东海科学技术学院
毕业论文（设计）
题目：基于PSPICE模数混合电路的诊断研究
系：机电系
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基于PSPICE的模数混合电路的诊断研究
赵志江
浙江海洋学院东海科学技术学院，浙江舟山316000
摘要
本文研究了利用PSPICE仿真软件进行数模混合电路故障诊断的方法。首先简要介绍数模混合电路的故障诊断和PSPICE仿真软件。其次介绍了若干种电路故障诊断的方法：1、利用人工神经网络实现电路故障诊断的方法；2、利用噪声检测实现电路故障诊断的方法；3、利用磁场映像实现电路故障诊断的方法；4、利用DES理论实现电路故障诊断的方法；5、利用故障字典法实现电路故障诊断的方法。在根据具体的需要，选择了故障字典法实现电路故障诊断的方法。再介绍利用PSPICE仿真软件研究数模混合电路故障诊断的实用方法,结合具体的例子（七彩灯控制电路）进行说明，最后得出相应结论。
关键词：PSPICE仿真；数模混合电路；故障诊断；故障字典法
Abstract
InthispaperusingPSPICEsimulationsoftwaremixed-signalcircuitfaultdiagnosismethod.Thispaperintroducesmixed-signalcircuitfaultdiagnosisandPSPICEsimulationsoftware.Secondlyintroducesseveralkindsofcircuitfaultdiagnosismethod:1,usingartificialneuralnetworkfaultdiagnosismethodofrealizationcircuit,2,usingthenoisedetectioncircuitfaultdiagnosismethodofrealization,3,amagneticfieldimagerealizationcircuitfaultdiagnosismethod,4,usingthetheoryofDEScircuitfaultdiagnosismethod,5,usingthemethodoffaultdictionaryrealizationcircuitfaultdiagnosismethod.Accordingtothespecificneedsofinthedictionary,faultfaultdiagnosismethodofrealizationcircuit.TointroduceusingPSPICEsimulationsoftwareresearchmixed-signalcircuitfaultdiagnosismethod,combiningthepracticalexamplesshowthatthespecificcorrespondingconclusionfinally.
Keywords:Pspicesimulation;Digital-analoghybridcircuit;Faultdiagnosis；
Faultdictionary
目录
摘要 I
Abstract II
前言 2
第1章绪论 3
1.1模数混合电路故障诊断概述 3
1.1.1故障诊断学科的发展 3
1.1.2故障诊断的相关概念和思想 3
1.1.3模数混合电路故障诊断学科的困难 4
1.2PSPICE软件 5
1.4PSPICE的模拟功能 5
第2章模数混合电路故障诊断的方法简介 8
2.1利用人工神经网络实现电路故障诊断的方法 8
2.2利用噪声检测实现电路故障诊断的方法 8
2.3利用磁场映像实现电路故障诊断的方法 8
2.4利用DES理论实现电路故障诊断的方法 8
2.5利用故障字典法实现电路故障诊断的方法 9
2.6确定故障字典法为实现的方法 9
第3章利用PSPICE进行模数混合电路仿真诊断 10
3.1利用PSPICE的电路仿真过程 10
3.2利用PSPICE的电路诊断过程 11
3.2.1选择故障模式并注入故障 11
3.2.2利用仿真进行电子线路故障诊断的几个重要环节 11
3.2.3选测试点采集数据 12
3.2.4利用仿真结果进行故障诊断 13
第4章实例分析 14
4.1电路图 14
4.2七彩灯控制电路仿真诊断 15
4.2.1暂态分析（TransientAnalysia） 15
4.2.2建立故障字典 16
结论 23
[参考文献] 24
致谢 25
附录 26
前言
随着电子信息技术的迅猛发展，使得电路复杂的程度急剧增加，更多的电路同时包含数字和模拟这两个部分。电子线路本身的日趋复杂,电路的测试和诊断也随之而日趋复杂。从而电路测试和诊断方面的开销在整个维修保障过程的总开销中的所占的比例也越来越大。有问题就要有解决，最好的解决办法是在产品的设计阶段就考虑其一旦发生故障，应该如何测试和诊断的问题。
据统计，虽然是数模混合电路，其中有80%是数字电路，而80%的故障却发生在剩余的20%的模拟电路中。这一数据统计，从现实的需求中，指出了数模混合电路故障诊断的发展方向——以解决模拟故障为主要方向，解决数字故障与之并进的方向。就目前的电路诊断测试研究工作而言，大部分是针对数字电路或者模拟电路，而综合考虑数模混合电路方面的研究工作仍然比较少，所采用的也就是一些针对特例的专用方法（具体的将在选择方法是提及）。
诊断的建立在检测和故障测试基础之上，是检测和故障测试技术的进一步发展。而所谓故障诊断，就是确定故障具体的位置，即在一定的检测策略指导下，实施对被诊断系统的自动检测，寻找故障原因的过程。通过检测获取被诊断系统的故障模式，提取出故障的特征，并根据预定的推理原则，对故障信息做出综合的评估。
故障诊断的原理主要是用比较测试法——根据实际系统的输出与参考模型或系统无故障时的标准值作比较，以其差值来判断系统的工作状态。若存在故障，则从检测到的故障信息中分离出故障特征，识别故障的原因，将故障源定位并采取相应的措施。处理故障有两种基本策略，均可用硬件和软件结合来实现。第一种是采用冗余技术，将故障的影响掩盖起来。第二种是及时诊断及时修理，但这需停止系统工作。
无论是元件还是电路和系统，基于制造工艺的限制和工作条件等的影响，故障的产生是不可避免的。计算机技术发展为故障检测和诊断提供了物质基础。在计算机的控制下，对被测设备施加激励，采集被测对象的响应序列，并进行数据处理，计算性能参数和诊断故障，最后将结果输出。故障诊断方法随诊断对象性质和特点的不同而异。数字电路的故障诊断理论有很多成熟的方法，而模拟电路的诊断起步较晚!在实际电路系统中，混合电路所占比例是80%左右。由于数模两种电路的诊断方法不同，使混合电路在故障测试与诊断上比单纯的数字电路或模拟电路的诊断都要困难。这些混合电路具有的特点如下：
（1）数模混合、机电混合、电路结构复杂；
（2）信号复杂；
（3）检测点的数据取值困难。
所有上述特点都增加了对混合电路测试、诊断的难度，使混合电路的诊断没有一个相近、单一及较为成熟的方法可依从。这就要求对多性质混合电路在改进并结合不同性质电路诊断方法的前提下，必须有适合本系统自身的具体诊断策略和方法，以达到系统整体的协调统一。
SPICE(SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis)是国际上流行的用于集成电子线路分析程序。PSPICE是SPICE电路模拟器家族中的一员，是首先用于IBM—PC机上的。它采用数学模型和仿真算法，利用计算机计算、存储和图形处理的高速和高效率，以电路理论为依据，设计出各种功能的应用程序来取代实际元器件构成的硬件。即在建立起电路之前，帮助设计人员运行和分析电路的设计，以便修改和优化。
此次，利用计算机辅助分析技术，结合SPICE仿真软件来研究数模混合电路的故障诊断。
第1章绪论
1.1模数混合电路故障诊断概述
电路故障诊断理论的研究一直是电路与系统学科的重要研究领域之一。随着电子技术的迅速发展，电子设备和电子元件的规模和应用范围不断扩大，对于这些设备和元件的维修和检测，传统的方法已经不能满足发展的要求。目前，微电子技术和电子技术的迅速发展导致了电路系统复杂度的急剧增加，而工业处理过程的模拟特性以及微处理器的使用,更使得大部分电路同时包含了数字和模拟两种信号。统计表明，目前约有60%的芯片同时包含了数字和模拟两种信号，电路测试也因此面临着更大的挑战。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。
1.1.1故障诊断学科的发展
故障诊断理论是上世纪70年代初期首先从美国发展起来的。美国麻省理工学院的Beard于1971年首先提出了用解析冗余代替硬化冗余，并通过系统的自组织使系统闭环稳定，通过比较观测器的输出得到系统故障信息的新思想，标志着这门技术的诞生。70年代是其发展的初级阶段，出现了一些简单的故障算法，如检测滤波器、广义似然比、极大似然比等，应用实例很少，理论还不成熟。到了80年代，故障诊断理论得到了蓬勃发展，有多种新的理论方法提出，理论的实际应用也得到了发展。不过技术应用面还是比较狭窄，主要集中在航天、船舶、发电厂、核电厂等一些专门领域，使用的故障诊断方法主要是观测器/滤波器方法或是系统辨识和参数估计方法。90年代以后，人们对于故障诊断理论的研究更加深入，各种方法相互渗透和融合，理论应用的领域也有了很大的扩展。参数估计和观测器/滤波器方法仍然是使用的最多的故障诊断方法，同时使用神经网络、模糊逻辑及组合的故障诊断方法在明显的增加，对于非线性系统的故障诊断也有了更多的研究。
随着人工智能技术的迅速发展，特别是知识工程、专家系统、人工神经网络在诊断领域中的进一步应用，促使人们对智能诊断进行更加深入与系统的研究。智能诊断技术是当今发达国家研究的热点之一。智能故障诊断方法包含模糊诊断方法、专家系统诊断方法、神经网络诊断方法和混合智能的诊断方法等。
我国对故障诊断的研究起始于上世纪80年代初，与国外研究水平相比还有一定的差距。自上世纪80年代以来，我国不少教学科研院所先后开展了故障诊断专家系统的研究工作，并取得了一定的研究成果，有一些系统己投入了实际运行。
1.1.2故障诊断的相关概念和思想
故障诊断的一些相关概念：故障是指系统在运行当中所表现出来的一种劣化状态，并且这种状态将导致系统相应的功能失调，即导致系统的某些输出超过允许范围，使系统的功能低于规定的水平。故障诊断是指在一定工作环境下查明导致系统某种功能失调的原因或性质，判断劣化状态发生的部位或部件，以及预测状态劣化的发展趋势等。故障诊断就是由现象判断本质，由当前预测未来，由局部推测整体的过程。在工程技术领域，是根据设备各种可测量的物理现象和技术参数的检测来推测设备是否正常运转，判断发生故障的原因和部件，预测潜在故障的发生等等。
故障诊断的基本思想：故障诊断的基本思想可以这样来表述：若被测对象全部可能发生的状态，包括正常状态和故障状态，组成状态空间，它的可测量特征的全部可能范围形成特征空间。当系统处于某一状态s时，它将具有确定的特征y，即存在着映射g：；反之，一定的系统特征也对应确定的状态，即存在映射f：。如果f和g是双射函数，即特征空间和状态空间存在一对一的、映满的映射，则由特征向量可惟一地确定系统的状态。所以故障诊断的目的在于根据可测量的特征向量判断系统处于何种状态，即故障诊断的任务是找到映射f。由于一般情况下，故障状态并非绝对清晰，往往具有一定的模糊性，因而，它所对应的征兆也在一定的范围内变动，在这种情况下，故障诊断就成为按征兆向量对被测设备状态进行模式分类的问题，或者对征兆向量进行状态的模式识别问题。因此，故障诊断问题实质上是一类模式分类问题。
1.1.3模数混合电路故障诊断学科的困难
电子电路有两种主要的形式，即模拟电路和数字电路。模拟电路由模拟信号驱动；数字电路主要由各种不同类型的门电路组成，由数字信号驱动，并以非常高的速率在高、低电平间切换。如今，在性能优良的无线通讯系统及其它一些系统中，常常将模拟电路和数字电路设计在一起。而对于模数混合电路的测试来说，其测试过程往往包含模拟电路测试的所有问题，数字电路测试的所有问题以及模拟数字混合信号统一测试的问题。目前对数字电路的测试生成以及故障诊断研究较多，如布尔差分法、敏化通路法、多路敏化D算法、PODEM算法、FAN算法等等，数字电路的故障诊断技术己经在很多文献中有了很深入的研究。而模拟电路故障诊断由于种种原因发展的一直很缓慢。从这个意义上讲，模数混合电路测试的困难主要集中在模拟电路测试上，主要体现在：
1.模拟电路中的输入激励和输出响应都是连续量，网络中各元件的参数通常也是连续的，所以模拟系统的故障模型比较复杂，难以作简单的量化。由于故障参数也是连续的，因此从理论上讲，一个模拟元件可能具有无穷多个故障。
2.模拟电路中的元件参数具有很大离散性，即具有容差。由于“容差”事实上就是轻微的“故障”（只是在允许的范围内而已），它们的普遍存在，其影响往往可与一个或几个元件的大故障等效，因此导致实际故障的模糊性，而无法惟一定位实际故障的物理位置。
3.模拟电路中广泛存在非线性问题，从而导致电路输入输出关系复杂化，同时带来非线性方程能否求解或求解困难的问题。
4.模拟电路中的电流是一个很重要的参数，也是故障信息的重要组成部分。但实际测量时电流不易测量，只能测量电压，从而导致可用于故障诊断的有关信息量较少，甚至不充分。另外，模拟电路测试与数字电路测试之间存在的巨大差异使得对混合信号的测试变得非常困难，主要体现在：
1.对模拟测试来说，电路规模不是制约条件。模拟电路所包含的元件数比数字电路来说会少一些，至多50到100个元件，而不像数字电路能达到50,000,000个晶体管。模拟输入和模拟输出的数量也很少。
2.模拟电路比数字电路建模要困难得多，表现在：模拟电路没有被广泛接受的模拟故障模型，数字电路有电平固定型模型和路径延时故障模型；模拟信号是连续量，值域范围很广，有效信号也有一定的范围；模拟电路中容许的信号容差取决于过程变量和测量精度；模拟电路包括的噪声信号也必须被建模和被测试。
3.可分解性。在模拟芯片中子电路不能独立测试而数字电路可以。
4.测试方法。所有的模拟电路和数字电路测试方法中都有结构化的自动测试程序生成方法。但是因为缺少合适的模拟故障模型和缺少结构化的模拟故障与模拟规则之间的映射，所以结构化的模拟自动测试程序生成方法应用尚不是很广泛。数字电路能分为逻辑性能(电平固定型故障)和同步时序性能(路径延时故障)测试。然而，这两种类型的测试不能分开用于模拟电路中，在模拟电路中这两种测试是结合在一起的。
1.2PSPICE软件
PSPICE是较早出现的EDA(Electronic?Design?Automatic,电路设计自动化)软件之一，也是当今世界上著名的电路仿真标准工具之一，1984年1月由美国Microsim公司首次推出。它是由SPICE发展而来的面向PC机的通用电路模拟分析软件。
PSPICE软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成网表，模拟和计算电路。它的用途非常广泛，不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件，具有广阔的应用前景。这些特点使得PSPICE受到广大电子设计工作者、科研人员和高校师生的热烈欢迎，国内许多高校已将其列入电子类本科生和硕士生的辅修课程。PSPICE软件几乎完全取代了电路和电子电路实验中的元件、面包板、信号源、示波器和万用表。有了此软件就相当有了电路和电子学实验室。
1.4PSPICE的模拟功能SPICE程序的主要功能有非线性直流分析、非线性暂态分析、线性小信号交流分析、灵敏度分析和统计分析。
直流分析
非线性直流分析功能简称直流分析。它是计算直流电压源或直流电流源作用于电路时电路的工作状态。对电路进行的直流分析主要包括直流工作点分析、直流扫描分析和转移函数分析。
直流工作点是电路正常工作的基础。通过对电路进行直流工作点的分析，可以知道电路中各元件的电压和电流，从而知道电路是否正常工作以及工作的状态。一般在对电路进行仿真的过程中，首先要对电路的静态工作点进行分析和计算。
直流扫描分析主要是将电路中的直流电源、工作温度、元件参数作为扫描变量，让这些参量以特定的规律进行扫描，从而获取这些参量变化对电路各种性能参数的影响。直流扫描分析主要是为了获得直流大信号暂态特性。
与直流扫描分析相类似的还有温度分析。在这种分析过程中，将电路的温度作为扫描变量进行分析。因为电路的主要器件的特性都是与温度有关的，所以这就为分析电路在环境变化是的工作情况提供了一种非常有用的工具。特别重要的是，通过这种分析，我们可以预测电路在某些特殊环境如极端温度条件或极端电源电压条件或元件开路短路条件下电路的工作情况，从而在进行电路设计时采取必要的预防措施。
暂态分析
非线性暂态分析简称为暂态分析。暂态分析计。算电路中电压和电流随时间的变化，即电路的时域分析。这种分析在输入信号为时变信号时显得尤为重要。时域分析是指在某一函数激励下电路的时域响应特性。通过时域分析，设计者可以清楚地了解到电路中各点的电压和电流波形以及它们的相位关系，从而知道电路在交流信号作用下的工作状况，检查它们是否满足电路设计的要求。
交流分析
线性小信号交流分析简称为交流分析。它是SPICE程序的主要分析功能。它是在交流小信号的条件下，对电路的非线性元件选择合适的线性模型将电路在直流工作点附近线性化，然后在用户指定的范围内对电路输入一个扫频信号，从而计算出电路的幅频特性、相频特性、输入电阻、输出电阻等。这种分析等效于电路的正弦稳态分析即频域分析。频域分析用于分析电路的频域响应即频率响应特性。这种分析主要用于分析电路的幅频特性和相频特性。
小信号转移特性分析主要分析在小信号输入的情况下，电路的各种转移函数，通常分析的是电路的电压放大倍数。
噪声分析是电路设计的重要内容之一。在模拟电路中，无源器件和有源器件均会产生噪声，主要包括电阻上产生的热噪声，半导体器件产生的散粒噪声和闪烁噪声。在噪声分析时，将元件的噪声等效为一个输入信号进行交流分析。通过噪声分析可以计算出各器件在某一输出节点产生的总噪声以及某一输入节点的等效输入噪声。从而可以分析一个电路产生噪声的主要来源，采取一定的电路设计措施来减小噪声的影响。
灵敏度分析
灵敏度分析包括直流灵敏度分析和蒙特卡罗分析两种。
直流灵敏度分析业称为灵敏度分析。它是在工作点附近将所有的元件线性化后，计算各元器件参数值变化时对电路性能影响的敏感程度。通过对电路进行灵敏度分析，可以预先知道电路中的各个元件对电路的性能影响的重要程度。对于那些对电路性能有重要影响的元件，要在电路的生产或元件的选择时给予特别的关注。
统计分析
统计分析主要包括蒙特卡罗分析和最坏情况分析。蒙特卡罗分析是在考虑到器件参数存在容差的情况下，分析电路在直流分析、交流分析或暂态分析时电路特性随器件容差变化的情况。另一种统计分析是最坏情况分析，它不仅对各器件参数的变化逐一进行分析，得到单一器件对电路性能的灵敏度分析，同时分析各器件容差对电路性能的最大影响量(最坏情况分析)，从而达到优化电路的目的。第2章模数混合电路故障诊断的方法简介
2.1利用人工神经网络实现电路故障诊断的方法
所谓人工神经网络就是模仿生物大脑的结构和功能而构成的一种信息处理系统。美国神经网络学家HechtNielsen对人工神经网络给出了如下定义：人工神经网络是由多个非常简单的处理单元彼此按某种方式相互连接而形成的计算机系统，该系统是靠其状态对外部输入信息的动态响应来处理信息的。电路故障诊断是一个非常复杂的模式识别问题，人工神经网络由于其本身信息处理的特点，如并行性、知识的分布存储、自组织性、非线性等，使其能够出色解决那些传统模式识别方法难以圆满解决的问题。人工神经网络模拟人的形象思维特性，有着其他方法无法比拟的优越性，也是未来该领域发展的方向。
2.2利用噪声检测实现电路故障诊断的方法
近年来得到的大量研究结果表明，对于大多数电子器件，噪声是导致器件失效的各种潜在缺陷的敏感反映，噪声检测方法有着灵敏、普适、快速和非破坏性的突出优点，正在发展成为一种新型的电子器件可靠性表征工具。然而，这一方法存在有相当多的问题，如：噪声来源的多样化使得单靠噪声测量难以得到器件寿命或失效的精确数据等，还有待于进一步的深入研究。
2.3利用磁场映像实现电路故障诊断的方法
这种方法的依据是：电路板通电后，其上方磁场分布是电路中交变电流的辐射电磁场和周围环境磁场影响的合成。电路板元器件发生故障时，必引起电流模式发生改变，从而导致磁场分布也发生变化。这种根据电路板附近磁场分布变化对电路板进行故障诊断的技术称之为基于磁场映像的印刷电路板（PCB-PrintedCircuitBoard）故障诊断技术。该技术无须与电路板直接接触就可以测得其磁场分布的数据，省去了各测试夹具和连接装置，降低了测试设备对电路的干扰，给在线测试和诊断带来一定的方便和安全性，也是测试技术的最新发展方向。
2.4利用DES理论实现电路故障诊断的方法
离散事件系统（DiscreteEventSystem，DES）是20世纪80年代建立的一类具有代表性的人造系统模型。数模混合电路的测试具备运用DES理论所研究的系统需要具有的两个关键特征：①系统的动态过程是事件（Events）驱动而不是时间驱动；②描述系统的变量中至少有一些是离散的（Discrete）。因此可以采用DES理论对其进行分析。一个被测数模混合电路G可用DES理论来进行建模：G=(E,Q,δ)。其中，E是（有限的）事件（events）集合，Q是（有限的）状态（states）集合，δ：E×Q→2Q是状态转移函数。states主要用来描述电路元件状态（故障状态和正常工作状态），每一个state用q表示，它们是根据测试对象定义；events表示可能在电路上执行的测试及其结果；δ(σ,q)给出当事件σ（σ∈E）在G处于状态q（q∈Q）时发生，然后模型可能进入的states集合。显然，转移函数描述测试及测试结果和故障状态之间的关系。应用DES理论进行数模混合电路的故障诊断，有以下主要工作：
1）对电路系统G的可测试性进行判断；
2）测试要求给定时，求取电路的最小测试集；
3）求取电路测试的故障覆盖率。
这种方法的优点在于将对数字/模拟信号的测试统一在同一个数学模型下，不必因为电路中信号模型的不同而将被测电路按信号类型分开处理，尤其是当数字和模拟部分相互融合不能分块时，在统一的框架下进行计算、判断和处理就显得特别重要。然而DES理论中的关键——最小测试集的求取比较复杂，尽管在这方面目前已有大量的研究，但并未取得突破性的进展，仍是难点之一。
2.5利用故障字典法实现电路故障诊断的方法
字典法的研究从原理上讲是最简单的，也是最实用的。通常在测前仿真各种故障状态，提取出与故障状态相对应的电路特征（如：各测试节点的直流电压、电路的频率特性曲线），将两者对应关系列成一个表，即为字典。诊断时，先获取电路的实时特征，然后查字典，看其对应哪个故障。
故障字典法属测前模拟诊断（SBT-SimulationBeforeTest），即对电路的仿真在现场测试之前实施，其思想比较简单易懂，也易于实时诊断，是目前众多的电路故障诊断方法中较为实用的一种。但目前在数模混合电路的测试中，主要是用直流域和时域的字典法来诊断，所以一般只能处理单故障和硬故障。
2.6确定故障字典法为实现的方法
故障字典诊断法是目前最具实用价值的电路故障诊断方法，以往利用故障字典诊断法研究故障诊断，大多只是针对单纯的模拟电路或数字电路。随着电子技术发展的日新月异，目前大量涌现的电子线路多数是数模混合电路。故障字典法的基本思想是预先根据经验或实际需要，确定所要诊断的故障集，求出电路在每一个故障时的响应并做必要的处理，最终形成故障字典。在利用该故障字典实施诊断时，需要对被测电路施加与仿真时完全相同的激励，取得相应的特征之后，在故障字典中查找与此特征相同的故障，最终实现故障诊断。如果字典中每个故障对应的特征都是不相同的，则所查到的故障一定是唯一的。若在字典中查不到与此特征对应的故障，则电路可能出现了未收录的故障。故障字典法本质上是一种经验性的诊断方法，因此对于那些没有条件进行解析分析或难以获得其输入-输出解析特性的系统非常适用。故障字典法比较适合于作硬故障诊断，其对于硬故障的诊断简单有效，在实际的模拟电路中硬故障约占电路故障的80%，所以采用字典法有实际意义。因此，寻求数模混合电路故障诊断的实用方法突显重要，本文将故障字典诊断法的具体实现进行了扩展，采用混合编码方式，并借助PSPICE仿真软件进行了数模混合电路故障诊断方法研究。
第3章利用PSPICE进行模数混合电路仿真诊断
3.1利用PSPICE的电路仿真过程
PSPICEA/D是一个通用的微机级电路仿真分析程序，它可以对数字电路、模拟电路及数模混合电路进行仿真。PSPICE的配套软件Capture是一个功能强大的电路原理图设计软件,它能够采用人机交互图形编辑方式绘制电路原理图。当SPICE自带模型库中定义的器件模型难以满足需要时,还可以自行建模。
图3.1电路仿真基本过程
利用PSPICEA/D及相关软件进行电路仿真的基本过程可以分为6个阶段(见图3.1）：
1．新建设计项目：开始一个新的项目设计时，调用OrCAD/Capture软件中的项目管理模块建立相应的项目名称，并确定有关的设置。
2.电路图的生成：项目名确定后，在OrCAD/Capture环境下，采用人机交互图形编辑方式在屏幕上绘制电路原理图，并存入计算机。
3．电路特性分析类型和分析参数设置：生成电路图后，需根据电路设计任务确定要分析的电路特性类型并设置与分析有关的参数。可以在Capture环境下新建或修改Profile设置，也可以在显示分析结果波形时，在PSPICEA/D环境下修改Profile设置并重新进行仿真。
4.运行PSPICEA/D程序，对电路进行仿真。
5．仿真结果的显示：完成电路仿真分析后，可以得到各种电路特性分析的波形和数据，作为后续分析的基础。
6．分析输出结果：根据输出结果，可以分析电路的各种特性，来判断电路的故障状态，并结合数字电路及模拟电路的故障诊断方法来隔离故障。
3.2利用PSPICE的电路诊断过程
3.2.1选择故障模式并注入故障
理论上可以分析电路中所有的故障模式，但工程上却难以实现，也没有这个必要。一般是结合具体电路利用故障模式影响及危害性分析(FMECA)来确定发生故障概率较高、对系统危害程度较大的故障模式，将具有这种影响的故障模式构成该电路的故障模式集。将故障模式集中的故障，注入到标称仿真模型中即达到故障注入的目的，这可通过修改程序或直接修改仿真模型来实现。
故障注入是指将某种电路故障模式施加到某个电路中，以便研究故障对电路的工作或性能造成的影响，是一种测试技术。按试验运行环境及目标系统形式，故障注入大体可分为两类：物理故障注入和仿真故障注入。物理故障注入一般有三种方式：硬件实现的故障注入；
重离子辐射注入；软件实现的故障注入。它们都是在系统基本完成以后才实施的。而仿真故障注入是对相关电路建立数学模型，通过软件仿真程序，在有关部位注入故障，在仿真结果中检查故障影响。与物理故障注入相比，仿真故障注入具有以下优点：
1.它能在系统设计阶段便可应用，对注入的故障可精确监控；
2.基本上不受目标可访问性的限制，PSPICE仿真软件可将故障注入到仿真模型内的任何位置，避免了故障注入的局限性；
3.没有附加硬件设备和目标系统接口电路的限制，同时可以避免因注入故障导致的器件或系统损坏；
4.易改动、便于量化、费用低，通过反复更换元器件、修改参数可以对所有故障进行充分考查和评估。
因此，借助仿真注入故障，可以较容易地在设计阶段全面掌握系统各种故障状态下的信息，这些信息往往都是进行系统测试性设计所必需的。信息量越大、对系统了解越彻底，越有利于设计人员尽早明确设计思路、改进设计方案。
3.2.2利用仿真进行电子线路故障诊断的几个重要环节
本文认为利用仿真研究电子系统的故障诊断问题，主要有以下几个环节如图3.2所示：
图3.2电路故障诊断仿真原理过程图
1.原理图：是为了实现某种功能而设计的电路图。
2.建立仿真模型：是将电路原理图转化成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准确地建模。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故障诊断的关键环节，如果不能精确建立系统的仿真模型，后面的工作将无法进行。在后续环节需要对现有的仿真模型进行适当修改，以满足故障注入的要求。
3.选出故障模式集合：一般电路的故障模式有开路、短路、参漂和固高、固低、反相、桥接等。理论上可以对所有的故障模式进行分析，但故障模式数量太多将导致模拟时间爆炸，工程上难以实现。同时，随着设计和制造工艺的不断完善、元器件质量不断提高，某些故障模式发生的概率极低，因此必须结合具体电路，利用故障模式影响及危害性分析(FMECA)来确定发生故障概率较高、对系统危害程度较大的故障模式。将具有这种影响的故障模式挑选出来，就可以构成该系统的故障模式集。
4.注入故障：是将故障模式集中的故障，注入到标称仿真模型的过程。由于仿真模型实质上是由程序控制的，因此通过修改程序就可以改变系统的状态。PSPICE软件中的net文件记录了电路中各个元器件的类型和数值，为电路的故障注入提供了方便，只需修改net文件里元器件的数值即可。一般说来，只要能够进行系统仿真，所有的故障模式都可以通过修改相应的参数来实现，基本不存在无法注入的问题。
5.选择测试点：要了解系统所处的状态就必须从系统中提取相关信息，测试点实际上就是提取系统信息的观测点。测试点多，得到的信息量就大，判断系统状态就比较容易。但测试点多，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。由于电路设计一旦完成、测试点确定后，产品中的这些测试点将通过专门线路引出供外部测试设备使用，因此测试点多也会降低系统可靠性，并增加测试设备的费用开支。反之，测试点少，得到的信息就少，要想凭借少量的信息来判断系统的状态，往往要增加算法的难度。所以，测试点数量的多少，要视具体情况而定。另外，通过繁琐的数学计算可以确定最佳测试点，但工程上常常没有这个必要。一般只要将测试点分布在故障多发部位，并通过计算适当调整测试点的数量和位置就可以最终确定。考虑到故障隔离，初选测试点一般应与故障模式数量相当，而对于无法提供故障信息的测试点应随时取消。
6.数据采集及建立故障字典：是通过测试点获得系统在各种故障状态(标称状态视为一种特殊的故障状态)下的信息，并借助故障诊断理论对这些信息进行计算和分析的过程。一般将这些信息处理成易于查询的故障字典，有了故障字典，只要将系统测试信息与故障字典相比较就可以判定系统故障的位置及状态。
3.2.3选测试点采集数据
测试点实际上就是提取电路信息的观测点。测试点数量的多少，要视具体情况而定。一般只要将测试点分布在故障多发部位，并通过计算适当调整测试点的数量和位置就可以最终确定。考虑到故障隔离，初选测试点一般应与故障模式数量相当，而对于无法提供故障诊断信息的测试点应随时取消，并适当增加有用测试点。
3.2.4利用仿真结果进行故障诊断
Probe模块是SPICE的输出图形处理软件包，利用Probe模块可以得到电路中任何节点电压和支路电流的信息。SPICE完成电路仿真后可以调用Probe模块，观察仿真结果，检查电路的逻辑是否正确。再通过分析电路的各种输出特性波形和数据，来判断电路的故障状态，并结合数模混合电路的故障诊断方法来隔离故障。通过仿真后，提取系统在各种故障状态下的响应特征，最终确定故障状态。电子线路故障诊断的实用方法是故障字典法，利用故障字典法做故障诊断的关键是建立故障字典，如图3.3所示，它是后续故障诊断的基础。
图3.3建立数模混合电路故障字典原理框图
第4章实例分析
下面以七彩灯控制电路为例,讨论如何借助SPICE仿真软件研究数模混合电路故障诊断方法。
4.1电路图
图4.1七彩灯控制电路图
七彩灯控制电路图如图4.1所示。电路主要由直流电源、多谐振荡器、施密特触发器及计数器等部分组成，属于数模混合电路。其中市电(220V，50HZ)经C1降压、VD1稳压、D2整流及C2滤波后可获得约12V的直流电源来供控制电路工作。IC555定时器与外围元件组成多谐振荡器，用来产生时钟脉冲信号，并利用施密特触发器U1A，U4A对信号波形整形。三个J-K触发器组成三位二进制同步加法计数器，从反向器U2A输出的信号接到他们的复位端/CLR。此信号是由低电平跳变到高电平，使电路在每次接通电源的瞬间能自动清零复位。它们的预置端/PRE接高电平，使触发器保持计数状态，时钟脉冲从CP端输入，Q1~Q3为电路的输出端。根据同步加法计数器的原理可知，Q1,Q2及Q3端有001-111等七种输出逻辑状态，调节电阻R2可以改变七种输出逻辑状态变换速度，对后续电路有控制作用。
4.2七彩灯控制电路仿真诊断
4.2.1暂态分析（TransientAnalysia）选择Pspice\NewSimulationProfile打开NewSimulation对话框，在Nme栏中输入本仿真文件的名称单击Create钮出现SimulationSetting-对话框，并作如下设置暂态分析设置选项（SimulationSetting-对话框）说明(1)RuntoTime栏本暂态分析的终止时间(2)Starsavingdataafter栏由0秒起到本设置之前的计算数据均不予记录(3)Maximumstepsize栏设置各记录点间的时间间隔放置电压探针在Capture窗口内选PS\Marker\Valagelevel出现一个信号探针的符号，将其防入电路图中。这样可以省去输入纵轴变量这一步执行P\Run菜单命令
图4.2暂态分析设置图
4.2.2建立故障字典
假设经过FMECA（故障模式、影响和严重性分析FMECA是针对产品所有可能的故障，并耕具对故障模式的分析，确定每种故障模式对产品工作的影响，找出单点故障，并按故障模式的严重度及其发生概率确定其危害性。所谓单点故障指的是引起产品故障的，且没有冗余或替代的工作程序作为补救的局部故障。。
该电路有十多个节点，既有模拟量又有数字量，根据前面选择测试点的原则暂选4个测试点①、②、③、⑤（如图4.3-4.7）,测试点电压分别用V①、V②、V③、V⑤表示，其中测试点①、②和③是模拟量测试点，⑤是数字量测试点。、
图4.3探针所示位置为①号测试点
图4.4②号测试点位置
图4.5③号测试点位置
图4.6④号测试点位置
图4.7⑤号测试点位置
以上是5种故障状态的注入。对上述5种状态分别进行仿真，①号测试点的信号波形及模拟量测试点电压量的有效值如图3.8--3.12所示，其中信号既有模拟量又有数字量。其余见附录。
图4.8正常工作状态①号测试点电压波形
图4.9（1）号故障下①号测试点电压波形
图4.10（2）号故障下①号测试点测试点电压波形
图4.11（3）号故障下①号测试点测试点电压波形
图4.12（5）号故障下①号测试点测试点电压波形
电压有效值在很大程度上反映了电压的特性。如果两个电压的有效值不同，则这两个电压的波形肯定不同；但如果两个电压的有效值相同，它们的波形却不一定相同，这会造成判断上的困难。而在同一个电路中所有测试点同时出现这种情况的概率很小，因此可以通过增加测试点获得其它信息，或者重新选择测试点。根据上述仿真结果，将测试点①、②、③在Time=0.8s时的有效值(此时基本为常值)及测试点⑤所测的数字量填入表4.1。观察表4.1，从表4.1的最后一行可以看出，在5种故障状态下，从测试点⑤测得的数字量，与正常情况下所测该点的数字量相同，说明测试点⑤没有提供任何有用信息，因此选择这样的测试点没有意义，可以将它从测试点集合中去掉。
表4.1测试点①②③和⑤测试值
F0 F1 F2 F3 F4 F5 V① 8.05 155.8 1.71 0.72 8.09 5.44 V② 10.81 209.6 1.71 0 10.83 7.03 V③ 8.44 169.4 1.5 0.75 10.21 0.2 V⑤ 1 1 1 1 1 1 将表4.1中的模拟量有效值数据分别代入检测故障有效度的公式4-1，可以求出5种故障状态下的值，见表4.2所示。
(4-1)
表4.2各种故障状态下的值
F1 F2 F3 F4 F5 87255.64 171.17 229.72 3.13 89.00 从表4.2中的值可知,故障可以通过测试点①、②和③检测到。利用表3.2中的值只能检测出电路是否有故障,若要定位故障还需进行故障隔离。
根据表4.1可以求出模拟量相应的模糊集，见表.3。
表4.3模糊集
代号 模糊集 模糊域范围（v） （1,1） F2,F3 (0.52～1.29) （1,2） F5 (4.74～6.14) （1,3） F0,F4 (7.36～8.76) （1,4） F1 (155.10～156.50) （2,1） F3 (0～0.7) （2,2） F2 (1～2.41) （2,3） F5 (6.33～7.73) （2,4） F0,F4 (10.11～11.53) （2,5） F1 (208.90～210.30) （3,1） F2,F3,F5 (0～1.86) （3,2） F0 (7.74～9.14) （3,3） F4 (9.51～10.91) （3,4） F1 (168.70～170.10) 对表4.3运用集合的逻辑“交”和“对称差”运算，除了始终成对出现在某一个模糊集内无法隔离外，其余故障均可隔离。
利用表4.3很容易得到模拟量故障测试码,见表4.4。
表4.4模拟量故障测试码
F0 F1 F2 F3 F4 F5 ① 3 4 1 1 3 2 ② 4 5 2 1 4 3 ③ 2 4 1 1 3 1 在IC2的第一路输出端增加一个测试点④(如图3.6所示)。测试点④的测试量是数字量，在前述的F0-F5等6种状态下，对电路再次进行仿真，依次得到测试点④的输出波形，并选定TIME=0.8s时的数字电平V④作为测试信息，汇入表4.5中。
表4.5测试点④的测试值
F0 F1 F2 F3 F4 F5 V④ 1 1 0 0 1 0 从表4.5可知，新增的测试点可以隔离对表4.3运用集合的逻辑“交”和“对称差”运算而无法隔离的故障和正常状态。
根据表4.4和表4.5就可以得到数模混合电路的故障测试码，见表4.6。
表4.6电路的故障测试码
测试码 ① ② ③ ④ F0 3 4 2 1 F1 4 5 4 1 F2 1 2 1 0 F3 1 1 1 0 F4 3 4 3 1 F5 2 3 1 0 分析表4.6数据可知，所有故障都能被隔离出来，这组测试码就构成了该数模混合电路的故障字典。
需要说明的是表3.6中测试点①、②和③对应的数字是整数编码，而测试点④对应的0或1代码是所测数字量的高低电平，它们的含义不同。例如F1的故障测试码是4541，表示在故障F1状态下测试点①的电压值落在V①的第4个模糊域内，铡试点②和③的值分别落在它们的第5和第4个模糊域内，测试点④的值为高电平1，其它故障的测试码同理。有了由故障测试码构成的故障字典之后，就可以利用故障字典开发相应的虚拟测试设备。
结论
在总结PSPICE软件仿真功能的基础上，给出了电子线路故障诊断的仿真原理图。本文结合实例针对数模混合电路的故障测试与诊断进行了深入研究，得出以下结论：1.利用PSPICE仿真在电路设计阶段就可以随时注入故障，无硬件损伤，保证了电路故障分析试验的安全可靠；2.在数模混合电路中,各测试点的测试值既有模拟量也有数字量。由于模拟量在测量上存在一定误差，所转换的测试码可能会出现一定偏差，而数字量的值不是1(高电平)就是0(低电平)，因此，应尽可能选择数字量测试点，这会使诊断更加准确。
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致谢
本次毕业设计在吴洁老师的认真指导下，才使设计得以顺利完成，吴老师平易近人的待人态度，认真的态度，渊博扎实的专业知识让我获益匪浅。在设计过程中遇到了很多问题和困难，我在解决这些的问题的同时学到了很多知识，增强了自信心，提高了我解决问题的能力。在此非常感谢帮助过我的老师和同学们，特别感谢吴洁老师在这一个学期来的辛苦指导.在此，谨向尊敬的老师们致以诚挚的谢意，并送去最美好的祝愿！
我衷心感谢我的老师在我四年求学生涯中对我的关心和支持！
附录
图1正常工作状态下②号测试点电压波形
图2（1）号故障下②号测试点电压波形
图3（2）号故障下②号测试点电压波形
图4（3）号故障下②号测试点电压波形
图5（4）号故障下②号测试点电压波形
图6（5）号故障下②号测试点电压波形
图7正常工作状态③号测试点电压波形
图8（1）号故障下③号测试点电压波形
图9（2）号故障下③号测试点电压波形
图10（3）号故障下③号测试点电压波形
东海科学技术学院本科生毕业论文
I
新建设计项目
生成电路图
电路分析特性参数设置
电路仿真
显示仿真结果
分析输出结果
电路原理图
建立仿真模型
选出故障模式集合
注入故障
数据采集及故障诊断
选择测试点
模拟量有效
无效
模拟量有效值故障
数模混合电路故障字典建立
数字量值（0,1）（故障
提取各故障模式下数模混合电路参数
选择测试点并注入故障
仿真建模
Y
故障是否隔离
N
编码组合
得到模糊集
数字量有效
得到模糊集
检验数据是否有效
改换测试点
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