基于振蕩測試技術(shù)的模擬電路故障診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于模擬電路診斷技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種基于振蕩測試技術(shù) 的模擬電路故障診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于模擬和混合信號電路的可測試性設(shè)計(jì)減少了混合信號專用集成電路的生產(chǎn) 成本，因此混合信號專用集成電路的可測性設(shè)計(jì)技術(shù)受到業(yè)界的高度關(guān)注。通常情況下，模 擬電路的規(guī)格很寬，這將導(dǎo)致測試時(shí)間長、測試故障覆蓋率差以及使用專用測試設(shè)備的必 要性，所以模擬電路的可測性設(shè)計(jì)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)?，F(xiàn)有的模擬電路可測性設(shè)計(jì) 技術(shù)可分為兩大類:第一類是增加內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的可控性和可觀性的，而不是按比例增加的測 試引腳數(shù);第二類是在測試模式下改變模擬電路的，使電路能產(chǎn)生一個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)故障的測 試信號。電路轉(zhuǎn)換的目的是緩解測試問題，通過產(chǎn)生一個(gè)信號，經(jīng)過處理便可確定電路的故 障。在這種情況下，產(chǎn)生了一個(gè)新的模擬電路測試方法一一振蕩測試技術(shù)。
[0003] 振蕩測試(Oscillation-BasedTest)是一種把被測模擬電路通過添加運(yùn)放等器件 重構(gòu)的診斷測試技術(shù)。當(dāng)模擬電路處于測試模式中，采用器件與測試電路搭建，使測試電路 轉(zhuǎn)換成振蕩電路。振蕩電路的振蕩頻率可以表示成與其電路組成部分或者組成的重要成分 的一個(gè)函數(shù)，通過振蕩頻率來進(jìn)行測試故障。
[0004] 振蕩測試技術(shù)主要分為被測電路自改造和外加反饋回路兩種方式。改造被測電路 法需要在測試模式下增加或斷開一些元件，通過電路設(shè)計(jì)過程中對元件的取舍，可以使附 加電路的面積盡可能小，但缺點(diǎn)在于被斷開的元件將無法被測試，而且需要設(shè)計(jì)人員對整 個(gè)電路重新布局。外加反饋回路法保持了被測電路在結(jié)構(gòu)上的獨(dú)立，避免了重新布局的麻 煩，是當(dāng)前振蕩測試技術(shù)的發(fā)展趨勢。
[0005] 對于外加反饋回路法，當(dāng)被測模擬電路處于測試模式中時(shí)，被測模擬電路添加反 饋回路形成自激振蕩，正常電路的自激振蕩會產(chǎn)生一個(gè)以振蕩頻率f_為中心頻率公帶差。 當(dāng)被測模擬電路中如果有一個(gè)電子元器件發(fā)生故障，例如常見的短路、開路以及參數(shù)漂移 等故障，由于元器件參數(shù)與振蕩回路的振蕩頻率有關(guān)，因此將會導(dǎo)致測試電路的振蕩頻率 產(chǎn)生偏移，通過對振蕩頻率的測量就可以檢測系統(tǒng)中器件存在的故障。當(dāng)模擬電路處在振 蕩測試的環(huán)境中，系統(tǒng)不需要額外添加外部激勵(lì)，只需要構(gòu)造反饋回路，使系統(tǒng)產(chǎn)生自激振 蕩，利用器件故障產(chǎn)生的振蕩頻率對正常振蕩頻率的偏離量，可以確定系統(tǒng)故障，從而可以 達(dá)到較高的故障覆蓋率。
[0006] 但是，由于電路故障會對系統(tǒng)的多個(gè)特征產(chǎn)生影響，振蕩測試只選取了頻率進(jìn)行 討論沒有考慮其它特征，討論形式比較單一，結(jié)果不能準(zhǔn)確反映故障。而且振蕩測試的結(jié)果 只是得出故障的一個(gè)可檢測范圍，沒能系統(tǒng)建模優(yōu)化出電路診斷方法，無法充分利用后續(xù) 經(jīng)典的測點(diǎn)優(yōu)選、診斷樹構(gòu)建系統(tǒng)診斷策略，診斷形式簡單。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于振蕩測試技術(shù)的模擬電路 故障診斷方法，基于振蕩測試技術(shù)獲取測點(diǎn)的頻率-相位差曲線，根據(jù)特征曲線來進(jìn)行模擬 電路的故障診斷，可以提高診斷精確度和故障覆蓋率。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明基于振蕩測試技術(shù)的模擬電路故障診斷方法，包括 以下步驟：
[0009] si:在仿真軟件中，向被測模擬電路添加反饋回路，構(gòu)建振蕩測試電路；
[0010] S2:依次對每個(gè)元件進(jìn)行仿真，得到每個(gè)元件在各測點(diǎn)的特征曲線，仿真方法包括 以下步驟：
[0011 ] S2.1:令仿真次數(shù)n = l，元件i的值γ i = xi_min，xi_min表示元件i在故障情況下的參 數(shù)最小值，其他元件的參數(shù)值在其正常容差范圍內(nèi)任意取值；
[0012] S2.2:分別仿真測試預(yù)先選擇的被測模擬電路中N個(gè)測點(diǎn)tj的振蕩頻率fi,n(n)，j =1,2, ··· ,Ν；
[0013] S2.3:分別仿真測試Ν個(gè)測點(diǎn)tj和預(yù)先選擇的基準(zhǔn)測點(diǎn)to之間波形的相位差Δθ^ (η)；
[0014] S2.4:令η=η+1，γ i= γ i+Ai，Ai表示元件i參數(shù)值的變化步長；
[0015] S2.5:如果yihi_max，Xi_ max表示元件i在故障情況下的參數(shù)最大值，進(jìn)入步驟 32.6，否則返回步驟32.2;
[0016] S2.6:統(tǒng)計(jì)元件i每次仿真得到的各測點(diǎn)tj的振蕩頻率fi,j(n)和相位差Δ 0i,j(n)， 其中n = 1，2，…，Ki，Ki表示元件i的仿真次數(shù)，對于每個(gè)測點(diǎn)tj，根據(jù)Ki對振蕩頻率和相位差 數(shù)據(jù)擬合得到對應(yīng)的頻率-相位差曲線，將其作為元件i在測點(diǎn)k的特征曲線 Sl,J;
[0017] S3:根據(jù)各個(gè)元件i在各個(gè)測點(diǎn)tj的特征曲線Si, j建立Μ X N的二維矩陣S，將該二維 矩陣S作為特征曲線故障字典；
[0018] S4:對實(shí)際的被測模擬電路添加與仿真相同的反饋回路，構(gòu)建得到振蕩測試電路， 測試故障字典中的各個(gè)測點(diǎn)的振蕩頻率，以及各個(gè)測點(diǎn)與基準(zhǔn)測點(diǎn)的相位差;計(jì)算各個(gè)測 點(diǎn)的振蕩頻率和相位差構(gòu)成的數(shù)據(jù)點(diǎn)與故障字典中該測點(diǎn)所對應(yīng)的Μ條特征曲線的距離， 令距離最小值對應(yīng)的元件的判定標(biāo)識di, j = 1，其他元件的判定標(biāo)識di, j = 0，計(jì)算每個(gè)元件 對應(yīng)的判定值
，搜索Μ個(gè)判定值Di中的最大值，其對應(yīng)的元件即為故障元件。
[0019] 本發(fā)明基于振蕩測試技術(shù)的模擬電路故障診斷方法，先仿真構(gòu)建振蕩測試電路， 依次對各個(gè)元件改變元件參數(shù)進(jìn)行仿真，仿真測試每個(gè)測點(diǎn)的振蕩頻率和與基準(zhǔn)測點(diǎn)的相 位差，通過各測點(diǎn)下元件每個(gè)參數(shù)對應(yīng)的振蕩頻率和相位差數(shù)據(jù)擬合得到頻率-相位差曲 線，將該曲線作為該元件在該測點(diǎn)的特征曲線，構(gòu)建特征曲線故障字典；當(dāng)模擬電路故障 時(shí)，對模擬電路構(gòu)建振蕩測試電路，測試相應(yīng)測點(diǎn)的振蕩頻率以及與基準(zhǔn)測點(diǎn)的相位差，計(jì) 算各個(gè)測點(diǎn)的振蕩頻率和相位差構(gòu)成的數(shù)據(jù)點(diǎn)與故障字典中該測點(diǎn)每條特征曲線的距離， 令距離最小值對應(yīng)的元件判定標(biāo)識為1，其他元件為0,最后將每個(gè)元件對應(yīng)的判定標(biāo)識求 和，和值最大值所對應(yīng)的元件即為故障元件。
[0020] 本發(fā)明采用故障的頻率、相位差雙特性來定位模擬電路系統(tǒng)故障位置，可以提高 診斷精確度和故障覆蓋率。
【附圖說明】
[0021] 圖1是多電平變換器直流側(cè)的等效電路圖；
[0022] 圖2是本發(fā)明基于振蕩測試技術(shù)的模擬電路故障診斷方法的流程圖；
[0023]圖3是本實(shí)施例的被測模擬電路構(gòu)建的振蕩測試電路圖；
[0024] 圖4是本實(shí)施例中測點(diǎn)在被測模擬電路正常運(yùn)行情況下的輸出波形；
[0025] 圖5是各個(gè)元件的頻率-相位差曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地 理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許 會淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這里將被忽略。
[0027] 為了更好地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，先對本發(fā)明的原理推導(dǎo)進(jìn)行簡要說明。
[0028] 圖1是外加反饋回路法的電路結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，被測模擬電路以添加反饋回路 的形式在測試中形成自激振蕩。記原始被測模擬電路在正常工作情況下的傳遞函數(shù)為Ha， 反饋回路F的傳遞函數(shù)記為Hf，可知被測模擬電路通過添加反饋回路產(chǎn)生自激振蕩所形成 的新電路的傳遞函數(shù)He為：
[0030] 振蕩頻率。和振蕩條件可以根據(jù)公式(2)獲得：
[0031] ΗΑ(]·ω )HF(jc〇 ) = 1 (2)
[0032] 公式（2)等價(jià)于：
[0033] Re[HA(j0 )HF(j0 )] = 1 (3)
[0034] Ιπι[Ηα( j ω )Hf( j ω )] =〇 (4)
[0035] 這種情況稱為巴克豪森(Barkhausen)判據(jù)。巴克豪森判據(jù)指出：在振蕩頻率下，圍 繞環(huán)路的相移能夠大到使反饋?zhàn)兂烧答?，并且環(huán)路增益足以使信號建立振蕩。則閉環(huán)系 統(tǒng)將形成自激振蕩，且振蕩頻率為：
[0037] 當(dāng)電路產(chǎn)生自激振蕩時(shí)，輸出信號通過反饋回路添加到輸入端，則反饋的信號充 當(dāng)輸入信號，而輸出信號不斷反饋到輸入形成自激振蕩。
[0038] 在被測模擬電路與反饋回路構(gòu)成的新電路中，任取一個(gè)測點(diǎn)為輸入點(diǎn)，任意一個(gè) 其他的非接地點(diǎn)作為輸出點(diǎn)，可以得到其傳輸函數(shù)He。顯然傳輸函數(shù)H C是元件參數(shù)的函數(shù)。 假定單故障情況下，參數(shù)值為X的元件發(fā)生故障，其他元件無故障，此時(shí)傳輸函數(shù)He是X的函 數(shù)，即：
[0039] Hc( j ω ) = g(x) (6)
[0040] 由于有：
[0041] Hc(j〇 ) = |Hc(j〇 ) | ΖΘ (7)
[0042] 因此可知頻率ω和角度Θ是x的函數(shù)，即有：
[0043] ω =gi(x) (8)
[0044] θ = g2(x) (9)
[0045] 聯(lián)立求解以上兩式不難得到函數(shù)：
[0046] G( ω ,θ)=〇 (10)
[0047] 公式（10)代表了 ω-θ平面或f-θ平面的一條曲線。不同的電路元件對應(yīng)不同的曲 線函數(shù)，因此該曲線可以作為對應(yīng)元件的特征曲線。針對具體應(yīng)用對象，采用電路結(jié)構(gòu)和參 數(shù)推導(dǎo)得出各個(gè)元件的特征曲線相對來說比較麻煩，因此在本發(fā)明提供了一種通過仿真來 獲取此特征曲線的方法，從而便捷地實(shí)現(xiàn)模擬電路的診斷。
[0048] 圖2是本發(fā)明基于振蕩測試技術(shù)的模擬電路故障診斷方法的流程圖。如圖2所示， 本發(fā)明基于振蕩測試技術(shù)的模擬電路故障診斷方法包括以下步驟：
[0049] S201:仿真構(gòu)建振蕩測試電路：
[0050]在仿真軟件中，向被測模擬電路添加反饋回路，構(gòu)建振蕩測試電路。
[0051 ] S202:令元件序號i = l。
[0052] S203:令仿真次數(shù)n = l，元件i的值γ i = xi_min，xi_min表示元件i在故障情況下的參 數(shù)最小值，其他元件的參數(shù)值在其正常容差范圍內(nèi)任意取值。
[0053]本實(shí)施例中，先根據(jù)元件的歷史故障數(shù)據(jù)得到元件的故障容差范圍，然后可以根 據(jù)故障容差范圍計(jì)算得到元件的參數(shù)最小值，記元件i的標(biāo)稱參數(shù)值為￥，根據(jù)元件i故障 時(shí)的參數(shù)值變化，得到其故障容差范圍為[，隊(duì)]，其中-1 < Μ<〇，βι 2 〇，那么顯然參數(shù)最 小值，參數(shù)最大值A(chǔ)_max =寫(1 +爲(wèi))。例如對于一個(gè)電阻，其參數(shù)最小值 為〇,參數(shù)最大值理論上為無窮大，通常是設(shè)置一個(gè)絕對大值。
[0054] S204 :測試測點(diǎn)振蕩頻率：
[0055]分別仿真測試預(yù)先選擇的被測模擬電路中N個(gè)測點(diǎn)t j的振蕩頻率f i,n(η)，j = 1， 2,…，Ν，Ν表示測點(diǎn)數(shù)量。測點(diǎn)數(shù)量越多，故障間的隔離程度也就越好，但是相應(yīng)地算法復(fù)雜 度會增大。因此在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)測試要求來選擇測點(diǎn)的數(shù)量。
[0056] S205 :