基于瞬态响应测试的模数混合电路故障诊断专家系统

内蒙古工业大学学报

JOURNALOFINNERMONGOLIAUNIVERSITYOFTECHNOLOGY

Vol.27No.32008

　　文章编号:1001-5167(2008)03-0199-05

基于瞬态响应测试的

模数混合电路故障诊断专家系统

胡大伟,李春明

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(内蒙古工业大学信息工程学院,呼和浩特010051)

摘要:本文利用一种将瞬态响应测试应用于模数混合电路故障诊断的新方法,通

过传统的专家系统加以实现.该测试方法大大简化了测试过程,节省了测试时间和费用,因此基于此方法的专家系统更加适合于实际工程应用.

关键词:模数混合电路;专家系统;瞬态响应测试;故障诊断中图分类号:TN711　　文献标识码:A

0　引　言

　　电路故障诊断理论的研究一直是电路与系统理论的重要研究领域之一.虽然电路测试技术从模拟

电路测试发展至今也有几十年的时间,但模数混合电路的测试仍然是一个很年轻的领域.因此,模数混合电路的故障诊断也就成为一个非常重要的课题.

近年来已经提出了很多方法试图解决模数混合信号电路测试问题,其中的一些方法旨在优化测试策略,使需要探测的测试点最少,这些方法都是基于被测电路的知识或者是在对电路可能出现的故障进行仿真的基础上发展起来的.如直流测试的故障字典法.在此方法中要对一个指定的电路计算所有可能状态下的直流响应

〔1〕

.在混合电路测试学科发展的早期,也曾经有人尝试将模拟元件数字化以解决统一

〔2〕

模拟数字两部分信号的问题.文献的作者给出了一个例子,用一个逻辑门网络近似代替一个比较器电路.如果任何一个模拟电路模块都可以用这种方法由一个数字模近似代替,那么这种方法是一种理想的方法.遗憾的是将任何一个模拟模块数字化都存在相当大的困难.文献〔3〕提出一种逻辑分解方法,将电网络分解成若干子网络,用可及节点作为分解节点.此方法比较适合应用于双极型电路,但由于基尔霍夫定律时存在误差,这个方法应用于CMOS电路就比较困难.文献〔4〕提出了一种广义特征法的思想,利用库函数映射,统一模拟数字信号特征.该分析法对测试设备的要求是设备不仅要满足任意波形存储和任意波形产生的要求,而且要实现多路同时任意激励和同时采集.

本文所用的方法是通过瞬态响应分析把数字电路部分和模拟电路部分结合起来进行诊断,解决了模拟电路和数字电路特性相差太大难于诊断的问题.使用瞬态分析对电路进行综合测试分析,不同的瞬态响应曲线与电路的不同状态相对应,再将这些瞬态响应曲线作为知识库存入专家系统,由专家系统通过人机接口询问分析,得出正确结论.

1　基于OrCAD/PSpice的瞬态响应测试(TRT)

　　瞬态响应测试本质上是一种电压测试.电压测试技术是通过观察无故障电路和故障电路的原始输

收稿日期:2006-09-11

作者简介:胡大伟(1981～),辽宁沈阳人,内蒙古工业大学控制理论与控制工程专业,研究生.200

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出来检测故障的,主要针对固定型故障.因为任何电路的响应都包括电路内部发生情况的信息,所以能用瞬态响应对电路进行统一分析.不同电路状态下的瞬态响应曲线能够区分出电路的各个不同状态,这样只要采样输出点在不同时间下的电压值即可提取输出点的时域特征.

基于无故障电路响应的优化线性测试信号方法〔5〕是本文所采用方法的基础.这个测试信号包括一串矩形脉冲,脉冲的振幅和持续时间与被测电路的传递函数有关.但是这个方法不能直接应用于模数混合信号电路测试,因为一旦测试信号通过数字模块,振幅会在逻辑0和逻辑1之间的范围内.本文所采用的瞬态响应测试法结合了瞬态响应分析,并扩展了文献中提出的方法,使测试信号能直接应用到混合信号电路.

瞬态响应测试实质上是功能测试〔7〕,这是一个显著的优点,因为对模拟系统的故障建立模型是非常复杂的.对一些元件来说,5%的偏差可能对系统功能的影响是巨大的,然而对其他一些元件来说,50%的偏差对系统的影响可能都是很微小的.准确地说,TRT只检测影响被测电路功能的故障.这样只要比较所观测到的瞬态响应与参考(所期望)瞬态响应就能进行模数混合电路的测试.

无论是IC测试、电路板测试还是系统测试,其中一个问题就是测试点通常不方便取得,因此不太可能在电路内部探测来追踪被怀疑的故障.容易监测的节点只有外部的输入节点、输出节点以及供电电源节点.因为任何电路的响应都包括电路内部发生的情况的信息,这一点就能为诊断所用.这里所采用的方法是监测电路的输出响应,应用一个输入激励然后提取时域特征作为电路信息,供诊断使用.将这个方法应用到单独的模拟电路和数字电路中,都获得了很好的故障覆盖率,且故障覆盖率比DC方法的故障覆盖率高.该方法只要监测输入节点和输出节点,避免了测试点选择的问题,这样在测试过程中就会方便很多.瞬态响应测试的另外一个优点就是其速度通常比传统的小信号测试或静态测试速度快.因此综合看,瞬态响应测试非常适合于实际工程应用.

OrCAD/PSpice软件是由OrCAD公司提供的功能强大的融合了原理图、PCB设计和模数混合电路仿真功能的综合软件〔6〕.对混合电路进行分析时,PSpice的分析处理方法是:首先对电路中的模拟部分和数字部分分别进行分析,然后在模拟电路和数字电路的界面节点处,通过数字模拟(digitalsimulation)根据提供模拟电路元件和数字电路元件之问的接口程序算法,将模拟电路分析所得的电压转换成数字逻辑电平或将数字电路分析所得的逻辑电平转换成相应的电压和源电阻,从而实现数字电路和模拟电路的接口转换,使数字电路元件可以与模拟电路元件一样被调用.

在瞬态分析中,输入激励信号的波形可以采用脉冲信号、分段线性信号、正弦调幅信号、调频信号和指数信号5种不同形式的波形,本文的激励信号选用脉冲信号.在本文中模数混合信号电路均用上述方法进行仿真.

〔5〕

2　故障诊断专家系统(FD-ES)的设计及诊断测试

2.1　专家系统

专家系统是人工智能科学中偏向应用的一个分支,是人工智能实用化的具体表现.所谓专家系统,是一种智能化的计算机软件系统,运用知识和推理来解决只有专家才能解决的复杂问题〔8〕.诊断专家系统结构如图1所示.它由知识库、推理机和接口三部分组成.

专家系统有以下优点:可以有效利用领域专家的知识和经验;易于扩充利用完善;具有自我知识的

能力;可作非精确的推理等.2.2　故障诊断专家系统设计

采用一个基本的模数混合电路如图2所示〔7〕.通常情况下,混合电路所包含的相关知识非常丰富.比如电路的工作原理、元件参数指标和一些发生率比较高的故障,将这些知识先行编入知识库,作为通用部分,即浅知识部分.针对于具体混合电路,知识库中还要存放它的瞬态响应,即深知识部分.用PSpice对该电路进行瞬态响应分析.选输入为脉冲信号,人为设定多种电路故障,通过大量仿真实验,得到电路在各单故障状态下的瞬态响应曲线.从图中可以看出几种状态下的瞬态响应区分比较明显,可

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以有效地区分各自所代表的状态.但是由于它们的非线性非常明显,专家系统无法识别,这样的曲线不能直接放到知识库中.在这里要对曲线进行预处理.首先要提取曲线的特征,包括极值、拐点、是否有局部极值、曲线的单调性等,其次要将这些特征加以区分,判断哪些特征可以为诊断所利用,最后将能区分曲线的特征加以分类,写进知识库.以正常状态为例加以说明.通过提取曲线(a)的特征,得到下述结论:极大值:3.5;极小值:0.1;是否有局部极值:是,为2.85;单调性:非单调.这样据此得出一条规则,将它用自然语言描述后“翻译”成Prolog语言的表示形式,写进知识库.

图1　诊断专家系统结构图

图2　模数混合电路实例

依此建立完全部规则之后,遵照以下两条基本原则对全部规则进行核对:

(1)尽可能用最小一组充分条件来定义一条产生式规则,避免不必要的冗余;(2)避免任何两条产生式规则发生冲突.

这样连同通用知识一起,就构建了该模数混合电路故障诊断专家系统的知识库.

推理机作为专家系统的组织控制机构,能通过运用由用户提供的征兆数据,从知识库中选取相关的知识并按照一定的推理策略进行推理,直到得出相应的结论.在设计推理机时应考虑推理方法、推理方

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向和推理策略二个方面.本专家系统采用精确正向推理形式,并采用深度优先搜索,确保每个问题都有精确解.

在解释程序部分,传统的方法是预置文本与路径跟踪法,但二者有各自的优缺点,比较好的解决方案是是将二者结合,取长补短.在本系统中,为了实现对诊断结果的解释,做了如下设计:首先对每条规则预置文本;接着使用谓词对诊断过程进行跟踪,产生表L,该表中包括了所有匹配成功的规则的编号;最后对表L进行解释.对于推理过程的解释,主要是使程序跟踪目前系统正在试图匹配的规则,由此规则产生解释语句.

(a)正常　　　　　　　　　　　　　　　(b)AC短路

(c)R6短路　　　　　　　　　　　(d)放大器2正负极短路

图3　电路部分故障模式下瞬态响应曲线示意图

2.3　实际诊断测试

为了验证该专家系统的有效性,对该系统进行诊断测试.系统首先要根据专家经验用浅知识判断系统是否存在故障,若有则调用深知识部分,通过对用户的提问,利用从用户反馈来的诊断信息完成诊断.

从诊断效果来看,该系统在单故障且故障数目有限的情况下,有着极高的诊断准确率,接近100%.

3　结束语

　　本文提出对模数混合电路进行瞬态响应测试并将电路模拟和数字部分统一起来进行诊断的算法,完成该算法的专家系统实现,对模数混合电路故障诊断进行了有益的尝试.实践证明,将专家系统应用于混合信号电路的测试与诊断是可行的,本文所完成的专家系统基本可以满足实际工程测试的要求.需要说明的是,诊断专家系统的诊断能力强弱主要取决于知识库的完备程度,该系统在应用中暴露出的缺陷,如知识获取能力较差等将在后续研究中给予改进.

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AFAULTDIAGNOSISEXPERTSYSTEM

FORMIXED-SIGNALCIRCUITSBASEDONTRANSIENTRESPONSETESTING

HUDa-wei,LIChun-ming

(SchoolofInformationEngineering,

InnerMongoliaUniversityofTechnology,Hohhot010051,China)

　　Abstract:Afaultdiagnosisexpertsystem(FDES)formixed-signalcircuitsissetup,makinguseoftransientresponsetesting(TRT).Thistestingapproachsimplifiesgreatlythetestingprocessandsavesalotoftestingexpenseandtestingtime.Therefore,suchanexpertsystemismoreappropriateforengineeringapplication.

Keywords:mixed-signalcircuits;expertsystem;transientresponsetesting;faultdiagnosis