PSPICE仿真在数模混合电路故障诊断中的应用研究

摘　要：本文研究了基于PSPICE电路仿真原理的软故障检测与诊断技术，并以彩灯控制电路为例，对待检测电路系统的进行仿真，得出电路中各测试点的标准信号波形，以此作为理想的参考信号。然后对待测的实际电路进行故障检测与诊断。详细说明了故障诊断的具体方法和步骤，为电路测试与诊断提供一些新的思路。

关键词：PSPICE仿真；数模混合电路；故障诊断
1  引言
  近年来，随着科学技术特别是微电子技术的迅猛发展，电路的规模和复杂性都急剧加大。工业过程的模拟特性和微芯片的使用，使得数模混合电路的应用越来越广泛。在实际电路系统中，由于模数两种电路的诊断方法不同，使得混合电路在故障测试与诊断上比单纯的模拟或数字电路的测试与诊断都要困难。
　　 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，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。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。
2  PSPICE的电路诊断过程
　　PSPICE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。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，作为后续诊断的基础。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1所示。
　　建立仿真模型好坏直接影响精度，也是利用仿真软件研究故障诊断的关键环节。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。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。
　　故障注入，是将故障模式集中的故障，注入到标称仿真模型的过程。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。
　　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信息的测试点应随时取消。
　　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。


　　
　　图1电路故障诊断仿真原理过程图
3　故障诊断电路实例分析
　　3.1电路的仿真
　　彩灯控制电路由电源、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，如图2所示。按照前面提到的电路仿真过程对该彩灯控制电路进行仿真。其中市电220V经电源电路后可获得12V左右的直流电源来供控制电路工作。555 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输出的信号接到它们的复位端/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。



图2 彩灯控制电路
3.2建立故障字典
　　经过故障模式、影响和严重性分析，确定每种故障模式对产品工作的影响，找出了单点故障，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。确定需要关注以下5种故障：(1)电容 C1短路；(2)整流二极管D2 短路；(3)电容C2短路；(4)电阻 R1 开路；(5)电阻 R1 短路；分别用F1～F5表示，电路正常时用F0表示。下面通过选择测试点、注入故障来建立该数模混合电路的故障字典。
　　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,测试点电压分别用 V①、 V②、V③、Y⑤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。以通过直接更改Capture上的电路图或net文件来实现5种故障状态的注入。对上述5种状态分别进行仿真，以①号测试点为例说明。信号波形及模拟量测试点电压量的有效值如图3所示，其中信号既有模拟量又有数字量。



　　图3 ①号测试点正常及各种故障下的电压波形
　　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。按上述仿真结果，将测试点②、③在Time=0.8s时的有效值(此时基本为常值)及测试点⑤所测的数字量填入下表1。从表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1 测试点①②③和⑤测试值





    利用表1中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1可以求出模拟量相应的模糊集，但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。因此IC2的第一路输出端增加一个测试点④(如图2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Y④作为测试信息。这样就可以得到数模混合电路的故障测试码，见下表2。分析表2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。   
　　表2电路的故障测试码





4  结论
　　由上可见， 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。但在数模混合电路中 ,各测试点的测试值既有模拟量也有数字量，而模拟量在测量上存在一定误差，所以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。结合具体电路实现的虚拟测试能够对可能的测试结果进行预测，发现测试过程中潜在的可能出现的各种中间和意外结果，更好地了解故障诊断过程。