航天测控数模混合电路故障诊断软件开发平台

　　电子设备电路板的维修主要集中在处理数字电路、模拟电路和数模混合电路3类电路的维修问题上，其中又以数模混合电路的维修比例最大，大量数模混合电路由于缺少资料、维修难度大，造成维修效率低下或者不能维修，使得电子设备的可靠性不能得到有效的保障。一方面大量电子设备由于缺少备件而不能有效的使用，另一方面大量的待检测数模混合电路不能得到有效的维修和使用。建立具有数模混合电路维修诊断能力的软件平台，提高数模电路诊断效率具有重要的意义。北京航天测控技术开发公司针对数模混合电路板，开展数模混合电路特别是模拟电路的测试仿真与故障诊断软件的研究，跟踪世界先进的测试诊断技术，设计开发了数模混合电路故障诊断软件平台，建立了数模混合电路测试与故障诊断系统，提高了我国数模混合电路测试诊断与维护的水平和能力。

　　一、模拟电路仿真存在的问题
　　模拟电路和数字电路中测试信号的极大差异通常使得测试数模混合电路变得很困难，主要体现在：①模拟电路的输入激励和输出响应都是连续量，模拟电路的故障模型比较复杂，难以简单量化；②检测点的数据取值困难，模拟电路中的元器件参数具有容差，只是尚在允许范围之内，导致实际故障的模糊性，不能决定实际故障的物理位置；③模拟电路广泛存在非线性问题，随着电路规模的增加，计算量以指数形式增加；④模拟电路存在大量的反馈电路，增加了计算和测试的复杂性；⑤数模电路故障模型尚不完全成熟，缺乏强有力的模拟故障激励和测试生成工具，对其测试的时间很容易变得很长，与ATE（自动测试设备）的接口也不方便；⑥有些电路数字和模拟部分相互融合不能分块。这些特点增加了对混合电路测试诊断的难度。

　　二、数模混合电路故障诊断软件平台组成
　　常用的仿真EDA软件很多，但是这类软件只能完成电路板的功能仿真，不具备故障插入以及故障仿真的功能。针对数模混合电路板的特点，设计数模混合电路故障诊断软件平台，不仅可以实现电路板的功能仿真，同时可以依据电路板的器件特点插入故障模式或自定义器件的模型，从而完成电路板整板的功能与故障仿真。
　　航天测控数模混合电路故障诊断软件开发平台通过向仿真器导入电路描述文件，对电路进行仿真，或用户自定义故障类型，进行故障仿真。对仿真器的输出数据进行处理，形成故障字典，对被测电路进行基于故障字典的诊断。诊断结果加入诊断知识库，可根据需要对故障字典实施数据挖掘以丰富知识库，实现知识共享。

　　1、原理图
　　原理图是为了实现某种功能而设计的电路图。数模混合电路故障诊断软件平台需要电路板仿真信息，包括电路板的元器件、网络连接关系等，为下一步的功能仿真和故障仿真提供必要条件。提供用户方便的电路原理图设计前端，为仿真引擎生成标准的网表格式。可实现protel ASCII标准格式电路原理图导入显示、元器件绘图修改、功能导航操作等人机界面功能。后台包含电气域节点合并、网表生成算法等模块，支持用户进行电路原理图图形化修改操作，解决文本编辑网表文件需遵循繁杂语法规则的弊端。
　　2、元器件模型
　　元器件模型是将电路原理图转化为仿真软件能够识别的仿真模型，也叫标称仿真模型，其中关键在于能否对每一个元器件都有准确的建模。一般仿真软件都含有大量的元器件库，随时可以调用，但由于元器件的发展日新月异，元器件库中不可能包含所有元器件的模型，因此对库里没有的元器件必须重新建模。显然，建模的好坏直接影响仿真的精度，也是利用仿真软件研究系统测试性设计的关键环节，如果不能精确地建立系统的仿真模型，后面的工作就无法进行。
　　仿真平台的元件参数库中包含了几万种元器件和单元集成电路的模型参数，基本上能够满足一般用户的要求。库模型大致可分为6类：基本无缘元件（如电阻、电容、电感、互感、传输线等）；常用的半导体器件（如二极管、双极晶体管、结型场效应晶体管、MOS场效应晶体管，GaAs场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管（IGBT等）；独立电压源和独立电流源（如直流DC、交流DC、瞬态TRAN分析和逻辑模拟所需的各种激励信号波形）；各种受控电压源、受控电路源和受控开关；基本数字电路单元（如常用的门电路、传输门、延迟线、触发器、可编程逻辑阵列、RAM、ROM等）；常用的单元电路（如放大器类集成电路等）。
　　仿真平台提供一个模型参数配置界面，让用户自己生成模拟时所需的元器件库以外的模型参数，设置好分析参数后，即可和系统自带模型一样，在原理图绘制界面下进行后续仿真工作。
　　3、仿真引擎
　　数模混合电路故障诊断软件平台实现仿真引擎从linux到windows移植，并嵌入到仿真框架内。SPICE可对电路进行非线性直流分析、非线性瞬态分析和线性交流分析。被分析的电路中的元件可包括电阻、电容、电感、互感、独立电压源、独立电流源、各种线性受控源、传输线以及有源半导体器件。
　　对前端生成的网表文件调用仿真引擎进行电路分析，提供仿真算法的收敛性参数调试设置窗口，以保证复杂规模非线性电路仿真的收敛性，并支持仿真引擎输出原始数据的图形显示。对于电路正常仿真，可进行工作点分析，直流扫描分析、瞬态分析、交流小信号分析、蒙特卡罗分析，并可调用显示程序进行各种仿真分析数据的图形显示。对于电路故障仿真，可对批量插入的故障列表进行序列化故障仿真，为后端故障字典处理提供统一的批量故障仿真分析数据文件。
　　4、故障模式
　　选择故障集实际上是设置电路各种故障状态，确定可诊断的故障集。一般电路的故障模式有开路、短路、参数漂移和固定高、固定低、反相、桥接等。分析电路板中元器件所有可能产生的故障模式及其对系统造成的所有可能影响，并按每一个故障模式的严重程度、难易程度以及发生频度予以分类，将发生概率高、危害度大的故障选作故障集，而不必对所有元件的硬故障都予以考虑。对于具体电路还需具体问题具体分析，确定故障模型。

设备构成件类别	故障模式
变频器	开路、短路、漂移
功率计	短路、开路、读数错误
继电器	触电电阻过大，触电短路、开路振动，线圈开路、短路、结合不稳定
可变电阻	短路、开路、数值漂移、机械故障
保险丝	开路、熔断电流变化
半导体	短路、开路、开关电流、电压增大、杂波、噪声、失控、参数漂移
电线	开路、短路、接触不良、绝缘破损
灯炮	灯丝断、发光亮度变化、破损、噪声
信号发生器	开路、短路信号不稳定、信号漂移
开关	开路、短路、不稳定、振动、电极损伤、接触电阻大
插座	开路、短路、破损、机械故障
马达	开路、短路、过热、振动、噪声
变压器	开路、短路、过热、绝缘破坏
发电机	开路、短路、过热振动、噪声、参数漂移
二极管	开路、短路、参数漂移
滤波器	开路、短路、参数漂移、机械损伤
接头	开路、短路接触电阻大、绝缘破坏、

　　5、输入激励选取
　　通常采用与实际工作相似的输入信号作为激励信号。为了充分隔离故障集中的所有故障，往往需要多种输入信号的组合信号，甚至还需要另选一些实际工作中没有的组合信号作为激励，通常需要根据经验或通过对电路作灵敏度分析，逐步试探得到能隔离故障集中所有故障的激励信号。
　　6、故障注入
　　故障注入是故障模式集中的故障注入到标称仿真模式型的过程。用户通过可视化故障建模及故障注入，实现对电路中所有同类元件进行批量故障注入和单个故障注入，并提供开放的可不断丰富的元器件故障图形模型库和故障仿真模型库。对于库中不存在的故障模型，用户可通过新增故障模型功能进行元件故障模型设计，并自动添加到对应的故障模型库中。
　　7、测试点选取
　　 要了解电路所处的状态就必须从电路中提取相关的信息，测试点实际上就是提取电路信息的观测点。测试点多所得到的信息量就大，判断电路状态就比较容易。但测试点过多，可能会造成因计算和存储大量不必要的信息而浪费计算机资源。
　　8、模糊集和故障字典
　　由于模拟电路中各元件存在容差，导致节点电压存在一定变化范围，而不是一个确定值。这时就需要引入模糊集的概念以实现故障隔离，如果利用所选择的测试节点和激励信号所生成的模糊集足以隔离出所有故障，利用现有信息建立故障字典。