一、模擬電路仿真存在的問題
模擬電路和數(shù)字電路中測試信號(hào)的極大差異通常使得測試數(shù)模混合電路變得很困難，主要體現(xiàn)在：①模擬電路的輸入激勵(lì)和輸出響應(yīng)都是連續(xù)量，模擬電路的故障模型比較復(fù)雜，難以簡單量化；②檢測點(diǎn)的數(shù)據(jù)取值困難，模擬電路中的元器件參數(shù)具有容差，只是尚在允許范圍之內(nèi)，導(dǎo)致實(shí)際故障的模糊性，不能決定實(shí)際故障的物理位置；③模擬電路廣泛存在非線性問題，隨著電路規(guī)模的增加，計(jì)算量以指數(shù)形式增加；④模擬電路存在大量的反饋電路，增加了計(jì)算和測試的復(fù)雜性；⑤數(shù)模電路故障模型尚不完全成熟，缺乏強(qiáng)有力的模擬故障激勵(lì)和測試生成工具，對(duì)其測試的時(shí)間很容易變得很長，與ATE（自動(dòng)測試設(shè)備）的接口也不方便；⑥有些電路數(shù)字和模擬部分相互融合不能分塊。這些特點(diǎn)增加了對(duì)混合電路測試診斷的難度。
二、數(shù)模混合電路故障診斷軟件平臺(tái)組成
常用的仿真EDA軟件很多，但是這類軟件只能完成電路板的功能仿真，不具備故障插入以及故障仿真的功能。針對(duì)數(shù)模混合電路板的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)數(shù)模混合電路故障診斷軟件平臺(tái)，不僅可以實(shí)現(xiàn)電路板的功能仿真，同時(shí)可以依據(jù)電路板的器件特點(diǎn)插入故障模式" title="故障模式">故障模式或自定義器件的模型，從而完成電路板整板的功能與故障仿真。
航天測控?cái)?shù)模混合電路故障診斷軟件開發(fā)平臺(tái)通過向仿真器導(dǎo)入電路描述文件，對(duì)電路進(jìn)行仿真，或用戶自定義故障類型，進(jìn)行故障仿真。對(duì)仿真器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成故障字典，對(duì)被測電路進(jìn)行基于故障字典的診斷。診斷結(jié)果加入診斷知識(shí)庫，可根據(jù)需要對(duì)故障字典實(shí)施數(shù)據(jù)挖掘以豐富知識(shí)庫，實(shí)現(xiàn)知識(shí)共享。
1、原理圖
原理圖是為了實(shí)現(xiàn)某種功能而設(shè)計(jì)的電路圖。數(shù)模混合電路故障診斷軟件平臺(tái)需要電路板仿真信息，包括電路板的元器件、網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系等，為下一步的功能仿真和故障仿真提供必要條件。提供用戶方便的電路原理圖設(shè)計(jì)前端，為仿真引擎生成標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)表格式。可實(shí)現(xiàn)protel ASCII標(biāo)準(zhǔn)格式電路原理圖導(dǎo)入顯示、元器件繪圖修改、功能導(dǎo)航操作等人機(jī)界面功能。后臺(tái)包含電氣域節(jié)點(diǎn)合并、網(wǎng)表生成算法等模塊，支持用戶進(jìn)行電路原理圖圖形化修改操作，解決文本編輯網(wǎng)表文件需遵循繁雜語法規(guī)則的弊端。
2、元器件模型
元器件模型是將電路原理圖轉(zhuǎn)化為仿真軟件能夠識(shí)別的仿真模型，也叫標(biāo)稱仿真模型，其中關(guān)鍵在于能否對(duì)每一個(gè)元器件都有準(zhǔn)確的建模。一般仿真軟件都含有大量的元器件庫，隨時(shí)可以調(diào)用，但由于元器件的發(fā)展日新月異，元器件庫中不可能包含所有元器件的模型，因此對(duì)庫里沒有的元器件必須重新建模。顯然，建模的好壞直接影響仿真的精度，也是利用仿真軟件研究系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如果不能精確地建立系統(tǒng)的仿真模型，后面的工作就無法進(jìn)行。
仿真平臺(tái)的元件參數(shù)庫中包含了幾萬種元器件和單元集成電路的模型參數(shù)，基本上能夠滿足一般用戶的要求。庫模型大致可分為6類：基本無緣元件（如電阻、電容、電感、互感、傳輸線等）；常用的半導(dǎo)體器件（如二極管、雙極晶體管、結(jié)型場效應(yīng)晶體管、MOS場效應(yīng)晶體管，GaAs場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管（IGBT等）；獨(dú)立電壓源和獨(dú)立電流源（如直流DC、交流DC、瞬態(tài)TRAN分析和邏輯模擬所需的各種激勵(lì)信號(hào)波形）；各種受控電壓源、受控電路源和受控開關(guān)；基本數(shù)字電路單元（如常用的門電路、傳輸門、延遲線、觸發(fā)器、可編程邏輯陣列、RAM、ROM等）；常用的單元電路（如放大器類集成電路等）。
仿真平臺(tái)提供一個(gè)模型參數(shù)配置界面，讓用戶自己生成模擬時(shí)所需的元器件庫以外的模型參數(shù)，設(shè)置好分析參數(shù)后，即可和系統(tǒng)自帶模型一樣，在原理圖繪制界面下進(jìn)行后續(xù)仿真工作。
3、仿真引擎
數(shù)模混合電路故障診斷軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)仿真引擎從linux到windows移植，并嵌入到仿真框架內(nèi)。SPICE可對(duì)電路進(jìn)行非線性直流分析、非線性瞬態(tài)分析和線性交流分析。被分析的電路中的元件可包括電阻、電容、電感、互感、獨(dú)立電壓源、獨(dú)立電流源、各種線性受控源、傳輸線以及有源半導(dǎo)體器件。
對(duì)前端生成的網(wǎng)表文件調(diào)用仿真引擎進(jìn)行電路分析，提供仿真算法的收斂性參數(shù)調(diào)試設(shè)置窗口，以保證復(fù)雜規(guī)模非線性電路仿真的收斂性，并支持仿真引擎輸出原始數(shù)據(jù)的圖形顯示。對(duì)于電路正常仿真，可進(jìn)行工作點(diǎn)分析，直流掃描分析、瞬態(tài)分析、交流小信號(hào)分析、蒙特卡羅分析，并可調(diào)用顯示程序進(jìn)行各種仿真分析數(shù)據(jù)的圖形顯示。對(duì)于電路故障仿真，可對(duì)批量插入的故障列表進(jìn)行序列化故障仿真，為后端故障字典處理提供統(tǒng)一的批量故障仿真分析數(shù)據(jù)文件。
4、故障模式
選擇故障集實(shí)際上是設(shè)置電路各種故障狀態(tài)，確定可診斷的故障集。一般電路的故障模式有開路、短路、參數(shù)漂移和固定高、固定低、反相、橋接等。分析電路板中元器件所有可能產(chǎn)生的故障模式及其對(duì)系統(tǒng)造成的所有可能影響，并按每一個(gè)故障模式的嚴(yán)重程度、難易程度以及發(fā)生頻度予以分類，將發(fā)生概率高、危害度大的故障選作故障集，而不必對(duì)所有元件的硬故障都予以考慮。對(duì)于具體電路還需具體問題具體分析，確定故障模型。
| 設(shè)備構(gòu)成件類別 | 故障模式 |
| 變頻器 | 開路、短路、漂移 |
| 功率計(jì) | 短路、開路、讀數(shù)錯(cuò)誤 |
| 繼電器 | 觸電電阻過大，觸電短路、開路振動(dòng)，線圈開路、短路、結(jié)合不穩(wěn)定 |
| 可變電阻 | 短路、開路、數(shù)值漂移、機(jī)械故障 |
| 保險(xiǎn)絲 | 開路、熔斷電流變化 |
| 半導(dǎo)體 | 短路、開路、開關(guān)電流、電壓增大、雜波、噪聲、失控、參數(shù)漂移 |
| 電線 | 開路、短路、接觸不良、絕緣破損 |
| 燈炮 | 燈絲斷、發(fā)光亮度變化、破損、噪聲 |
| 信號(hào)發(fā)生器 | 開路、短路信號(hào)不穩(wěn)定、信號(hào)漂移 |
| 開關(guān) | 開路、短路、不穩(wěn)定、振動(dòng)、電極損傷、接觸電阻大 |
| 插座 | 開路、短路、破損、機(jī)械故障 |
| 馬達(dá) | 開路、短路、過熱、振動(dòng)、噪聲 |
| 變壓器 | 開路、短路、過熱、絕緣破壞 |
| 發(fā)電機(jī) | 開路、短路、過熱振動(dòng)、噪聲、參數(shù)漂移 |
| 二極管 | 開路、短路、參數(shù)漂移 |
| 濾波器 | 開路、短路、參數(shù)漂移、機(jī)械損傷 |
| 接頭 | 開路、短路接觸電阻大、絕緣破壞、 |
5、輸入激勵(lì)選取
通常采用與實(shí)際工作相似的輸入信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)。為了充分隔離故障集中的所有故障，往往需要多種輸入信號(hào)的組合信號(hào)，甚至還需要另選一些實(shí)際工作中沒有的組合信號(hào)作為激勵(lì)，通常需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或通過對(duì)電路作靈敏度分析，逐步試探得到能隔離故障集中所有故障的激勵(lì)信號(hào)。
6、故障注入
故障注入是故障模式集中的故障注入到標(biāo)稱仿真模式型的過程。用戶通過可視化故障建模及故障注入，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路中所有同類元件進(jìn)行批量故障注入和單個(gè)故障注入，并提供開放的可不斷豐富的元器件故障圖形模型庫和故障仿真模型庫。對(duì)于庫中不存在的故障模型，用戶可通過新增故障模型功能進(jìn)行元件故障模型設(shè)計(jì)，并自動(dòng)添加到對(duì)應(yīng)的故障模型庫中。
7、測試點(diǎn)選取
要了解電路所處的狀態(tài)就必須從電路中提取相關(guān)的信息，測試點(diǎn)實(shí)際上就是提取電路信息的觀測點(diǎn)。測試點(diǎn)多所得到的信息量就大，判斷電路狀態(tài)就比較容易。但測試點(diǎn)過多，可能會(huì)造成因計(jì)算和存儲(chǔ)大量不必要的信息而浪費(fèi)計(jì)算機(jī)資源。
8、模糊集和故障字典
由于模擬電路中各元件存在容差，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)電壓存在一定變化范圍，而不是一個(gè)確定值。這時(shí)就需要引入模糊集的概念以實(shí)現(xiàn)故障隔離，如果利用所選擇的測試節(jié)點(diǎn)和激勵(lì)信號(hào)所生成的模糊集足以隔離出所有故障，利用現(xiàn)有信息建立故障字典。
二、數(shù)模混合電路故障診斷軟件平臺(tái)的特點(diǎn)
數(shù)模混合電路故障診斷軟件屬于EDA軟件中的開發(fā)環(huán)境類，符合目前開發(fā)工具的發(fā)展。它既具備一般EDA軟件的前端圖形處理功能，也具備先進(jìn)的過程仿真分析功能，同時(shí)融入了高效的智能化故障模式分析、故障診斷功能，集成了電子輔助設(shè)計(jì)技術(shù)和先進(jìn)人工智能故障診斷技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。用戶可方便通地過計(jì)算機(jī)輔助獲得UUT對(duì)象的豐富狀態(tài)知識(shí)進(jìn)行故障診斷，避免了以往基于先驗(yàn)專家知識(shí)和實(shí)板測試獲得故障診斷知識(shí)的缺陷，用戶只需建立相應(yīng)的UUT的電路模型，插入對(duì)應(yīng)的故障模式，導(dǎo)入不同模式組合的激勵(lì)即可獲得完備的故障字典。數(shù)模混合電路故障診斷軟件平臺(tái)具有以下特點(diǎn)：
1、為用戶提供和諧友好的人機(jī)界面，具有強(qiáng)大的電子電路輔助設(shè)計(jì)編輯功能。用戶可方便地進(jìn)行電路原理圖導(dǎo)入、設(shè)計(jì)、修改。
2、具備完備的電子元件圖形和仿真模型庫。開發(fā)環(huán)境元件庫不僅囊括了現(xiàn)行EDA軟件的基本元器件圖形模型類，還豐富了對(duì)應(yīng)的元件仿真模型，使得本平臺(tái)相比其他EDA軟件可支持包含更多更復(fù)雜元器件電路的仿真分析。
3、具備開放式的元件建模功能。在具備基本大類元件庫的基礎(chǔ)理論上提供了自定義元件建模功能，使用戶可依據(jù)元件資料方便地進(jìn)行圖形建模，并自動(dòng)豐富到現(xiàn)有元器件庫中，避免由于個(gè)別元器件過老或太新沒有仿真模型而無法進(jìn)行電路整體仿真的缺陷。
4、具備豐富的元件故障模式。相比現(xiàn)行故障仿真EDA軟件（如TINA）具備更為復(fù)雜的故障模式，用戶不僅可方便注入開路短路故障，也可選擇不同的插入方式插入?yún)?shù)漂移、橋接、非線性失效等復(fù)雜等效故障。
5、具備開放式的故障建模功能。提供開放式的故障建模模塊，支持用戶建立故障模型庫所不涵蓋的稀有故障模式，并自動(dòng)集成到故障模型庫中，方便二次使用。
6、集成了先進(jìn)的模數(shù)故障仿真引擎。開發(fā)環(huán)境集成了最新的SPICE、CIDAR、XSPICE仿真引擎技術(shù)，并自主開發(fā)了模數(shù)混合接口的建模技術(shù)，提升了傳統(tǒng)SPICE仿真引擎對(duì)簡單數(shù)字器件的兼容支持問題，使開發(fā)環(huán)境可支持模擬、模數(shù)混合電路的故障仿真。
7、采用了模糊集、蒙特卡羅、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)智能計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬電路容差變化的有效性支持。模擬及模數(shù)混合信號(hào)存在一定的容差范圍，為了擬合電路故障狀態(tài)的自然分布以提供精確有效的故障字典，采用了模糊集與蒙特卡羅相結(jié)合的方式來提升故障字典診斷的有效性。
8、集成了先進(jìn)的故障統(tǒng)計(jì)算法。在獲取故障字典后，可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出故障檢測與隔離情況，分析故障之間的等效關(guān)系及冗余關(guān)系，提供標(biāo)準(zhǔn)的故障字典檢測率和隔離率指標(biāo)。
9、采用了ODBC、DELPHI顯示等主流的軟件開發(fā)技術(shù)，平臺(tái)的可重用性、魯棒性好，易于修改和升級(jí)。
三、應(yīng)用實(shí)例
通過實(shí)際電路板的原理仿真結(jié)果與第三方EDA軟件仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果數(shù)據(jù)一致，然后對(duì)電路板進(jìn)行實(shí)際測試，測試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證仿真的正確性、準(zhǔn)確度等功能及性能指標(biāo)。通過對(duì)仿真情況的分析，完全可以完成對(duì)模擬器件、數(shù)字器件的仿真。通過與實(shí)板數(shù)據(jù)對(duì)比，其精度滿足要求。
航天測控?cái)?shù)模混合電路故障診斷軟件開發(fā)平臺(tái)提供用于模擬及模數(shù)混合電路故障仿真及故障診斷的通用環(huán)境，解決以往基于人為先驗(yàn)專家故障知識(shí)進(jìn)行故障診斷的弊端。使用戶不需要對(duì)電路實(shí)板進(jìn)行破壞性故障測試，只需通過元器件故障建模和電路仿真分析，在平臺(tái)可視化界面的指導(dǎo)下，利用平臺(tái)的各種功能組件，即可獲得電路在不同模式下的電路狀態(tài)進(jìn)而構(gòu)建仿真故障字典實(shí)現(xiàn)故障診斷，極大地提高了數(shù)模混合電路的故障診斷效率。
北京航天測控技術(shù)開發(fā)公司以通用測控產(chǎn)品為主，主要有六大類：基礎(chǔ)測試測量儀器，包括16大類230余種的VXI/PXI/LXI/CPCI/CAN/GPIB總線系列化儀器模塊及信號(hào)調(diào)理模塊；軟件及信息化產(chǎn)品，包括虛擬儀器測試開發(fā)環(huán)境和遠(yuǎn)程分布式測試與故障診斷系統(tǒng)；通用測試系統(tǒng)，包括“廣靈通”通用測試平臺(tái)及其系列產(chǎn)品；測試與維修保障系統(tǒng)，包括“華佗”電子設(shè)備電路板維修測試與診斷系統(tǒng)及其系列產(chǎn)品和裝備維修測試與診斷系統(tǒng)；自動(dòng)化控制系統(tǒng)，包括遙測遙控及工業(yè)自動(dòng)化等系統(tǒng)產(chǎn)品；測試系統(tǒng)輔助配套產(chǎn)品。同時(shí)公司還可以根據(jù)用戶的具體需求，提供ATE/ATS、DCS/FCS的系統(tǒng)集成、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)咨詢、軟件開發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及遠(yuǎn)程信息化測試、測試/診斷程序開發(fā)及技術(shù)培訓(xùn)與維護(hù)等服務(wù)。
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