基于振荡测试技术的模拟电路故障诊断方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于模拟电路诊断技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于振荡测试技术 的模拟电路故障诊断方法。
【背景技术】
[0002] 由于模拟和混合信号电路的可测试性设计减少了混合信号专用集成电路的生产 成本，因此混合信号专用集成电路的可测性设计技术受到业界的高度关注。通常情况下，模 拟电路的规格很宽，这将导致测试时间长、测试故障覆盖率差以及使用专用测试设备的必 要性，所以模拟电路的可测性设计是一个具有挑战性的任务。现有的模拟电路可测性设计 技术可分为两大类:第一类是增加内部节点的可控性和可观性的，而不是按比例增加的测 试引脚数;第二类是在测试模式下改变模拟电路的，使电路能产生一个反应系统故障的测 试信号。电路转换的目的是缓解测试问题，通过产生一个信号，经过处理便可确定电路的故 障。在这种情况下，产生了一个新的模拟电路测试方法一一振荡测试技术。
[0003] 振荡测试(Oscillation-BasedTest)是一种把被测模拟电路通过添加运放等器件 重构的诊断测试技术。当模拟电路处于测试模式中，采用器件与测试电路搭建，使测试电路 转换成振荡电路。振荡电路的振荡频率可以表示成与其电路组成部分或者组成的重要成分 的一个函数，通过振荡频率来进行测试故障。
[0004] 振荡测试技术主要分为被测电路自改造和外加反馈回路两种方式。改造被测电路 法需要在测试模式下增加或断开一些元件，通过电路设计过程中对元件的取舍，可以使附 加电路的面积尽可能小，但缺点在于被断开的元件将无法被测试，而且需要设计人员对整 个电路重新布局。外加反馈回路法保持了被测电路在结构上的独立，避免了重新布局的麻 烦，是当前振荡测试技术的发展趋势。
[0005] 对于外加反馈回路法，当被测模拟电路处于测试模式中时，被测模拟电路添加反 馈回路形成自激振荡，正常电路的自激振荡会产生一个以振荡频率f_为中心频率公带差。 当被测模拟电路中如果有一个电子元器件发生故障，例如常见的短路、开路以及参数漂移 等故障，由于元器件参数与振荡回路的振荡频率有关，因此将会导致测试电路的振荡频率 产生偏移，通过对振荡频率的测量就可以检测系统中器件存在的故障。当模拟电路处在振 荡测试的环境中，系统不需要额外添加外部激励，只需要构造反馈回路，使系统产生自激振 荡，利用器件故障产生的振荡频率对正常振荡频率的偏离量，可以确定系统故障，从而可以 达到较高的故障覆盖率。
[0006] 但是，由于电路故障会对系统的多个特征产生影响，振荡测试只选取了频率进行 讨论没有考虑其它特征，讨论形式比较单一，结果不能准确反映故障。而且振荡测试的结果 只是得出故障的一个可检测范围，没能系统建模优化出电路诊断方法，无法充分利用后续 经典的测点优选、诊断树构建系统诊断策略，诊断形式简单。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于振荡测试技术的模拟电路 故障诊断方法，基于振荡测试技术获取测点的频率-相位差曲线，根据特征曲线来进行模拟 电路的故障诊断，可以提高诊断精确度和故障覆盖率。
[0008] 为实现上述发明目的，本发明基于振荡测试技术的模拟电路故障诊断方法，包括 以下步骤：
[0009] si:在仿真软件中，向被测模拟电路添加反馈回路，构建振荡测试电路；
[0010] S2:依次对每个元件进行仿真，得到每个元件在各测点的特征曲线，仿真方法包括 以下步骤：
[0011 ] S2.1:令仿真次数n = l，元件i的值γ i = xi_min，xi_min表示元件i在故障情况下的参 数最小值，其他元件的参数值在其正常容差范围内任意取值；
[0012] S2.2:分别仿真测试预先选择的被测模拟电路中N个测点tj的振荡频率fi,n(n)，j =1,2, ··· ,Ν；
[0013] S2.3:分别仿真测试Ν个测点tj和预先选择的基准测点to之间波形的相位差Δθ^ (η)；
[0014] S2.4:令η=η+1，γ i= γ i+Ai，Ai表示元件i参数值的变化步长；
[0015] S2.5:如果yihi_max，Xi_ max表示元件i在故障情况下的参数最大值，进入步骤 32.6，否则返回步骤32.2;
[0016] S2.6:统计元件i每次仿真得到的各测点tj的振荡频率fi,j(n)和相位差Δ 0i,j(n)， 其中n = 1，2，…，Ki，Ki表示元件i的仿真次数，对于每个测点tj，根据Ki对振荡频率和相位差 数据拟合得到对应的频率-相位差曲线，将其作为元件i在测点k的特征曲线 Sl,J;
[0017] S3:根据各个元件i在各个测点tj的特征曲线Si, j建立Μ X N的二维矩阵S，将该二维 矩阵S作为特征曲线故障字典；
[0018] S4:对实际的被测模拟电路添加与仿真相同的反馈回路，构建得到振荡测试电路， 测试故障字典中的各个测点的振荡频率，以及各个测点与基准测点的相位差;计算各个测 点的振荡频率和相位差构成的数据点与故障字典中该测点所对应的Μ条特征曲线的距离， 令距离最小值对应的元件的判定标识di, j = 1，其他元件的判定标识di, j = 0，计算每个元件 对应的判定值
，搜索Μ个判定值Di中的最大值，其对应的元件即为故障元件。
[0019] 本发明基于振荡测试技术的模拟电路故障诊断方法，先仿真构建振荡测试电路， 依次对各个元件改变元件参数进行仿真，仿真测试每个测点的振荡频率和与基准测点的相 位差，通过各测点下元件每个参数对应的振荡频率和相位差数据拟合得到频率-相位差曲 线，将该曲线作为该元件在该测点的特征曲线，构建特征曲线故障字典；当模拟电路故障 时，对模拟电路构建振荡测试电路，测试相应测点的振荡频率以及与基准测点的相位差，计 算各个测点的振荡频率和相位差构成的数据点与故障字典中该测点每条特征曲线的距离， 令距离最小值对应的元件判定标识为1，其他元件为0,最后将每个元件对应的判定标识求 和，和值最大值所对应的元件即为故障元件。
[0020] 本发明采用故障的频率、相位差双特性来定位模拟电路系统故障位置，可以提高 诊断精确度和故障覆盖率。
【附图说明】
[0021] 图1是多电平变换器直流侧的等效电路图；
[0022] 图2是本发明基于振荡测试技术的模拟电路故障诊断方法的流程图；
[0023]图3是本实施例的被测模拟电路构建的振荡测试电路图；
[0024] 图4是本实施例中测点在被测模拟电路正常运行情况下的输出波形；
[0025] 图5是各个元件的频率-相位差曲线。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行描述，以便本领域的技术人员更好地 理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许 会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
[0027] 为了更好地说明本发明的技术方案，先对本发明的原理推导进行简要说明。
[0028] 图1是外加反馈回路法的电路结构图。如图1所示，被测模拟电路以添加反馈回路 的形式在测试中形成自激振荡。记原始被测模拟电路在正常工作情况下的传递函数为Ha， 反馈回路F的传递函数记为Hf，可知被测模拟电路通过添加反馈回路产生自激振荡所形成 的新电路的传递函数He为：
[0030] 振荡频率。和振荡条件可以根据公式(2)获得：
[0031] ΗΑ(]·ω )HF(jc〇 ) = 1 (2)
[0032] 公式（2)等价于：
[0033] Re[HA(j0 )HF(j0 )] = 1 (3)
[0034] Ιπι[Ηα( j ω )Hf( j ω )] =〇 (4)
[0035] 这种情况称为巴克豪森(Barkhausen)判据。巴克豪森判据指出：在振荡频率下，围 绕环路的相移能够大到使反馈变成正反馈，并且环路增益足以使信号建立振荡。则闭环系 统将形成自激振荡，且振荡频率为：
[0037] 当电路产生自激振荡时，输出信号通过反馈回路添加到输入端，则反馈的信号充 当输入信号，而输出信号不断反馈到输入形成自激振荡。
[0038] 在被测模拟电路与反馈回路构成的新电路中，任取一个测点为输入点，任意一个 其他的非接地点作为输出点，可以得到其传输函数He。显然传输函数H C是元件参数的函数。 假定单故障情况下，参数值为X的元件发生故障，其他元件无故障，此时传输函数He是X的函 数，即：
[0039] Hc( j ω ) = g(x) (6)
[0040] 由于有：
[0041] Hc(j〇 ) = |Hc(j〇 ) | ΖΘ (7)
[0042] 因此可知频率ω和角度Θ是x的函数，即有：
[0043] ω =gi(x) (8)
[0044] θ = g2(x) (9)
[0045] 联立求解以上两式不难得到函数：
[0046] G( ω ,θ)=〇 (10)
[0047] 公式（10)代表了 ω-θ平面或f-θ平面的一条曲线。不同的电路元件对应不同的曲 线函数，因此该曲线可以作为对应元件的特征曲线。针对具体应用对象，采用电路结构和参 数推导得出各个元件的特征曲线相对来说比较麻烦，因此在本发明提供了一种通过仿真来 获取此特征曲线的方法，从而便捷地实现模拟电路的诊断。
[0048] 图2是本发明基于振荡测试技术的模拟电路故障诊断方法的流程图。如图2所示， 本发明基于振荡测试技术的模拟电路故障诊断方法包括以下步骤：
[0049] S201:仿真构建振荡测试电路：
[0050]在仿真软件中，向被测模拟电路添加反馈回路，构建振荡测试电路。
[0051 ] S202:令元件序号i = l。
[0052] S203:令仿真次数n = l，元件i的值γ i = xi_min，xi_min表示元件i在故障情况下的参 数最小值，其他元件的参数值在其正常容差范围内任意取值。
[0053]本实施例中，先根据元件的历史故障数据得到元件的故障容差范围，然后可以根 据故障容差范围计算得到元件的参数最小值，记元件i的标称参数值为￥，根据元件i故障 时的参数值变化，得到其故障容差范围为[，队]，其中-1 < Μ<〇，βι 2 〇，那么显然参数最 小值，参数最大值A_max =写(1 +爲)。例如对于一个电阻，其参数最小值 为〇,参数最大值理论上为无穷大，通常是设置一个绝对大值。
[0054] S204 :测试测点振荡频率：
[0055]分别仿真测试预先选择的被测模拟电路中N个测点t j的振荡频率f i,n(η)，j = 1， 2,…，Ν，Ν表示测点数量。测点数量越多，故障间的隔离程度也就越好，但是相应地算法复杂 度会增大。因此在实际应用中，需要根据测试要求来选择测点的数量。
[0056] S205 :