一种基于信号相关分析的模拟电路故障诊断方法_李纪敏

26卷 第2期2009年2月微电子学与计算机M ICROELECTRONICS &COM PUTERVol.26 No.2F ebruary 2009收稿日期:2008-04-21一种基于信号相关分析的模拟电路故障诊断方法李纪敏1,2,尚朝轩1,孟宪国1(1军械工程学院光学与电子工程系,河北石家庄050003;2中国白城兵器试验中心,吉林白城137001)摘 要:模拟电子电路集成度日益提高,使得某些电路内部节点存在不可及性,针对这种电路,提出了一种基于信号相关分析的模拟电路故障诊断方法.将伪随机噪声信号作为模拟电路的测试激励信号,利用电路正常情况下与电路故障状态下输出响应之间的残差信号作为故障特征,通过信号相关分析实现对电路的故障检测与故障定位.仿真实验分析证明该方法操作简单,有较好的在线诊断能力,适用于诊断电路中的硬故障和软故障,能够达到较高的故障覆盖率.关键词:伪随机噪声信号;互相关系数;故障诊断;m 序列中图分类号:T N 43 文献标识码:A 文章编号:1000-7180(2009)02-0021-04Application of Signal Correlation Analysis in Fault Diagnosis of Analog CircuitsLI J -i min 1,2,SHANG Chao -xuan 1,MENG Xian -guo 1(1Department of Opt ical &Electronic Engineering,Ordnance Engineer ing Colleg e,Shijiazhuang 050003,China;2Baicheng Or dnance T est Center of China,Baicheng 137001,China)Abstract:T he integration of analog electr onic circuits i s more and more improved,so the no des in some system are inac -cessible.Aiming to the system,fault diagnosis method for analog circuits based on signal corr elatio n analysis is introduced in the paper.T he test stimulus signal for analog circuit is the pseudorando m no ise signal.F ault character is the err or signal between the normal output response and the output response in fault state.F ault detection and fault identification is achiev ed by cross -correlation analysis betw een the measurement signal and fault character in fault database.T he simulation r esult showed t hat the metho d is simple and have a good online diagnosis capabilit y.So ft -fault is diagnosed by the method and the fault coverage is hig her than other met hods.Key words:pseudor andom noise signal;cross -corr elation coefficient;fault diag nosi s;m -sequence1 引言随着模拟电子技术的飞速发展,电子电路集成化程度和制版工艺逐渐提高,电路的功能化和模块化趋势日益明显[1],元件的密集度不断增加,从而导致电路内部可及节点越来越少,甚至有些电路内部不存在可及节点,这给模拟电路的检测和故障诊断技术提出了新的挑战[2].虽然传统的交流故障字典法可以利用外部端口测试的方法完成故障诊断,但该方法需要改变测试激励的频率作多次测试,诊断过程复杂,测试时间较长.因此,如何利用模拟电路有限的可及节点快速、有效诊断模拟电路内部的故障是该领域内亟待解决的问题.文中以伪随机噪声信号(Pseudorandom Noise,PRN)作为模拟电路诊断激励信号,研究了一种基于信号相关分析的模拟电路故障诊断方法.故障特征取自正常状态和故障状态下输出响应之间的残差信号,不同的残差信号反映了电路处于不同的故障状态,通过电路的状态观测,利用信号相关分析实现对电路的故障定位.该方法进行故障诊断时仅需要输入端口和输出端口两个测试节点,并且不需要进行多次测试,适用于诊断大规模集成电路,能够较好的应用于工程实际.2 测试激励信号的生成基于信号相关分析的模拟电路故障诊断方法采用的测试激励信号为伪随机噪声信号,伪随机噪声信号是一种确定的连续周期信号,其信号在一个周期内具有类似于随机信号的统计特征,故得名/伪随机噪声信号0.伪随机噪声信号通常采用数字的方法生成,其信号源为最大长度二进制伪随机序列.最大长度二进制伪随机序列又被称为m 序列,这种序列一般采用线性反馈移位寄存器电路生成.对于任意一个n 位的线性反馈移位寄存器(The Linear Feedback Shift Reg ister,LFSR ),根据有限域特征多项式的本原多项式p 0x 0+p 1x 1+p 2x 2+,+p n x n的系数p i (i =0,1,2,,,n),连接异或门反馈所形成的伪随机序列发生电路,均可生成最大长度为N (N =2n -1)的m 序列[3].若线性反馈移位寄存器的时钟周期为$t,则生成m 序列的周期为T =N $t.生成m 序列的LFSR 通用结构如图1所示,它由n 个存储器单元或寄存器级联构成.图1 生成m 序列的LFSR 通用结构m 序列具有良好的伪随机性[4]:在n 级m 序列的一个周期内,1出现的次数恰为2n-1,而0出现的次数为2n-1-1;m 序列的游程总数等于2n-1,其中0游程与1游程的数目各占一半,并且,对于n >2,当1<i <n -2时,长为i 的游程占游程总数的1/2i;两个彼此移位等价的相异的m 序列之模2相加仍为m 序列,并与原m 序列移位等价.利用m 序列的这些特性可以生成具有类似于高斯噪声统计特性的伪随机噪声信号.在生成m 序列的LFSR 结构中,每个移位寄存器中所有/00和/10的可能组合只会发生一次,且/00和/10的数目服从二项式分布,所以,在生成m 序列的反馈移位寄存器结构中,每一级线性反馈移位寄存器的输出都是一个最大长度二进制伪随机序列,且依次相差一个时钟周期.在线性反馈移位寄存器的输出端加上负载电路,则其输出是/0~3.5V 0的单极性信号,要想得到符合要求的激励信号,须将单极性信号转化为双极性电压信号,经过转换后,对移位寄存器的各级输出信号进行叠加,便可以得到用于模拟电路故障诊断的伪随机噪声信号.对于伪随机噪声信号,不同的初始状态产生的信号之间只是存在一个固定的相移,因此截取任何长度为T 的部分均是信号的一个周期.例如,当反馈移位寄存器个数n =7,时钟周期$t =10ms 时,生成的伪随机噪声信号如图2所示.图2 伪随机噪声信号(n =7、$t =10ms)根据De M oivre -Laplace 定理,如果一个随机变量是多个独立的服从二项式分布的随机变量之和,那么这个总和近似服从高斯分布.各个二进制伪随机序列是相互独立的二进制序列,所以生成的伪随机噪声信号在一个周期内其幅度近似服从高斯分布.因此该信号幅度可以根据被测电路的需求进行设计,适合作为模拟电路的测试激励信号.3 基于信号相关分析的故障定位方法利用伪随机噪声信号激励模拟电路,如果电路中存在故障,测得的残差信号一定是随机信号.判断两个随机信号的相似性最有效的方法是相关分析法.相关分析[5]是用相关系数来表示两个变量间相互的直线关系,并判断其密切程度的统计方法.设e f (t )代表被测电路实际输出响应与正常状态下输出响应的残差信号,e f i (t)表示故障数据库中电路在第i 种故障状态下的故障残差信息,这两个信号都是能量有限的确定性信号,互相关系数的定义如下:Q =E T t=0e f (t)e f i (t)/[ETt=0e 2f (t )E Tt=0e 2f i (t)]1/2(1)式中,T 代表测试时间.相关系数Q 没有单位,表征了两序列之间的关联程度,其绝对值在0~1范围内变动.当Q =0时,信号e f (t)和信号e f i (t)不相关;Q =1时,信号e f (t )、e f i (t )完全相关.除此之外,Q 取值越接近1,说明残差信号e f (t)和e f i (t)的关联性越强;Q 取值22微电子学与计算机2009年越接近0,说明信号e f (t )和e f i (t)的关联性越弱.文中利用相关系数来定量描述某一故障下的得到的残差信号和故障数据库中残差信号之间的差异.利用相关分析法进行故障识别需要建立两个故障信息库,一个是残差信号库;另一个是不同故障状态对应残差信息之间的互相关系数列表.残差信息库存储的是电路在各种故障状态下对应的残差信号.通过对电路仿真建立残差信息库后,求取信息库中所有残差信号之间的互相关系数,构建不同故障状态之间的互相关系数表,作为故障特征列表.在进行故障诊断时,给被测电路输入同样的伪随机噪声信号,以同样的方式获取电路在该激励信号下的残差信号,然后通过残差信号分析电路中的故障.如果残差信号恒为零值,则电路处于正常状态;如果残差信号为非零信号,则电路中一定存在故障,这时需进一步利用故障信息库进行故障诊断.计算测试所得的残差信号与残差信息库中的任意一个残差信号之间的互相关系数,查互相关系数列表,就可以大致确定电路中出现的故障.然后取该故障对应的残差信号,再计算该信号与测试所的残差信号之间的互相关函数,如果计算得到两个残差信号之间的互相关系数Q =1,则依据故障信息可确认电路中出现的故障状态.利用这种方法进行故障识别,测后仅需要进行两次互相关系数的计算,计算量较小,适合进行电路的在线诊断.4 仿真实例分析仿真实例电路选用ITC .97国际标准电路中的CTSV 滤波器,如图3所示,其中各元件参数分别为:R1=R2=R3=R4=R5=10k,R6=3k,R7=7k,C1=C2=20nF.电路仿真在PSpice 环境下完成[6].图3 CT SV 滤波器电路对该电路进行故障诊断的第一步是确定测试激励,进行故障仿真.测试激励)))伪随机噪声信号的参数是根据被测电路的频率参数确定的.该滤波器电路的频率响应的截止频率X h =934.43Hz,调整时间T s =2@10-3s,根据测试激励信号周期必须大于电路调整时间的原则,取时钟周期$t = 4.8@10-5s,信号长度N =63,生成该激励信号所需要的移位寄存器的个数n =6,所以伪随机噪声信号的周期为T =N @$t =3.024@10-3s设计激励信号生成电路,进行仿真,电路在伪随机激励信号作用下滤波器正常状态的输出响应曲线如图4所示.图4 电路在正常状态下的输出响应为了充分验证信号相关分析法在模拟电路故障诊断应用中的有效性,选择了9种典型的故障状态进行分析,这些故障包含电路元件的硬故障和参数故障.由于篇幅有限,图5中只列出了两种故障状态的残差信号.表1内容为电路在各种故障状态下残差信号之间的互相关系数.图5 电路故障状态下的残差信号表1中,/C160%0表示电路元件C1的参数变为正常参数的60%,属于电路参数故障的范畴.下面利用该故障列表进行故障诊断,假设电路中出现了故障(故障原因不明),首先要利用事先确定的伪随机噪声信号激励被测电路,计算出在该故障状态下的残差信号,求取该残差信号与/R1开路0情况下对应的残差信号的互相关系数,如果系数为/0.87650,则可以初步确定电路中的故障为/R6开路0,取/R6开路0对应的残差信号,计算该信号与测量所得信号之间的互相关系数,进一步确定电路中的故障状态[6].从表1中可以看出,利用互相关系数法可以较容易的辨识电路系统中的故障.作为比较,文中采用交流激励对该电路进行了诊断(设定的故障状态相23第2期李纪敏,等:一种基于信号相关分析的模拟电路故障诊断方法同),利用交流信号作为电路的激励信号,将电路幅频特性作为电路的故障特征,需要选择三个以上的频率值进行测量才能够隔离设定的故障状态,故障诊断的时间较长.实例验证表明基于信号相关分析的模拟电路故障诊断方法对于模拟集成电路比较有效.表1电路在各种故障状态下互相关系数表故障R1开路R2短路C160%C230%R350%R450%R580%R6开路R7开路R1开路10.98990.30240.19560.25760.21330.28670.87650.0867 R2短路0.989910.31340.20140.26450.21920.29220.88980.0755 C160%0.30240.313410.88050.91050.8690.95870.50080.6411 C230%0.19560.20140.880510.96250.99520.84870.41770.4617 R350%0.25760.26450.91050.962510.96920.88860.46910.5341 R450%0.21330.21920.86900.99520.969210.84070.43380.4457 R580%0.28670.29220.95870.84870.88860.840710.40810.6773 R6开路0.87650.88980.50080.41770.46910.43380.408110.0539 R7开路0.08670.07550.64110.46170.53410.44570.67730.053915结束语文章提出了一种基于信号相关分析的模拟电路故障诊断方法.首次将伪随机激励信号引入到模拟电路故障诊断中,伪随机噪声信号是一种具有随机特性的连续周期信号,可最大限度的提取模拟电路的故障特征;在故障识别上采用相关分析法判断两个固定波形之间的相似程度,取得了较好的故障辨识效果.而且利用该方法进行故障诊断不需要在电路内部选择测试节点,消除了可测试点数目受限对模拟电路故障诊断的影响.由于测试激励信号的生成电路比较简单,所以也可以将该电路作为BIST 模块用于模拟电路系统的可测性设计中.参考文献:[1]申华.集成电路可测性设计中网表的解析与实现[J].中国集成电路,2007,97(6):54-57.[2]汪鹏,杨士元.电流源激励下的模拟电路端口电压测试方法[J].微电子学与计算机,2006,23(8):4-9.[3]N ing Zhou,Pierre J W.W av eform generation o f time-limited pseudo-random signals[J].Digital Signal Process-ing Wor kshop,2006(9):197-202.[4]李春霞,王飞雪,郭桂蓉.一阶动态条件下伪随机码信号相关函数研究[J].电子学报,2007,35(9):1789-1793.[5]M adanizadeh Seyed A li,N ayebi M ohammad M ahdi.Signaldetection using the cor relation coefficient in fr actal g eome-try[C]//2007IEEE Radar Conference.U SA:Stanford U niversity,2007,(4):481-486.[6]汪汉新,朱翠涛,陈亚光.基于PSpice的电路优化设计方法的研究与应用[J].微电子学与计算机,2007,24(1):110-115.作者简介:李纪敏女,(1981-),博士研究生.研究方向为电子系统性能检测与故障诊断.尚朝轩男,(1964-),教授,博士生导师.研究方向为雷达信号处理.孟宪国男,(1979-),博士研究生.研究方向为武器系统性能仿真.24微电子学与计算机2009年。