為確保采用的故障建模方法不會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，可以設(shè)置一個(gè)比元件容差小得多的值作為故障系數(shù)。該值的大小設(shè)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(jié)果。假設(shè)設(shè)置故障系數(shù)為容差的1/10，那么對(duì)于電阻而言，若其標(biāo)稱值為100kΩ，那就設(shè)置其短路時(shí)的電阻值為：100kΩ×0.001%=1Ω；開路時(shí)的電阻值為：100kΩ÷0.001%=1×10^10Ω。對(duì)于電容，電感和二極管，開路時(shí)其設(shè)置的替代電阻的標(biāo)稱值以電路中最大電阻的標(biāo)稱值除以故障系數(shù)獲得，短路時(shí)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(jié)構(gòu)對(duì)于管腳數(shù)大于2的器件，故障建模方法相對(duì)復(fù)雜一些。其一，管腳數(shù)的增加導(dǎo)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(gè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以三極管為例，三極管有三個(gè)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(dāng)基極和集電極短路時(shí)，在基極和集電極之間并聯(lián)一個(gè)電感。利用PSPICE分析靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，視電感短路來模擬該故障?；鶚O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?；鶚O開路時(shí)，需要在基級(jí)串聯(lián)一個(gè)電容，利用PSPICE分析靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，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(jié)型場效應(yīng)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(shí)，利用了電感來模擬短路故障，電容來模擬開路故障。相對(duì)于建立交流故障模型時(shí)，分別用小電阻和大電阻來模擬短路和開路的做法，有兩點(diǎn)好處：（1）完全模擬了短路時(shí)電阻為0、壓降為0，開路時(shí)電阻無窮大、電流為0的情況；（2）利于PSPICE仿真分析，因?yàn)橹绷鞣抡鏁r(shí)，將電容開路，電感短路，會(huì)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(jié)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(huì)使故障診斷更簡單。3.3運(yùn)算放大器開短路故障模型建立對(duì)于集成電路，其內(nèi)部器件的物理故障很多，故障診斷無需對(duì)這些物理故障建立模型。因?yàn)橹灰\斷出集成電路損壞，那么維修時(shí)，換掉集成電路就可以了，診斷程序并不關(guān)心內(nèi)部發(fā)生了何種故障。因此，只需對(duì)內(nèi)部器件的物理故障所引發(fā)的集成電路的功能故障進(jìn)行建模。不同集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，因此內(nèi)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(duì)集成運(yùn)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(yùn)算放大器F007和CMOS集成運(yùn)算放大器5G14573，內(nèi)部器件的開短路故障所產(chǎn)生的后果有四種情況：（1）內(nèi)部物理故障對(duì)運(yùn)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(fù)供電電源電壓附近；（3）運(yùn)算放大器失調(diào)電壓過大；（4）運(yùn)算放大器輸出限制在某個(gè)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(duì)前三類功能性故障建立模型，那么對(duì)于運(yùn)算放大器而言，所建立的故障就能達(dá)到其可能產(chǎn)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(yùn)放只有在正相輸入端和反相輸入端電壓值相同的時(shí)候才能使開環(huán)輸出為0。為此，按照?qǐng)D1(c）和圖1(d），必須在正相輸入端輸入一個(gè)與電源E反相的電壓或者在反相輸入端輸入一個(gè)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(diào)電壓值。失調(diào)電壓多大為過大由電路情況和運(yùn)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(diào)電壓過大這兩種功能故障，而不必關(guān)心其內(nèi)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(gè)故障仿真變得容易。4建模方法仿真下面通過一個(gè)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(gè)電阻（10個(gè)故障），1個(gè)晶體管（6個(gè)故障），1個(gè)運(yùn)算放大器（4個(gè)功能故障），分別對(duì)無故障電路和20個(gè)故障電路仿真，仿真結(jié)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(yùn)用合理的算法，就可以編撰出字典。當(dāng)模擬電路發(fā)生故障時(shí)，只要測試算法優(yōu)選出的節(jié)點(diǎn)，比對(duì)故障字典，就可以實(shí)現(xiàn)故障的診斷。5集成運(yùn)放功能故障建模方法對(duì)于故障模型的建立，要區(qū)別對(duì)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(shí)現(xiàn)。對(duì)于集成電路的功能