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模拟电路故障诊断的小波方法
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简述：模拟电路故障诊断方法有哪种 简析模拟电路故障诊断方法
　　模拟电路故障诊断是电路分析理论中的一个前沿领域。它既不同于电路分析，也不属于电路综合的范畴。模拟电路故障
模拟电路故障诊断方法有哪种 简析模拟电路故障诊断方法
　　模拟电路故障诊断是电路分析理论中的一个前沿领域。它既不同于电路分析，也不属于电路综合的范畴。模拟电路故障诊断所研究的内容是当电路的拓扑结构已知，并在一定的电路激励下知道一部分电路的响应，求电路的参数，他是近代电路理论中新兴的第三个分支。但由于模拟电路中未发生故障的正常元件存在容差，其参数并不恰好等于额定值，而有一定的分散性，这给电路分析带来一定的模糊性。而且模拟电路常含有非线性元件，他的性能不仅因本身故障而改变，而且其他元件故障引起他的工作点移动时，也将造成其性能变化。因此模拟电路故障诊断的理论还不是十分成熟。
　　模拟电路发生了故障，就不能达到设计时所规定的功能和指标，这种电路称为故障电路。故障诊断就是要对电路进行一定的测试，从测试结果分析出故障。一般来讲，模拟电路故障诊断的方法可以分为估计法，测试前模拟法和测试后模拟法三大类。本文将对其中的估计法展开讨论。
　　估计法是一种近似法，这类方法一般只需较少的测量数据，采取一定的估计技术，估计出最可能发生故障的元件。这类方法又可分为确定法和概率法。确定法依据被测电路或系统的解析关系来判断最可能的故障元件，概率法是依据统计学原理决定电路或系统中各元件发生故障的概率，从而判断出最可能的故障元件。本文重点介绍确定法中的最小平方判据法。 最小平方判据法又分为结合判据法和迭代法。
　　1. 结合判据法：
　　设模拟电路含有m个不同的参数，对电路进行测量，得到m个不同的特性测量值，且m&n。令xi （i=1,2,3,4&&n）表示参数值，yj（j=1,2 3&，m）表示特性计算值，因为如果电路的拓扑结构已知，则参数和特性之间存在一个确定的解析关系，所以y&j=fj（x1,x2,&xn）。特性参数的测量值用gj（j=1,2,3&，m）；如果实际所用的各参数值为实际值，同时测量不存在误差，则gj=yj, 即特性偏差为零，其中yj是在参数为额定值x10,x20,&，xn0时计算出来的。如果特性的测量值与计算值相等，说明电路没有发生故障，处于正常工作状态。
　　如果电路中第I个元件发生故障，其参数为xi ,其余各元件的参数都为额定值，那么任意一个点的测试值都可以表示为xi 的函数：
　　yj=fj（Xi）=fj（x10,x20,&，xi,&xn0） j=1,2 3&m
　　其中，Xi 为参数矢量，其中除第i 个分量为xi 外其余各分量为参数的额定值。于是有 :
　　j=1,2,3,&，m （1.1）
　　对每一个参数都引入一个物理量s,s为特性偏差的平方和，于是对于参数I有：
　　i= 1,2,3&，n （1.2）
　　当xi 变动时，s也随之而改变。如果电路中只存在单故障，那么当xi等于故障参数的实际值时，特性值的测量值与计算值十分接近，特性偏差接近与零。此时表征特性偏差平方和的物理量si将最小。因此我们可以将si作为故障诊断的一种判据，我们将si的最小值定义为结合参数I的灵敏度因子。
　　如果电路中发生的单故障是偏离其额定值不大的软故障，特性值yi的计算值可以展开成泰勒级数：
　　（1.3）
　　式中额定参数矢量X0=[x10,x20&，xn0]&；参数增量矢量 , 为泰勒级数中大于一阶的高阶项，若电路中发生的是软故障，此项可以忽略不计。 ∣xi=xi0 （i=1,2,3&n），为特性j对特性I 的灵敏度。发生单故障时，只有 不等于零，所以
　　（1.4）
　　代入（1.2）式可得：
　　（1.5）
　　令 求得：
　　（1.6）
　　于是可以求出结合参数I的灵敏度因子
　　（1.7）
　　测试前可先根据电路的额定参数计算出各灵敏度aji及各特性值的计算值yj0,测试后可以得到各特性的测量值gj,由上式可以直接求出灵敏度因子，从而确定故障发生点。
　　由前面的讨论我们可以总结出采取结合判据法进行故障诊断的具体步骤如下：
　　（1）先进行测试，从可及节点得到m个特性测量值。
　　（2）求得结合参数xi 的灵敏度因子，即si 的最小值，作为故障诊断的判据。
　　（3）在n个参数的灵敏度因子都求得之后，其中最小的灵敏度因子所对应的参数是最有可能发生了故障的参数。
　　结合判据法简单易行，所需的测量数据少，但是由于各元件的参数都存在一定的容差，各特性在测量时也存在一定的误差，这些都会影响判断的真实性。另外，从前面的分析我们可以看出这种方法只适合于参数变化不大的单、软故障的定位，而不适用于多故障的定位。
　　2. 迭代法
　　我们在最小判据法的基础上进一步引申，找一个类似于灵敏度因子的判据，并计算使这个判据达到最小时的各个参数的值，即各个参数的实际值，然后与额定值进行比较，从而确定故障点，这样就可以用于多故障的定位。这就是迭代法的基本思路。
　　与结合判据法不同的是，迭代法对所有的参数都共用一个判据。令
　　（2.1）
　　其中， 为特性测量值gj的方差。将yj=fj（X）在X0处按泰勒级数展开，如果 不大，可忽略高次项，得
　　（2.2）
　　代入式 （2.1），得：
　　（2.3）
　　当s达到最小值时所对应的X=X0+ 即为各参数的估计值，如果某些元件的参数估计值超过其容差范围，则可能为故障元件。
　　式 （2.3）可以写成：
　　（2.4）
　　其中：
　　如果要求s的最小值，只需对式（2.4）求导，并令倒数为零，可得：
　　（2.5）
　　我们采取迭代法求解，首先设X的初值为X0,在X0处计算P,A,PA,
　　然后再由式（2.5）计算出 ,由式（2.4）计算出s,完成一个迭代过程。然后令X的新值为 ,在X1处计算P,A,PA, 及s的值，如此循环下去，直到第k次满足 时为止，此时对应的Xk就是所要求的参数估计值。
　　由此可以看出迭代法与我们前面所讨论的结合判据相比，测量值数必须要大于或等于参数的个数，它考虑了测量误差。另外，它能够估计出各个元件的参数值，可以用于多故障诊断，但计算量大。
　　3. 总结：
　　本文主要介绍了模拟电路故障诊断方法中的估计法。这种方法只需要较少的测量数据，但诊断结果一般只是近似的。估计法中的大部分方法都适用于电路元件的故障定位，可用于诊断线性电路中的单个的软故障。其中很多方法还可用于多故障诊断，例如文中介绍的迭代法。
　　估计法只是一种比较传统的故障诊断方法，随着人们对这一领域研究的不断深入，已经出现了一些用于非线性模拟电路以及大规模网络的故障诊断方法，例如分解网络技术，人工智能技术等。故障诊断技术与计算机技术的结合也越来越密切，利用微型计算机和微处理器可使故障诊断更加快速可靠。
责任编辑：二马路模拟电路几种故障的诊断方法
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摘要: 随着电路系统集成度的不断增大，模拟电路中的故障成本占据集成电路总诊断成本的绝大部分，因此加强模拟电路故障诊断与排除的研究十分重要。首先分析模拟电话故障的类型与原因，随后详细介绍几种故障的诊断方法。
　　一、模拟电路故障 　　电路(系统)诞失规定功能称为故障，在模拟电路中的故障类型及原因从故障性质来分有早期故障、偶然故障和损耗故障。早期故障是由设计、制造的缺陷等原因造成的、在使用初期发生的故障，早期故障率较高并随时间而迅速下降。统计表明，数字电路的早期故障率为3～10％，模拟电路的早期故障率为1～5％，晶体管的早期故障率为0.75～2％，的早期故障率为0.2～1％，器的早期故障率为0.1～1％。 　　偶然故障是由偶然因素造成的、在有效使用期内发生的故障，偶然故障率较低且为常数。损耗故障是由老化、磨损、损耗、疲劳等原因造成的、在使用后期发生的故障，损耗故障率较大且随时间迅速上升。从故障发生的过程来分有软故障、硬故障和间歇故障。软故障又称渐变故障，它是由元件参量随时间和环境条件的影响缓慢变化而超出容差造成的、通过事前测试或监控可以预测的故障。硬故障又称突变故障。它是由于元件的参量突然出现很大偏差(如开路、短路)造成的、通过事前测试或监控不能预测到的故障。根据实验经验统计，硬故障约占故障率的80％，继续研究仍有实用价值。间歇故障是由老化、容差不足、接触不良等原因造成的、仅在某些特定情况下才表现出来的故障。从同时故障数及故障间的相互关系来分有单故障、多故障、独立故障和从属故障。单故障指在某一时刻故障仅涉及一个参量或一个元件，常见于运行中的设备。多故障指与几个参量或元件有关的故障，常见于刚出厂的设备。独立故障是指不是由另一个元件故障而引起的故障。从属故障是指由另一个元件故障引起的故障。 　　二、测前横拟法SBT 　　测前模拟法又称故障字典法FD(Fault Dictionary)或故障模拟法，其理论基础是模式识别原理，基本步骤是在电路测试之前，用计算机模拟电路在各种故障条件下的状态，建立故障字典；电路测试以后，根据测量信号和某种判决准则查字典。从而确定故障。选择测试测量点是故障字典法中最重要的部分。为了在满足隔离要求的条件下使测试点尽可能少，必须选择具有高分辨率的测试点。在大多数情况F，字典法采用查表的形式，表中元素为d…i=l，2，…，n，j=1，2，…，m，n是假设故障的数目，m是测量特性数。 　　故障字典法的优点是一次性计算，所需测试点少，几乎无需测后计算，因此使用灵活，特别适用于在线诊断，如在机舱、船舱使用。此法缺点是故障经验有限，存储容量大，大规模测试困难，目前主要用于单故障与硬故障的诊断。 　　故障字典法按建立字典所依据的特性又可分为直流法、频域法和时域法。 　　(一)直流故障字典法。直流故障字典法是利用电路的直流响应作为故障特征、建立故障字典的方法，其优点是对硬故障的诊断简单有效，相对比较成熟。 　　(二)频域法。频域法是以电路的频域响应作为故障特征、建立故障字典的方法，其优点是理论分析比较成熟，同时硬件要求比较简单，主要是正弦信号发生器、电压表和频谱分析仪。 　　(三)时域法。时域法是利用电路的时域响应作为故障特征而建立故障字典的方法。主要有伪噪声信号法和测试信号设计法(辅助信号法)。当故障字典建立后，就可根据电路实测结果与故障字典中存储的数据比较识别故障。　　三、测后模拟法SAT 　　测后模拟法又称为故障分析法或元件模拟法，是近年来虽活跃的研究领域，其特点是在电路测试后，根据测量信息对电路模拟，从而进行故障诊断。根据同时可诊断的故障是否受限，SAT又分为任意故障诊断(或参数识别技术)及多故障诊断(或故障证实技术)。　(一)任意故障诊断。此法的原理是利用网络响应与元件参数的关系，根据响应的测量值去识别(或求解)网络元件的数值，再根据该值是否在容差范围之内来判定元件是否故障。所以此法称为参数识别技术或元件值的可解性问题，理论上这种方法能查出所有元件的故障，故又称为任意故障诊断。诊断中为了获取充分的测试信息，需要大量地测试数据。 　　(二)多故障诊断。经验证明，在实际应用中(高可靠电路)，任意故障的可能性很小，单故障概率最高，如果考虑一个故障出现可能导致另一相关故障，假定两个或几个元件同时发生的多故障也是合理的。另外对于模拟LSI(Large Scale Integration，大规模)电路加工中的微调，也是以有限参数调整为对象的。因此在1979年以后，SAT法的研究主要朝着更实用化的多故障诊断方向发展。即假定发生故障的元件是少数几个，通过有限的测量和计算确定故障。因该法是先假定故障范围再进行验证，所以又称为故障证实技术。 　　四、其他方法 　　(一)近似技术。近似技术着重研究在测量数有限的情况下，根据一定的判别准则，识别出最可能的故障元件，其中包括概率统计法和优化法。此法原理与故障字典法十分类似，属于测前模拟的一类。采用最小平方准则的联合判别法和迭代法，采用加权平方准则的L2近似法，采用范数最小准则的准逆法等。这些方法都属于测后模拟，由于在线计算量大，运用不多。 　　(二)模糊诊断。对于复杂电路，由于元件容差、电路噪声以及元件参量与特性之间的非线性，用传统的电路理论难以获得精确解和唯一解，出现了模糊现象，而这种模糊现象与随机现象不同，不便于用统计分析方法来解决。另外，对于故障诊断来说。往往不要求精确解，只要满足故障隔离要求即可，于是提出把复杂电路看作模糊系统，用模糊信息处理的方法进行故障诊断。模糊诊断的原理是模糊模式识别。测前，利用隶属度函数按照不同的准则构成判别函数；测后，再利用判别函数判别所测得的特性向量对各种故障状态的隶属度程度。为了提高诊断效率，模糊识别应该具有自学习和修正功能，最简单的方法是根据实际诊断的结果，以适当的方式、自动地修正隶属度函数或判别函数，以便不断自我完善。 　　(三)人工智能技术。近年来，随着人工智能的发展，诊断自动化、智能化的要求逐渐变为现实。其中基于知识的专家系统(简称专家系统)的研究起步最早，目前在诊断中已有成功的应用。模糊理论由于具有处理不确定信息的能力，因此通常和专家系统结合，作为前处理和后处理。神经网络技术在诊断中的应用起步较晚，但由于其强大的并行计算能力和自学习功能及联想能力，很适合作故障分类和模式识别，因此在诊断中很受欢迎。
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关于本书：
本书是关于模拟电路检修的专著。作者Bob Pease是模拟电路设计界的传奇人物。在多年的实际工作中，他总结了一系列的技术与方法，大大提高了模拟电路诊断与检修的速度，把通常让人头疼的问题变得简单有趣。本书介绍了作者关于模拟电路的富于哲理的观点和认识，给出了常用的简易测试设备制作和使用方法，讲述了各种设备和元器件的特性和优缺点，并从真实电路出发引导读者逐步深入了解模拟电路检修的过程和方法。
　　本书内容精炼、信息量大，无论是初学者还是资深的模拟电路设计师和工程师，都可以从本书中获得重要的参考信息。
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