摘要：电子设备中的电路系统主要分为模拟电路和数字电路，从理论分析和实际应用表明，模拟电路比数字电路更易出现故障。据资料报道，虽然电子设备中数字电路超过80%，但80%以上的故障均来自模拟电路。同时随着大规模模拟集成电路的发展，模拟电路的复杂度和密集度不断增长，对模拟电路运行可靠性的要求更为严格。因此对某些用于重要设备的电路进行故障诊断，也就是对模拟电路出现故障时能够实时的对故障进行诊断，找出失效元件，因而模拟电路故障自动诊断成为一个亟待要解决的问题。
关键词：电路仿真原理；故障检测；诊断
电路发生故障时，其特征与正常状态时相比有所变化，引入故障特征的概念是为了表示这种变化。故障特征可以有各种不同的表现形式，比如可以是电路在不同时间间隔或不同频率下的输入输出信号；也可以是电路节点上或电路的外部连接点上的交流或直流电压；还可以是线性电路的传递函数或其他相关函数。此外，还有电路的红外特征，即以电路元件发生故障前后表面温度的变化作为特征量。
1.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。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。
2.故障诊断电路实例分析
2.1电路的仿真
以彩灯控制电路为例，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，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。
2.2建立故障字典
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。
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1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。
2.3仿真器参数设置
绘制完原理图后，在仿真之前，要选择对电路进行那种分析，设置收集的变量数据，以及设置显示哪些变量的波形。常见的仿真分析有静态工作点分析（OperatingPointAnalysis）、瞬态分析（TransientAnalysis）、直流扫描分析（DCSweepAnalysis）、交流小信号分析（ACSmallSignalAnalysis）、噪声分析（NoiseAnalysis）、极点、零点分析（Pole-ZeroAnalysis）、传递函数分析（TransferFunctionAnalysis）、温度扫描分析（TemperatureSweep）、参数扫描（ParameterSweep）、蒙特卡洛分析（MonteCarloAnalysis）等分析。本文主要讲解静态工作点分析、瞬态分析的设置方法。执行Design→Simulate→MixedSim命令。
2.3.1一般设置（GeneralSetup）
在仿真分析设置对话框的左侧分析选项列表中，列出了所有的分析选项，选中每个分析选项，右侧即显示出相应的设置项。选中GeneralSetup，即可在右侧的选项中进行一般设置。在AvailableSignals列表中显示的是可以进行仿真分析的信号，ActiveSignals列表框中显示的是激活的信号，将需要进行仿真的信号，单击和可完成添加或删除激活信号，分别双击Q1B、Q1C、Q2B、Q2C，把他们添加到ActiveSignals内，在CollectDataFor栏，从列表中选择NodeVoltage，SupplyCurrent，DeviceCurrentandPower（节点电压，电源电流，元件电流及功率）。
2.3.2静态工作点分析（OperatingPointAnalysis）
静态工作点分析通常用于对放大电路进行分析，当放大器处于输入信号为零的状态时，电路中各点的状态就是电路的静态工作点。最典型的是放大器的直流偏置参数。进行静态工作点分析的时候，不需要设置参数。
2.3.3瞬态分析（TransientAnalysis）
瞬态分析用于分析仿真电路中工作点信号随时间变化的情况。进行瞬态分析之前，设计者要设置瞬态分析的起始和终止时间、仿真时间的步长等参数。在电路仿真分析设置对话框中，激活Transient选项，在瞬态分析参数设置对话框中进行设置。在TransientAnalysisSetup列表中共用11个参数设置选项，这些参数的含义分别是：TransientStartTime参数用于设置瞬态分析的起始时间。瞬态分析通常从时间零开始，在时间零和开始时间，瞬态分析照样进行，但并不保存结果。而开始时间和终止时间的间隔将保存，并用于显示。TransientStopTime参数用于设置瞬态分析的终止时间。TransientStepTime参数用于设置瞬态分析的时间步长，该步长不是固定不变的。TransientMaxStepTime参数用于设置瞬态分析的最大时间步长。UseInitialConditions项用于设置电路仿真的初始状态。当勾选该项后，仿真开始时将调用设置的电路初始参数。UseTransientDefault项用于设置使用默认的瞬态分析设置，选中该项后，列表中的前四项参数将处于不可修改状态。DefaultCyclesDisplayed参数用于设置默认的显示周期数。defaultPointsPerCycle参数用于设置默认的每周期仿真点数。EnableFourier项用于设置进行傅立叶分析，勾选该项后，系统将进行傅立叶分析，显示频域参数。FourierFundamentalFrequency用于设置进行傅立叶分析的基频。FourierNumberofHarmonics用于设置进行傅立叶分析的谐波次数。
结论
本文基于电路仿真原理，利用PSPICE软件对模拟电路进行仿真，得到模拟电路各测试点的全部信号波形，并利用这些信号波形作为参考进行进一步的故障诊断。基于电路仿真原理的模拟电路故障检测与诊断是一个很有前途的研究课题，限于本人水平和时间的限制，仅仅对其进行了一些有益的探索，还有很多问题有待进一步研究和解决。
参考文献
[1]胡梅,胡列峰,明德祥.模拟电路统一软故障诊断的研究[J].电子测量与仪器学报,2013,27(11):1060-1066.
[2]韩涵,王厚军,杨成林.基于斜率特征的模拟电路故障诊断新方法[J].测控技术,2014,33(1):34-37.
基金项目：广东电网有限责任公司职工技术创新项目：031300KK52180023
论文作者:陈卫忠
论文发表刊物:《电力设备》2018年第10期
论文发表时间:2018/8/1
标签：电路论文; 故障论文; 测试论文; 参数论文; 信号论文; 傅立叶论文; 时间论文; 《电力设备》2018年第10期论文;