1、模 拟 系 统 的 故 障 诊 断与 可 靠 性 设 计杨 士 元 编 著 童 诗 白 审 校清 华 大 学 出 版 社内 容 简 介本书 详 细 阐 述 了 模 拟 电 子 电 路故 障 诊 断 中 的 故 障 字 典 法 、 参 数 识 别 法 和故 障 验 证 法 的 基 本 原 理 和 实 施 方 法 。 介 绍 了 专 家 系 统 及 其 在 模 拟 电 子 电 路 故 障 诊 断 中 的 应 用 技 术 , 模 拟 系 统 的 自 动 测 试 设 备 的 构 成 和 软 件 编 程 方 法 。 此 外 还 叙 述 了 模 拟 系 统 可 靠 性 的 概 念 和 设 计 方 法 。
2、全 书 体 现 了 该 领 域 的 全 貌 , 并 反 映 了 有 关 的 最 新 技 术 。本书 是 自 动 化 、 计 算 机 和 无 线 电 等 专 业 的 高年 级 学 生 和 研 究 生 学 习 网 络测 试 与 故 障 诊 断 的 教 材 , 也 是 从 事 模拟 电 子 电 路 设 计 、 测 试 和 维 修 的 专 业 技 术人 员 必 不 可 少 的 参 考 书 。( 京 ) 新 登 字 158 号模 拟 系 统 的 故 障 诊 断 与 可 靠 性 设 计杨 士 元 编 著 童 诗 白 审 校清 华 大 学 出 版 社 出 版 北 京 清 华 园 通 县 宏 飞 印 刷 厂
3、印 刷新 华 书 店 总 店 科 技 发 行 所 发 行开 本 : 7 87 1 0 92 1/ 1 6 印 张 : 1 7 .7 5 字 数 : 4 6 3 千 字1 9 9 3 年 1 2 月 第 1 版 1 9 93 年 1 2 月 第 1 次 印 刷印 数 : 00013000ISNB 7-302-01335-7/ T N63定 价 : 10.60 元序 言模 拟 电 子 电 路 故 障 诊 断 自 70 年 代 开 始 , 在 世 界 范 围 内 已 取 得 卓 有 成 效 的 研 究 成 果 , 并 逐 渐 形 成 了 比 较 系 统 的 理 论 , 确 立 了 它 在 网 络 理
4、 论 中 应 有 的 地 位 , 成 为 继 网 络 分 析 和 网 络 综 合 之 后 的 网 络 理 论 的 第 三 大 分 支 。当前 , 由 于 模 拟 电 子 电 路 V LSI 的 崛 起 和 数 字 / 模 拟 混 合 电 路 的 普 遍 使 用 , 对 模 拟 系 统 的 测 试 和 诊 断 提 出 了 急 迫 的 需 求 和 更 高 的 要 求 。 本 书 试 图 对 已 有 的 模 拟 电 子 电 路 的 故 障 诊 断 方 法 和 理 论 作 一 系 统 的 总 结 , 揭 示 现 有 各 种 诊 断 方 法 的 基 本 思 想 , 使 读 者 能 掌 握 有 关 的 基
5、 础 知识 , 并 对 该 领 域 的 研 究 和 发 展 趋 向 有 一 个 全 面 的 了 解 。我 校 自 动 化 系 自 动 化 仪 表 及 装 置 博 士 点 , 在 童 诗 白 教 授 的 主 持 下 , 自 1984 年 开 始 作 模拟 电 子 电 路 故 障 诊 断 和 可 靠 性 设 计 技 术 的 研 究 , 并 于 1988 年 开 始 为 研 究 生 开 设 了 “自 动 测 试 与 故 障 诊 断 理 论 基 础” 学 位 课 程 。 其 中 数 字 系 统 测 试 部 分 的 教 材 数 字 系 统 的 故 障 诊 断 与 可 靠 性 设 计 , 已 于 1989
6、 年 由 清 华 大 学 出 版 社 出 版 。 关 于 模 拟 系 统 测 试 部 分 , 我 们 在 经 过 6 年 多 的 教 学 实 践 之 后 , 对 讲 稿 作 了 必 要 的 整 理 和 增 补 , 编 著 成 这 本 教 材 。 为 了 跟 踪 世 界 科 技 发 展 的 最 前 沿 , 书 中 总 结 了 我 们 的 最 新 研 究 成 果 , 并 尽 可 能 反 映 国 际 上 最 新 的 技 术 。全 书 共 分 七 章 。 第 一 章 扼 要 介 绍 了 模 拟 电 子 电 路 故 障 诊 断 的 发 展 概 况 和 各 种 方 法 的 分 类 , 使 读 者 对 此
7、领 域 有 一 全 貌 的 了 解 。 第 二 章 介 绍 了 目 前 最 常 用 的 故 障 诊 断 方 法 故 障 字 典 法 , 主 要 讲 述 了 字 典 的 构 造 方 法 。 第 三 章 介 绍 故 障 参 数 识 别 法 , 它 是 借 用 系 统 参 数 辨 识 技 术 而 发 展 起 来 的 。 第 四 章 介 绍 了 国 际 上 研 究 较 多 的 故 障 验 证 法 , 它 对 假 设 电 路 中 仅 有 少 数 故 障的 情 况 是 有 效 的 。 第 五 章 介 绍 了 专 家 系 统 的 基 本 概 念 以 及 在 电 子 电 路 故 障 诊 断 中 的 应 用 技
8、术 , 这 方 面 的 研 究 在 国 际 上 也 是 最 近 几 年 才 开 始 , 但 已 引 起 了 众 多 学 者 的 兴 趣 。 第 六 章 介 绍 模 拟 系 统 可 靠 性 设 计 方 法 和 冗 余 系 统 可 靠 性 分 析 方 法 , 这 在 一 般 关 于 模 拟 系 统 测 试 的 教 材 中 介绍 较 少 。 最 后 一 章 根 据 目 前 国 内 研 制 和 使 用 自 动 测 试 设 备 的 现 状 , 介 绍 了 一 种 最 常 见 的 模 拟电 路 测 试 方 法 路 内 测 试 , 比 较 详 细 地 叙 述 了 这 种 方 法 的 基 本 原 理 和 编
9、程 方 法 , 同 时 为 便 于 读 者 选 择 和 使 用 一 般 的 自 动 测 试 设 备 , 本 章 还 介 绍 了 自 动 测 试 设 备 的 主 要 技 术 指 标 和 系 统 的分 类 及 构 成 。在 本 书 的 编 著 过 程 中 , 得 到 了 童 诗 白 教 授 的 热 忱 帮 助 , 他 还 为 全 书 作 了 细 致 的 审 校 , 在 此 表 示 衷 心 的 感 谢 。书 中 介 绍 的 一 些 研 究 工 作 , 得 到 了 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 和 国 家 教 委 博 士 点 基 金 项 目 的支 持 , 在 此 表 示 感 谢 。由 于 模
10、 拟 电 子 电 路 故 障 诊 断 是 一 个 新 兴 学 科 , 正 处 于 发 展 之 中 , 又 鉴 于 本 人 水 平 有 限 , 书 中 难 免 有 错 误 和 疏 漏 , 恳 请 读 者 谅 解 指 正 。杨 士 元 于 清 华 大 学 自 动 化 系 1993 年 3 月 目 录第 一 章 绪 论 11 .1 模 拟 电 路 故 障 诊 断 的 进 展 与 展 望 11.2 模 拟 电 路 测 试 与 故 障 诊 断 方 法 的 分 类 41.3 本 书 内 容 及 使 用 7习 题 8参 考 文 献 8第 二 章 故 障 字 典 法 102.1 直 流 故 障 字 典 法 1
11、02.1.1 字 典 的 建 立 和 测 后 分 析 102.1.2 故 障 仿 真 计 算 方 法 172.1.3 测 试 节 点 的 优 选 及 故 障 测 试 码 的 生 成 322.2 交 流 故 障 字 典 法 372.2.1 交 流 故 障 字 典 的 建 立 372.2.2 故 障 诊 断 方 法 47习 题 49参 考 文 献 51第 三 章 故 障 参 数 识 别 法 523.1 多 频 法 故 障 参 数 识 别 523.1.1 多 频 支 路 参 数 识 别 533.1.2 节 点 法 多 频 参 数 识 别 633.1.3 非 线 性 方 程 的 求 解 703.2 伴
12、 随 网 络 法 753.2.1 基 本 概 念 763.2.2 伴 随 网 络 法 故 障 诊 断 783.2.3 一 般 网 络 的 诊 断 方 法 83习 题 86参 考 文 献 88第 四 章 验 证 法 故 障 诊 断 894.1 K 故 障 诊 断 法 894.1.1 故 障 电 流 模 型 894.1.2 K 节 点 故 障 诊 断 914.1.3 K 支 路 故 障 诊 断 99 4.1.4 快 速 K 故 障 诊 断 1064.1.5 具 有 容 差 的 实 际 网 络 的 K 故 障 诊 断 1124.2 故 障 定 界 法 诊 断 1194.2.1 仿 真 计 算 模 型
13、 1194.2.2 故 障 定 位 的 加 速 措 施 1264.3 网 络 撕 裂 法 1314.3.1 网 络 的 撕 裂 及 子 网 络 特 性 1324.3.2 子 网 络 状 态 判 定 条 件 1324.3.3 应 用 逻 辑 分 析 定 位 故 障 子 网 络 1364.3.4 诊 断 步 骤 和 应 用 举 例 137习 题 140参 考 文 献 142第 五 章 专 家 系 统 及 其 在 模 拟 电 路 故 障 诊 断 中 的 应 用 1435.1 专 家 系 统 的 基 本 结 构 和 特 点 1435.1.1 专 家 系 统 的 基 本 结 构 1435.1.2 专 家
14、 系 统 的 特 点 和 主 要 功 能 1455.2 知 识 表 达 和 知 识 库 的 建 立 1465.2.1 产 生 式 知 识 表 达 1465.2.2 语 义 网 络 的 知 识 表 达 1495.2.3 框 架 结 构 的 知 识 表 达 1535.2.4 谓 词 逻 辑 知 识 表 达 1555.2.5 知 识 获 取 的 一 般 过 程 1585.3 推 理 方 法 和 搜 索 策 略 1595.3.1 非 精 确 推 理 1595.3.2 搜 索 策 略 1705.4 应 用 专 家 系 统 的 故 障 诊 断 系 统 简 介 1745.4.1 FIS 的 组 成 及 主
15、要 功 能 1745.4.2 知 识 的 描 述 1755.4.3 推 理 方 法 1755.4.4 最 优 测 试 选 择 177习 题 181参 考 文 献 183第 六 章 模 拟 系 统 的 可 靠 性 设 计 1846.1 模 拟 系 统 的 可 靠 性 1846.2 单 模 系 统 1876.2.1 基 准 的 稳 定 性 1886.2.2 单 模 反 馈 系 统 分 析 1926.2.3 前 馈 控 制 系 统 197 6.3 多 模 冗 余 结 构 设 计 2026.3.1 被 动 冗 余 结 构 设 计 2046.3.2 主 动 冗 余 结 构 设 计 2096.3.3 半
16、主 动 冗 余 结 构 设 计 2186.3.4 混 合 冗 余 结 构 设 计 2206.4 冗 余 结 构 系 统 的 可 靠 性 分 析 2216.4.1 用 于 可 靠 性 描 述 的 基 本 参 量 2216.4.2 不 可 维 冗 余 系 统 的 可 靠 度 2256.4.3 可 维 修 冗 余 系 统 的 可 靠 度 231习 题 236参 考 文 献 237第 七 章 自 动 测 试 设 备 2387.1 模 拟 电 路 的 路 内 测 试 2387.1.1 模 拟 电 路 路 内 测 试 的 基 本 原 理 2407.1.2 测 试 的 误 差 分 析 及 测 试 方 案 的
17、 改 进 2437.1.3 六 线 测 试 的 误 差 分 析 2457.1.4 路 内 测 试 的 程 序 设 计 2477.1.5 接 地 点 的 选 择 方 法 2487.1.6 触 针 的 接 触 工 艺 2537.2 自 动 测 试 设 备 的 结 构 2547.2.1 A T E 的 功 能 与 分 类 2557.2.2 A T E 硬 件 的 基 本 结 构 和 组 成 2567.2.3 A T E 软 件 系 统 及 编 程 策 略 2637.3 A T E 的 主 要 技 术 指 标 268习 题 271参 考 文 献 272部 分 习 题 的 答 案 或 提 示 273 第
18、 一 章 绪 论1.1 模 拟 电 路 故 障 诊 断 的 进 展 与 展 望一 、 网 络 理 论 的 第 三 分 支 故 障 诊 断 从 网 络 理 论 发 展 过 程 来 看 , 网 络 理 论 主 要 经 历 了 下 述 三 个 阶 段 。网 络 分 析 网 络 分 析 的 主 要 任 务 是 : 在 已 知 网 络 拓 扑 结 构 、 元 件 参 数 和 输 入 激 励 信 号 时 求解 网 络 的 输 出 响 应 。 应 用 的 主 要 理 论 和 方 法 是 克 希 霍 夫 电 流 定 律 ( KCL ) 和 电 压 定 律 ( KV L ) , 以 及 由 它 们 推 导 出
19、来 的 节 点 电 位 法 、 支 路 电 流 法 和 回 路 电 流 法 等 。 所 求 的 响 应 可 能 是 解 析 解 ,也 可 能 是 数 值 解 , 但 其 结 果 一 般 都 是 唯 一 的 。 如 果 利 用 数 字 计 算 机 来 求 解 , 则 只 能 求 得 数 值解 , 通 常 称 之 为 计 算 机 辅 助 分 析 ( CAA Computer Aided Analysis) 。 到 目 前 为 止 , 网 络 分 析 理 论 的 发 展 最 为 完 善 , 应 用 也 最 广 泛 。网 络 综 合 网 络 综 合 的 主 要 任 务 是 : 在 已 知 网 络 的
20、输 入 激 励 和 所 需 响 应 的 条 件 下 , 求 解 网 络 的 拓 扑 结 构 和 元 件 类 型 及 参 数 。 因 此 经 常 也 将 网 络 综 合 称 之 为 网 络 设 计 。 应 用 的 主 要 理 论 和 技 术 是 数 学 中 的 逼 近 理 论 和 优 化 设 计 方 法 。 网 络 综 合 的 结 果 通 常 都 不 唯 一 , 往 往 是 因 设 计人 员 的 素 质 和 经 验 以 及 所 采 用 的 模 块 或 器 件 而 异 。 由 于 微 电 子 技 术 和 工 艺 的 迅 速 发 展 , 集 成 电 路 ( IC) 的 集 成 度 越 来 越 高 ,
21、 新 的 生 产 工 艺 和 优 质 器 件 不 断 涌 现 , 使 网 络 综 合 日 益 简 化 。 如 果 采用 计 算 机 辅 助 设 计 ( CAD Computer Aided Design ) , 则 设 计 和 综 合 的 工 作 量 可 进 一 步 减 少 , 因 此 , 至 今 模 拟 电 路 的 CAD 仍 引 起 众 多 研 究 者 的 很 大 兴 趣 , 导 致 它 非 常 迅 速 的 发 展 。故 障 诊 断 故 障 诊 断 的 主 要 任 务 是 : 在 已 知 网 络 的 拓 扑 结 构 、 输 入 激 励 信 号 ( 也 可 自 选 激 励 信 号 ) 和 故
22、 障 下 的 响 应 时 ( 有 时 可 能 还 已 知 部 分 元 器 件 的 参 数 ) , 求 解 故 障 元 件 的 物 理 位 置 和 参 数 。 要 求 求 解 的 结 果 是 唯 一 的 , 但 有 时 却 不 能 保 证 。 与 网 络 分 析 和 网 络 综 合 不 同 的 是 , 它 的 输 入 信 号 不 限 于 采 用 网 络 实 际 工 作 所 施 加 的 有 限 信 号 , 而 可 根 据 故 障 诊 断 的 需 求 “ 随 意” 确 定 。 例 如 可 采 用 直 流 或 交 流 ( 正 弦 波 ) 信 号 , 也 可 采 用 不 同 频 率 的 若 干 交 流
23、信 号 , 或 采 用 不 同 波 形 的 异 型 信 号 ( 如 锯 齿 波 、 矩 形 波 等 ) 。 故 障 诊 断 所 涉 及 的 有 关 理 论 和 技 术 的 面 较 宽 , 如 系 统 参 数 辨 识 、 模 式 识 别 、 优 化 技 术 等 。 模 拟 电 路 的 故 障 诊 断 一 般 需 要 用 计 算 机 来 实 现 ( CA TCom- pu ter Aided Test ) 。 故 障 诊 断 于 60 年 代 在 军 事 工 业 上 首 先 开 始 研 究 , 发 展 至 今 已 成 为 网 络 理论 中 公 认 的 第 三 大 分 支 。综 合 上 述 分 析
24、, 在 表 1.1.1 中 列 出 了 网 络 理 论 三 大 分 支 的 特 点 。表 1.1.1 网 络 理 论 三 大 分 支 的 特 点特 点 项 目类 别激 励 拓 扑 结 构 元 件 参 数 响 应 解 的 唯 一 性网 络 分 析 已 知 ( 给 定 ) 已知 已 知 待 求 唯 一网 络 综 合 已 知 ( 给 定 ) 待求 待 求 已 知 ( 给 定 ) 不 唯 一故 障 诊 断 已 知 ( 可 选 ) 已知 待 求 ( 部 分 已 知 ) 已 知 ( 可 测 ) 要 求 唯 一 1 1在 此 提 及 一 点 , 网 络 分 析 与 网 络 综 合 是 一 对 互 逆 的 问
25、 题 。 而 故 障 诊 断 与 网 络 分 析 中 的 灵敏 度 分 析 是 一 对 互 逆 的 问 题 。二 、 模 拟 电 路 故 障 诊 断 的 进 展在 电 子 电 路 的 发 展 进 程 中 , 模 拟 电 路 比 数 字 电 路 出 现 得 早 , 但 是 数 字 电 路 的 发 展 速 度 却 比 模 拟 电 路 要 高 得 多 , 最 典 型 的 例 子 是 数 字 计 算 机 现 在 已 基 本 上 替 代 了 模 拟 计 算 机 , 而 且 仍 在 日 新 月 异 地 飞 速 发 展 。 分 析 产 生 这 种 现 象 的 原 因 可 知 , 除 了 军 事 和 工 业
26、部 门 对 数 字 系 统 有 急 迫的 需 求 , 数 字 IC 制 造 相 对 比 较 简 单 , 集 成 度 易 于 提 高 , 以 及 可 靠 性 较 高 等 因 素 以 外 , 数 字 系 统的 测 试 与 诊 断 问 题 的 研 究 取 得 突 破 性 进 展 , 并 已 广 泛 应 用 于 生 产 之 中 , 无 疑 是 其 中 的 一 个 重 要 原 因 。在 数 字 系 统 中 , 极 大 部 分 的 故 障 都 可 以 用 模 型 化 故 障 s-a-1 和 s-a-0 来 仿 真 8 , 即 一 个 数 字 系 统 中 的 故 障 总 数 是 有 限 的 , 所 以 可
27、能 构 造 一 个 故 障 特 征 与 故 障 相 对 应 的 字 典 来 检 测 或 诊 断故 障 。 由 于 D 算 法 及 其 各 种 改 进 方 法 的 出 现 , 数 字 系 统 的 诊 断 理 论 已 趋 完 善 和 成 熟 。 从 理 论上 讲 , 对 每 一 个 故 障 都 可 找 到 相 应 的 测 试 向 量 , 仅 存 在 提 高 有 效 度 和 速 度 的 问 题 。 随 着 测 试 方 法 的 不 断 改 进 , 计 算 机 运 算 速 度 的 大 幅 度 提 高 和 容 量 的 不 断 扩 大 , 存 在 的 问 题 正 在 逐 步 解 决 。 尤 其 是 数 字
28、IC 集 成 度 的 提 高 , 使 得 数 字 系 统 可 测 性 方 案 得 以 实 现 , 从 而 大 大 简 化 了 测 试 问 题 。 数 字 系 统 自 测 试 技 术 已 日 臻 完 善 , 并 已 广 泛 应 用 于 实 际 系 统 之 中 , 数 字 系 统 的 可 靠 性 得 以 迅 速 提 高 。模 拟 系 统 的 测 试 与 诊 断 课 题 自 60 年 代 开 始 研 究 以 来 , 进 展 一 直 比 较 缓 慢 。 探 索 其 原 因 , 大 致 有 两 个 。 一 是 模 拟 系 统 的 集 成 度 较 低 , 传 统 的 模 拟 电 路 规 模 也 比 较 小
29、 , 因 此 采 用 人 工 测 试 和 修 理 还 可 满 足 实 际 需 要 , 即 工 业 生 产 没 有 提 出 象 对 规 模 较 大 的 数 字 系 统 测 试 那 样 的 迫 切 要求 , 所 以 模 拟 电 路 的 测 试 和 诊 断 的 研 究 缺 少 强 有 力 的 动 力 。 另 一 个 原 因 是 模 拟 电 路 的 测 试 与诊 断 远 比 数 字 系 统 困 难 , 因 此 至 今 无 论 在 理 论 上 和 方 法 上 均 未 完 全 成 熟 , 可 付 诸 实 用 的 还 比 较 少 。 事 实 上 上 述 两 个 原 因 是 彼 此 制 约 和 互 相 促 进
30、 的 。 但 最 终 的 制 约 条 件 还 是 实 际 生 产 的 需 求 的 迫 切 性 。那 么 模 拟 电 路 测 试 和 诊 断 到 底 有 哪 些 困 难 呢 ? 小 结 起 来 有 下 述 五 个 方 面 。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 中 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
31、有 无 穷 多 个 故 障 。 所 以 不 可 能 象 在 数 字 系 统 故 障 诊 断 中那 样 构 造 一 部 字 典 来 “查 阅” 所 有 的 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 尚 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 唯 一 定 位 实 际
32、故 障 的 物 理 位 置 。 从 模 拟 电 路 故 障 诊 断 的 实 践 看 , 元 件 参 数 的 容 差 是 实 施 正 确 诊 断 的 最 大 困 难 。3. 在 模 拟 电 路 中 广 泛 存 在 非 线 性 问 题 , 包 括 一 般 理 解 的 网 络 中 的 非 线 性 元 件 引 起 的 , 也 包 括 线 性 电 路 中 存 在 的 众 多 的 非 线 性 问 题 。例 如 在 图 1.1.1 所 示 的 线 性 网 络 中 , 可 列 出 端 口 特 性 方 程V 1 R1 1 R1 2 I1=V 2 R2 1 R2 2 I2 2 G3 ( G1 + G2 ) + G
33、4 ( G1 + G2 + G3 ) G1 G3 I1=GT G1 G3 G1 ( G2 + G3 ) I2其 中GT = G1 ( G2 G3 + G2 G4 + G3 G4 )R1 1 = 1GT G3 ( G1 + G2 ) + G4 ( G1 + G2 + G3 ) R1 2 = R2 1 = 1GT ( G1 G3 )R2 2 = 1GTG1 ( G2 + G3 )图 1.1.1 线 性 网 络 示 例如 果 网 络 端 口 特 性 R1 1 , R1 2 , R2 1 和 R2 2 通 过 测 量 而 求 得 , 在 求 网 络 参 数 G1 G4 时 就 必 须求 解 四 个 非
34、 线 性 方 程 , 即 网 络 参 数 G1 G4 与 网 络 特 性 Ri j ( i , j = 1 , 2 ) 之 间 的 关 系 是 非 线 性 的 。众 所 周 知 , 解 非 线 性 方 程 通 常 采 用 迭 代 法 求 解 , 因 此 计 算 工 作 量 是 很 大 的 。 随 着 电 路 规 模 的 线 性 增 大 , 计 算 工 作 量 则 以 指 数 形 式 增 加 。 如 果 一 个 电 路 具 有 100 个 元 件 ( 中 等 规 模 ) , 以 目 前 的 计 算 机 水 平 , 总 的 计 算 时 间 几 乎 是 难 以 接 受 的 。4. 一 个 实 用 的
35、 模 拟 电 路 中 , 几 乎 无 一 例 外 地 存 在 着 反 馈 回 路 , 电 路 规 模 越 大 , 反 馈 回 路 也越 复 杂 。 而 在 计 算 机 上 对 一 个 具 有 复 杂 反 馈 回 路 的 模 拟 电 路 作 仿 真 计 算 更 需 要 大 量 的 复 杂 计 算 , 因 为 这 也 是 通 过 迭 代 计 算 实 现 的 。5. 模 拟 电 路 中 的 电 流 是 一 个 重 要 参 数 , 也 是 故 障 信 息 的 重 要 组 成 部 分 。 但 是 在 实 际 测 量时 , 除 输 入 端 口 和 输 出 端 口 可 以 比 较 方 便 地 测 到 电 流
36、 参 数 外 , 一 般 电 路 中 的 支 路 电 流 均 不 易 甚 至 不 可 测 量 , 通 常 只 能 通 过 测 量 电 压 来 得 到 。 此 外 可 测 电 压 的 节 点 数 也 有 限 ( 远 少 于 网 络 的 节 点 数 ) , 导 致 可 用 于 作 故 障 诊 断 的 有 关 信 息 量 较 少 , 甚 至 很 不 充 分 , 最 后 造 成 故 障 定 位 的 不 唯 一 性 和 模 糊 性 , 或 者 根 本 不 可 诊 断 。由 于 模 拟 电 路 故 障 诊 断 存 在 上 述 各 种 特 点 和 困 难 , 不 可 能 将 数 字 系 统 中 所 使 用
37、的 测 试 方法 移 植 到 模 拟 系 统 中 来 , 必 须 根 据 模 拟 电 路 的 自 身 特 点 探 索 有 效 的 诊 断 理 论 和 方 法 。 70 年 代 以 来 , 世 界 上 已 发 表 的 有 关 研 究 论 文 达 千 篇 以 上 , 但 主 要 解 决 的 是 线 性 网 络 在 无 容 差 或 小 容 差 情 况 下 的 诊 断 理 论 和 方 法 。 此 外 , 近 年 来 在 非 线 性 问 题 上 也 取 得 一 些 长 足 的 进 展 , 不 过 与 实 际 使 用 尚 有 一 定 的 距 离 , 至 今 还 没 有 一 个 完 善 而 成 熟 的 系
38、统 或 软 件 可 付 诸 广 泛 使 用 。三 、 模 拟 电 路 故 障 诊 断 的 展 望 模 拟 电 路 故 障 诊 断 的 研 究 在 一 个 时 期 内 没 有 取 得 突 破 性 的 进 展 , 但 最 近 二 三 年 来 , 各 国 又重 新 投 入 相 当 的 人 力 和 精 力 致 力 于 对 它 的 研 究 , 其 主 要 原 因 是 :1. 随 着 数 字 系 统 和 IC 的 集 成 度 不 断 提 高 及 运 行 速 度 的 迅 速 提 高 , 脉 冲 的 上 升 边 沿 和 下 3 降 边 沿 不 再 可 忽 视 。 它 的 参 数 直 接 影 响 到 数 字 系
39、 统 和 IC 的 工 作 状 态 。 而 对 这 种 边 沿 的 测 试问 题 已 不 能 采 用 传 统 的 数 字 系 统 测 试 方 法 来 解 决 , 它 已 属 于 模 拟 信 号 的 诊 断 范 畴 。2. 尽 管 数 字 IC 的 发 展 迅 速 , 但 在 一 个 完 整 的 系 统 中 , 模 拟 电 路 不 可 能 完 全 被 替 代 , 据 统 计 , 系 统 中 模 拟 电 路 与 数 字 电 路 的 比 例 变 化 不 大 。 因 此 一 个 系 统 中 存 在 模 拟 电 路 与 数 字 电 路的 混 合 结 构 的 情 况 越 来 越 多 , 甚 至 在 一 个
40、 印 刷 电 路 板 或 一 个 IC 中 也 都 具 有 模 拟 电 路 和 数 字 电 路 的 混 合 结 构 。 此 时 不 仅 测 试 混 合 结 构 中 的 模 拟 电 路 需 要 模 拟 电 路 的 测 试 理 论 和 方 法 , 而 且 在 测 试 混 合 结 构 中 的 数 字 电 路 时 也 涉 及 到 有 关 模 拟 电 路 的 测 试 方 法 。3. 超 大 规 模 模 拟 电 路 ( An alog V LSI ) 的 发 展 对 模 拟 电 路 的 测 试 提 出 了 急 迫 的 需 求 。 这 包括 VLSI 研 制 和 生 产 过 程 中 的 三 个 阶 段 。
41、首 先 在 IC 的 实 验 研 制 阶 段 , 为 使 实 验 样 品 满 足 预 定的 设 计 指 标 , 需 要 对 它 作 不 断 的 修 改 和 完 善 , 则 必 须 对 样 品 作 全 面 测 试 , 以 定 位 其 中 不 合 适 的或 不 合 格 的 “器 件” , 分 析 原 因 , 改 进 工 艺 。 其 次 在 生 产 过 程 中 , 为 了 降 低 成 本 提 高 成 品 率 , 往 往 采 取 两 个 措 施 : 一 是 加 强 中 间 测 试 , 以 及 时 淘 汰 不 可 能 合 格 的 半 成 品 ; 二 是 在 一 个 芯 片 上 设 置若 干 冗 余 的
42、“器 件” 或 “部 件” , 如 果 检 测 出 一 些 “ 器 件” 是 不 合 格 的 , 则 可 以 用 冗 余 “器 件” 去 替 代 它 们 。 例 如 在 一 个 用 模 拟 电 路 组 成 的 人 工 神 经 元 网 络 中 , 其 节 点 数 ( 不 是 一 般 网 络 中 的 节 点 含 义 , 而 是 指 运 算 器 ) 是 很 多 的 , 如 果 其 中 一 个 节 点 损 坏 即 为 废 品 , 则 成 品 率 太 低 了 。 采 用 上 述 补 救 方 法 显 然 可 大 幅 度 提 高 成 品 率 。 可 以 看 出 , 实 施 这 个 方 案 的 关 键 技 术
43、 之 一 就 是 模 拟 器 件 或功 能 模 块 的 测 试 。 最 后 一 个 阶 段 是 IC 的 成 品 测 试 , 由 于 现 在 有 些 模 拟 IC 是 超 大 规 模 的 , 测 试 的 参 数 相 当 多 , 依 赖 常 规 的 设 计 和 测 试 设 备 是 难 以 胜 任 的 , 不 仅 测 试 速 度 低 , 而 且 有 的 参 数 不易 测 。 因 此 需 要 研 究 新 的 测 试 方 法 和 IC 的 可 测 性 设 计 问 题 。 换 句 话 说 , 要 发 展 模 拟 电 路 的 V LSI , 模 拟 系 统 的 测 试 和 诊 断 是 其 不 可 回 避
44、的 课 题 。4. 随 着 电 子 工 业 的 发 展 , 电 子 设 备 的 复 杂 性 越 来 越 高 , 且 其 中 的 模 拟 器 件 和 电 路 不 可 缺少 ( 多 数 故 障 也 出 现 在 模 拟 器 件 上 ) , 对 这 种 设 备 的 维 修 和 保 养 十 分 复 杂 , 耗 费 精 力 财 力 , 但 却 是 为 保 证 系 统 正 常 运 行 不 可 缺 少 的 。 据 用 户 反 映 , 对 这 类 设 备 的 维 修 和 保 养 所 投 入 的 经 费 已超 过 了 原 先 购 置 这 些 设 备 的 投 资 。 因 此 在 工 业 部 门 , 尤 其 是 军
45、事 工 业 部 门 , 对 这 种 复 杂 设 备 的 维 修 已 提 出 了 十 分 迫 切 的 要 求 , 需 要 增 加 故 障 诊 断 与 故 障 预 报 的 附 加 设 备 , 以 减 轻 维 修 人 员 的 压 力 , 进 一 步 提 高 可 靠 性 , 降 低 维 修 和 保 养 的 费 用 。综 上 所 述 , 工 业 生 产 对 模 拟 电 路 提 出 了 新 的 更 高 的 要 求 , 微 电 子 技 术 的 迅 猛 发 展 对 模 拟 电 路 的 测 试 和 诊 断 也 提 出 了 急 迫 的 需 求 , 这 就 迫 使 科 技 人 员 进 一 步 探 索 新 的 测 试
46、 理 论 和 方 法 , 研 制 新 的 测 试 设 备 以 适 应 社 会 的 需 求 。 可 以 预 见 , 在 今 后 的 五 至 十 年 之 中 , 世 界 上 对 模 拟 电 路 的 测 试 和 故 障 诊 断 的 研 究 会 有 很 大 的 发 展 。1.2 模 拟 电 路 测 试 与 故 障 诊 断 方 法 的 分 类一 、 故 障 的 分 类在 模 拟 电 路 中 , 故 障 可 分 为 两 大 类 : 一 类 称 为 硬 故 障 , 指 元 件 的 开 路 和 短 路 失 效 故 障 ; 另 一 类 称 为 软 故 障 , 指 元 件 的 参 数 超 出 预 定 的 容 差
47、范 围 , 一 般 它 们 均 未 使 设 备 完 全 失 效 , 例 如 , 由 于 元 件 的 老 化 、 变 质 或 使 用 环 境 的 变 化 等 造 成 的 元 件 参 数 变 化 。严 格 地 说 , 网 络 中 元 件 产 生 硬 故 障 已 改 变 了 网 络 的 拓 扑 结 构 , 但 在 模 拟 电 路 故 障 诊 断 中 仍 将 它 们 看 成 是 元 件 ( 支 路 ) 的 故 障 。 电 路 中 发 生 硬 故 障 , 经 常 导 致 系 统 严 重 失 效 , 甚 至 完 全 瘫痪 , 而 发 生 软 故 障 一 般 仅 引 起 系 统 性 能 的 异 常 或 恶
48、化 , 因 此 对 硬 故 障 的 检 测 与 诊 断 比 软 故 障 要 4 容 易 些 , 可 诊 断 软 故 障 的 方 法 一 般 也 可 诊 断 硬 故 障 , 因 为 硬 故 障 可 看 成 是 软 故 障 的 一 个 特 例 。 按 电 路 中 存 在 的 故 障 数 来 区 分 , 可 将 故 障 分 为 单 故 障 和 多 故 障 。 据 统 计 , 在 实 际 应 用 中 , 电 子 设 备 发 生 单 故 障 的 概 率 是 故 障 总 数 的 7080 % , 而 且 一 些 多 故 障 往 往 又 是 相 互 联 系 的 , 因 此 有 时 也 可 当 作 单 故 障
49、 处 理 。 例 如 一 支 晶 体 三 极 管 是 一 个 三 端 口 网 络 , 其 主 要 参 数 是 输 入 电阻 rB E 和 电 流 增 益 , 如 果 一 个 三 极 管 BE 结 击 穿 。 则 rB E 和 两 个 参 数 均 异 常 , 在 故 障 诊 断 中 常 作 为 两 个 故 障 处 理 , 而 事 实 上 此 时 只 有 一 个 元 件 故 障 , 因 此 不 必 区 分 是 rB E 故 障 , 还 是 故障 , 二 者 作 为 一 个 故 障 处 理 即 可 满 足 实 际 要 求 。 二 、 模 拟 电 路 测 试 的 主 要 任 务一 般 地 说 , 模 拟 电 路 测 试 ( Test ) 应 完 成 下 述 三 个 方 面 的 工 作 :1. 故 障 检 测 ( Fault Detection)根 据 所 采 集 到 的 数 据 以 及 已
