基于ssh的模拟电路故障建模

基于ssh的模拟电路故障建模

1证法故障诊断模拟电路诊断方法包括故障字典法、源参数识别法和故障认证法。元件参数辨识法和故障验证法是测后模拟的典型方法，这类故障诊断方法由于在电路测试之后有许多工作要做，不能实现在线测试，而且计算量相当庞大，因此这类方法只具有理论研究意义，不适合用于实际的模拟电路故障诊断软件。测前模拟的典型方法故障字典法是目前模拟电路故障诊断中最具有实用价值的方法。2模拟电路的应用故障仿真是故障字典法诊断工作中实质意义的第一步。通过仿真，可以在测试之前得到电路发生的某些故障的响应，根据这些响应得到故障特征并将这些特征编撰为字典。如果编写软件对电路进行仿真，既耗时也可能得不到精确的结果。可以利用成熟的电路仿真软件来完成此项工作。本文所采用的方法是利用模拟电路仿真软件PSPICE对模拟电路的正常状态和各种故障状态仿真。由于在PSPICE的器件库中只有无故障元件的仿真模型，而没有故障元件的模型库，因此在插入故障作故障状态的仿真时需要对器件进行故障建模。即利用PSPICE已有的器件库，通过建模，得到既能模拟故障的基本特性，又能利用PSPICE作仿真的模型。一般来说这需要通过改变器件的结构或者参数来实现的。由于我们的目的只是诊断器件的硬故障，所以应使器件的故障建模在满足这个要求的前提下尽可能的简单。3错误建模方法模拟电路中的电路元件，可分为基本元件和集成电路，下面分别就不同元件的硬故障（物理故障）和功能故障进行建模。3.1端点2对于常用的二端元件，电阻、电容、电感和二极管，其硬故障有开路和短路两种。这些故障在直流和交流下的模型有所区别。3.1.1故障建模方法进行电路故障仿真时，如果将元件完全开路或短路，那么电路拓扑结构就发生了变化，而且很可能造成结点的悬空，这是PSPICE所不允许的。二端元件的短路和开路从物理意义上说，其实是他们的阻抗分别变为0和无穷大。传统的方法是利用固定的标称值小的电阻替代原有元件的方法来模拟短路故障模式，利用固定的标称值大的电阻来模拟开路故障模式。这种故障建模方法对大多数电路有效，但是对含有超大电阻和小电阻的电路就得不到需要精度的结果。由于PSPICE的直流工作点分析是在电路中电感短路、电容开路的情况下，计算电路所有节点的电压。因此可以利用电容和电感替代原有元件来分别模拟这些元件的开路和短路模型。若电阻R1的标称值为10K，那么它的无故障模型、短路模型和开路模型分别为（PSPICE的语法结构请参考文献）：其他二端元件的开短路故障模型建模方法与电阻类似，不再赘述。由于PSPICE的直流工作点分析是在电路中电感短路、电容开路的情况下，计算电路所有节点的电压，故直流测试下，电容的开路故障和电感的短路故障无法诊断，所以，直流下不必建立电容的开路故障模型和电感的短路故障模型。3.1.2故障系数的设置交流测试时，因为电容具有容抗，电感具有感抗，不能再用电容和电感模拟二端元件的开路和短路故障。只能用小电阻来模拟短路时的0阻值，用大电阻来模拟开路时的无穷大阻值。但是尚若把短路时的元件标称值设置得过小，或者把开路时的元件标称值设置得过大，不利于PSPICE仿真，甚至得不到仿真结果。那么到底应把这些二端元件开路和短路时的替代元件的值分别设置为多大才能得到在误差范围内的仿真结果呢？任何一个元件其实际值和标称值之间总是存在容差。这样导致仿真出的节点电压与实际的节点电压值之间总是不同。用小电阻和大电阻模拟短路和开路故障的建模方法所产生的故障响应的误差完全可以认为是电路在该故障模式下，其他元件的容差造成的。由于电子器件的飞速发展，元件的容差变得越来越小，甚至可达到0.01%。因此，为确保采用的故障建模方法不会产生较大的误差，可以设置一个比元件容差小得多的值作为故障系数。该值的大小设置要考虑两方面因素：（1)PSPICE能够仿真；（2）要能得到故障诊断软件所要求精度的仿真结果。假设设置故障系数为容差的1/10，那么对于电阻而言，若其标称值为100kΩ，那就设置其短路时的电阻值为：100kΩ×0.001%=1Ω；开路时的电阻值为：100kΩ÷0.001%=1×10^10Ω。对于电容，电感和二极管，开路时其设置的替代电阻的标称值以电路中最大电阻的标称值除以故障系数获得，短路时替代电阻值为电路中最小电阻值乘以故障系数获得。3.2未来的器件结构对于管脚数大于2的器件，故障建模方法相对复杂一些。其一，管脚数的增加导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，单纯地用一个新的器件去替代原有的器件，而必须增加器件，这样必然改变电路的拓扑结构。以三极管为例，三极管有三个管脚，基极（B）、集电极（C）和发射极（E）。常见的故障模式有：基极和集电极短路（BCSHORT），基极和发射极短路（BESHORT），集电极和发射极短路（CESHORT）以及基极开路（BOPEN），集电极开路（COPEN）和发射极开路（EOPEN）。这些故障在直流和交流下的模型如下所述。3.2.1基极故障建模当基极和集电极短路时，在基极和集电极之间并联一个电感。利用PSPICE分析静态工作点时，视电感短路来模拟该故障。基极发射极短路故障、集电极发射极短路故障与基极集电极短路故障类似，这里不再赘述。基极开路时，需要在基级串联一个电容，利用PSPICE分析静态工作点时，视电容开路来模拟该故障。集电极开路故障、发射极开路故障与基极开路故障建模方法类似，这里不再赘述。MOS管和结型场效应管的故障建模方法与三极管类似，这里不再赘述。3.2.2模拟油路故障模型多管脚晶体管交流故障模型的建立与直流故障模型类似。所不同的事，发生短路故障所并联的器件由电感变为小电阻。发生开路故障所串连的器件由电容变为大电阻。本文在建立直流故障模型时，利用了电感来模拟短路故障，电容来模拟开路故障。相对于建立交流故障模型时，分别用小电阻和大电阻来模拟短路和开路的做法，有两点好处：（1）完全模拟了短路时电阻为0、压降为0，开路时电阻无穷大、电流为0的情况；（2）利于PSPICE仿真分析，因为直流仿真时，将电容开路，电感短路，会使得器件减少，从而加快PSPICE的仿真。如果故障诊断算法允许仿真结果有一定偏差，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统一会使故障诊断更简单。3.3运算放大器开短路故障模型建立对于集成电路，其内部器件的物理故障很多，故障诊断无需对这些物理故障建立模型。因为只要诊断出集成电路损坏，那么维修时，换掉集成电路就可以了，诊断程序并不关心内部发生了何种故障。因此，只需对内部器件的物理故障所引发的集成电路的功能故障进行建模。不同集成电路内部结构不同，因此内部器件的物理故障使得集成电路发生功能故障的方式千差万别。但对集成运放而言，笔者利用3.1和3.2中的方法,用PSPICE分析了通用双极型运算放大器F007和CMOS集成运算放大器5G14573，内部器件的开短路故障所产生的后果有四种情况：（1）内部物理故障对运算放大器的功能无明显影响；（2）输出电压值钳位在正供电电源电压或者负供电电源电压附近；（3）运算放大器失调电压过大；（4）运算放大器输出限制在某个电压或者其他非常规功能性故障。前三类物理故障占总物理故障数的90%，因此只要对前三类功能性故障建立模型，那么对于运算放大器而言，所建立的故障就能达到其可能产生的故障数的90%。这四种故障模型的原理图入图1所示。理想集成运放只有在正相输入端和反相输入端电压值相同的时候才能使开环输出为0。为此，按照图1(c）和图1(d），必须在正相输入端输入一个与电源E反相的电压或者在反相输入端输入一个与电源E同相的电压才能使其开环输出为0。输入的电压值即为失调电压值。失调电压多大为过大由电路情况和运算放大器自身的参数而定。这样就用简单的方法模拟了输出稳定在电源电压附近和失调电压过大这两种功能故障，而不必关心其内部到底发生了何种物理故障。并且简化了PSPICE模型文件修改，使整个故障仿真变得容易。4建模方法仿真下面通过一个简单的例子（电路图如图2所示）来说明这种方法的正确性。VI为电路输入端，电压值为-2V,VCC和VEE分别为15V和-15V。电路有5个电阻（10个故障），1个晶体管（6个故障），1个运算放大器（4个功能故障），分别对无故障电路和20个故障电路仿真，仿真结果与理论分析完全一致，证明了这种建模方法的合理性。利用这些数据，运用合理的算法，就可以编撰出字典。当模拟电路发生故障时，只要测试算法优选出的节点，比对故障字典，就可以实现故障的诊断。5集成运放功能故障建模方法对于故障模型的建立，要区别对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）和串并联法（多端元件）实现。对于集成电路的功能