航天測控數模混合電路故障診斷軟件開發平臺

　　電子設備電路板的維修主要集中在處理數字電路、模擬電路和數模混合電路3類電路的維修問題上，其中又以數模混合電路的維修比例最大，大量數模混合電路由于缺少資料、維修難度大，造成維修效率低下或者不能維修，使得電子設備的可靠性不能得到有效的保障。一方面大量電子設備由于缺少備件而不能有效的使用，另一方面大量的待檢測數模混合電路不能得到有效的維修和使用。建立具有數模混合電路維修診斷能力的軟件平臺，提高數模電路診斷效率具有重要的意義。北京航天測控技術開發公司針對數模混合電路板，開展數模混合電路特別是模擬電路的測試仿真與故障診斷軟件的研究，跟蹤世界先進的測試診斷技術，設計開發了數模混合電路故障診斷軟件平臺，建立了數模混合電路測試與故障診斷系統，提高了我國數模混合電路測試診斷與維護的水平和能力。

　　一、模擬電路仿真存在的問題
　　模擬電路和數字電路中測試信號的極大差異通常使得測試數模混合電路變得很困難，主要體現在：①模擬電路的輸入激勵和輸出響應都是連續量，模擬電路的故障模型比較復雜，難以簡單量化；②檢測點的數據取值困難，模擬電路中的元器件參數具有容差，只是尚在允許范圍之內，導致實際故障的模糊性，不能決定實際故障的物理位置；③模擬電路廣泛存在非線性問題，隨著電路規模的增加，計算量以指數形式增加；④模擬電路存在大量的反饋電路，增加了計算和測試的復雜性；⑤數模電路故障模型尚不完全成熟，缺乏強有力的模擬故障激勵和測試生成工具，對其測試的時間很容易變得很長，與ATE（自動測試設備）的接口也不方便；⑥有些電路數字和模擬部分相互融合不能分塊。這些特點增加了對混合電路測試診斷的難度。

　　二、數模混合電路故障診斷軟件平臺組成
　　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。針對數模混合電路板的特點，設計數模混合電路故障診斷軟件平臺，不僅可以實現電路板的功能仿真，同時可以依據電路板的器件特點插入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。
　　航天測控數模混合電路故障診斷軟件開發平臺通過向仿真器導入電路描述文件，對電路進行仿真，或用戶自定義故障類型，進行故障仿真。對仿真器的輸出數據進行處理，形成故障字典，對被測電路進行基于故障字典的診斷。診斷結果加入診斷知識庫，可根據需要對故障字典實施數據挖掘以豐富知識庫，實現知識共享。

　　1、原理圖
　　原理圖是為了實現某種功能而設計的電路圖。數模混合電路故障診斷軟件平臺需要電路板仿真信息，包括電路板的元器件、網絡連接關系等，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計前端，為仿真引擎生成標準的網表格式。可實現protel ASCII標準格式電路原理圖導入顯示、元器件繪圖修改、功能導航操作等人機界面功能。后臺包含電氣域節點合并、網表生成算法等模塊，支持用戶進行電路原理圖圖形化修改操作，解決文本編輯網表文件需遵循繁雜語法規則的弊端。
　　2、元器件模型
　　元器件模型是將電路原理圖轉化為仿真軟件能夠識別的仿真模型，也叫標稱仿真模型，其中關鍵在于能否對每一個元器件都有準確的建模。一般仿真軟件都含有大量的元器件庫，隨時可以調用，但由于元器件的發展日新月異，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測試性設計的關鍵環節，如果不能精確地建立系統的仿真模型，后面的工作就無法進行。
　　仿真平臺的元件參數庫中包含了幾萬種元器件和單元集成電路的模型參數，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）；常用的半導體器件（如二極管、雙極晶體管、結型場效應晶體管、MOS場效應晶體管，GaAs場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管（IGBT等）；獨立電壓源和獨立電流源（如直流DC、交流DC、瞬態TRAN分析和邏輯模擬所需的各種激勵信號波形）；各種受控電壓源、受控電路源和受控開關；基本數字電路單元（如常用的門電路、傳輸門、延遲線、觸發器、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）。
　　仿真平臺提供一個模型參數配置界面，讓用戶自己生成模擬時所需的元器件庫以外的模型參數，設置好分析參數后，即可和系統自帶模型一樣，在原理圖繪制界面下進行后續仿真工作。
　　3、仿真引擎
　　數模混合電路故障診斷軟件平臺實現仿真引擎從linux到windows移植，并嵌入到仿真框架內。SPICE可對電路進行非線性直流分析、非線性瞬態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、獨立電壓源、獨立電流源、各種線性受控源、傳輸線以及有源半導體器件。
　　對前端生成的網表文件調用仿真引擎進行電路分析，提供仿真算法的收斂性參數調試設置窗口，以保證復雜規模非線性電路仿真的收斂性，并支持仿真引擎輸出原始數據的圖形顯示。對于電路正常仿真，可進行工作點分析，直流掃描分析、瞬態分析、交流小信號分析、蒙特卡羅分析，并可調用顯示程序進行各種仿真分析數據的圖形顯示。對于電路故障仿真，可對批量插入的故障列表進行序列化故障仿真，為后端故障字典處理提供統一的批量故障仿真分析數據文件。
　　4、故障模式
　　選擇故障集實際上是設置電路各種故障狀態，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生的故障模式及其對系統造成的所有可能影響，并按每一個故障模式的嚴重程度、難易程度以及發生頻度予以分類，將發生概率高、危害度大的故障選作故障集，而不必對所有元件的硬故障都予以考慮。對于具體電路還需具體問題具體分析，確定故障模型。

設備構成件類別	故障模式
變頻器	開路、短路、漂移
功率計	短路、開路、讀數錯誤
繼電器	觸電電阻過大，觸電短路、開路振動，線圈開路、短路、結合不穩定
可變電阻	短路、開路、數值漂移、機械故障
保險絲	開路、熔斷電流變化
半導體	短路、開路、開關電流、電壓增大、雜波、噪聲、失控、參數漂移
電線	開路、短路、接觸不良、絕緣破損
燈炮	燈絲斷、發光亮度變化、破損、噪聲
信號發生器	開路、短路信號不穩定、信號漂移
開關	開路、短路、不穩定、振動、電極損傷、接觸電阻大
插座	開路、短路、破損、機械故障
馬達	開路、短路、過熱、振動、噪聲
變壓器	開路、短路、過熱、絕緣破壞
發電機	開路、短路、過熱振動、噪聲、參數漂移
二極管	開路、短路、參數漂移
濾波器	開路、短路、參數漂移、機械損傷
接頭	開路、短路接觸電阻大、絕緣破壞、

　　5、輸入激勵選取
　　通常采用與實際工作相似的輸入信號作為激勵信號。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的組合信號，甚至還需要另選一些實際工作中沒有的組合信號作為激勵，通常需要根據經驗或通過對電路作靈敏度分析，逐步試探得到能隔離故障集中所有故障的激勵信號。
　　6、故障注入
　　故障注入是故障模式集中的故障注入到標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，實現對電路中所有同類元件進行批量故障注入和單個故障注入，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行元件故障模型設計，并自動添加到對應的故障模型庫中。
　　7、測試點選取
　　 要了解電路所處的狀態就必須從電路中提取相關的信息，測試點實際上就是提取電路信息的觀測點。測試點多所得到的信息量就大，判斷電路狀態就比較容易。但測試點過多，可能會造成因計算和存儲大量不必要的信息而浪費計算機資源。
　　8、模糊集和故障字典
　　由于模擬電路中各元件存在容差，導致節點電壓存在一定變化范圍，而不是一個確定值。這時就需要引入模糊集的概念以實現故障隔離，如果利用所選擇的測試節點和激勵信號所生成的模糊集足以隔離出所有故障，利用現有信息建立故障字典。