大規(guī)模數(shù)字模擬電路邏輯故障診斷與可靠性設(shè)計實驗報告

1、大規(guī)模數(shù)字模擬電路邏輯故障診斷與可靠性設(shè)計實驗大規(guī)模數(shù)字模擬電路邏輯故障診斷與可靠性設(shè)計實驗報告學(xué)生姓名：學(xué) 號：同組成員： 2011年12月18日 20 / 20目錄第一部分：數(shù)字電路系統(tǒng)故障診斷與可靠性設(shè)計11 偽窮舉法數(shù)字邏輯電路故障診斷11.1 實驗?zāi)康?1.2 實驗原理11.3 實驗內(nèi)容21.4 實驗設(shè)備21.5 實驗步驟21.6 實驗結(jié)果分析42 故障字典法數(shù)字邏輯電路故障診斷52.1 實驗?zāi)康?2.2 實驗原理52.3 實驗內(nèi)容52.4 實驗設(shè)備62.5 實驗步驟62.6 實驗結(jié)果分析73 布爾差分法數(shù)字邏輯電路的故障診斷83.1 實驗?zāi)康?3.2 實驗原理83.3 實驗內(nèi)容10

2、3.4 實驗設(shè)備103.5 實驗步驟103.6 實驗結(jié)果分析12第二部分：模擬電路系統(tǒng)故障診斷與可靠性設(shè)計實驗131 故障字典法測試模擬電路系統(tǒng)故障131.1 實驗?zāi)康?31.2 實驗原理131.3 實驗設(shè)備141.4 實驗內(nèi)容141.5 實驗結(jié)果分析171.6 思考題19第三部分：總結(jié)、實驗心得20大規(guī)模數(shù)字模擬電路邏輯故障診斷與可靠性設(shè)計實驗第一部分：數(shù)字電路系統(tǒng)故障診斷與可靠性設(shè)計1 偽窮舉法數(shù)字邏輯電路故障診斷1.1 實驗?zāi)康?) 理解窮舉法和偽窮舉法在測試組合邏輯電路故障中各自的優(yōu)缺點。2) 掌握用偽窮舉法測試查找組合邏輯電路故障的方法。1.2 實驗原理一個具有個原始輸入端的組合電路

3、實現(xiàn)邏輯功能，而原設(shè)計的邏輯功能為，如果對于任意設(shè)計維矢量有那么認(rèn)為所設(shè)計或使用的電路是正確的，或者說是無故障的。顯然，為了全面校核該組合電路，應(yīng)把所有可能的都作為輸入矢量，然后觀察其輸出（響應(yīng)）是否與原設(shè)計相符，以鑒別其是否有故障，這種做法叫窮舉法。窮舉法可以檢測電路中所有可能的故障，但由于其測試的工作量太大，因此在實際應(yīng)用上，尤其是對大型電路的測試存在困難，甚至是不現(xiàn)實的。窮舉法雖然有測試費時的缺點，但是它具有測試矢量產(chǎn)生簡單，故障檢測率高等顯著的優(yōu)點，故一直對研究人員有很大的吸引力。針對上面介紹窮舉法具有測試工作量大的缺點，偽窮舉法應(yīng)運而生。偽窮舉法的主要思路是把電路分割成若干小塊，以便

4、減少測試所用的輸入矢量數(shù)目。圖1 電路圖如圖1所示，該電路有4個原始輸入端，因此用窮舉法測試應(yīng)施加個不同的測試矢量。現(xiàn)在把電路B點分開，變成2個子電路，斷開點B對于門來說是一個偽輸入端，用記之。為了窮舉測試門，必須有4個測試矢量。同時為了能在可及端處觀察到B點的變化情況，A的電平需要是0電平，這僅需或者即可實現(xiàn)，因此總的測試矢量數(shù)是4個。為了窮舉測試除以外的電路，除原始輸入端和以外還有偽輸入端，相當(dāng)于有3個輸入端，因此共需個測試矢量。因此測試完整個電路共需要個輸入矢量，這已經(jīng)比一般的窮舉法測試需要的16個輸入矢量少了4個。事實上精心選擇只需要8個輸入矢量即可窮舉測試完全部電路。因為這兩個子電路

5、的有些測試矢量是相容的。1.3 實驗內(nèi)容利用窮舉法和偽窮舉法分別對下面電路進行故障測試，并定位故障。1.4 實驗設(shè)備1) 數(shù)字電路系統(tǒng)故障診斷實驗裝置2) 計算機及實驗控制軟件3) 直流穩(wěn)壓電源1.5 實驗步驟1) 檢查無誤后通電。2) 運行數(shù)字電路系統(tǒng)故障診斷實驗控制軟件，進入實驗1的界面，如圖2所示。圖2 “數(shù)字電路系統(tǒng)故障診斷-偽窮舉法”操作界面3) 寫出“OUT701”的布爾函數(shù)表達(dá)式：OUT701 = IN701·IN702·IN703·IN7044) 按操作界面的“正常”命令按鈕，使電路工作在正常狀態(tài)，用窮舉法測試，寫出輸入測試向量和輸出結(jié)果如表1所示

6、。表1 測試向量及結(jié)果IN701IN702IN703IN704OUT701OUT702OUT70300000110001011001001000110100100011010101101100110111010100001110010111010010101101011000011101001111000011111005) 如果采用偽窮舉法，分別寫出“OUT702”、“OUT703”、“OUT704” “OUT705”、“OUT706”故障分別為（s-a-1）和（s-a-0）下的測試向量并驗證查找“故障1”和“故障2”的故障節(jié)點。令A(yù)=IN701，B=IN702，C=IN703，D=IN70

7、4，則各節(jié)點測試向量如表2。表2 各節(jié)點測試向量輸出信號布爾表達(dá)式故障類型測試向量OUT701/702/703ABCD正常故障1故障2OUT702s-a-000110/1/00/1/01/1/001110/1/00/1/01/1/010110/1/00/1/01/1/0s-a-111111/0/00/0/01/0/0OUT703s-a-011010/0/10/0/11/0/1s-a-111111/0/00/0/01/0/0OUT704s-a-000010/1/10/1/11/1/100110/1/00/1/01/1/001010/1/10/1/11/1/101110/1/00/1/01/1/0

8、10010/1/10/1/11/1/110110/1/00/1/01/1/011010/0/10/0/11/0/1s-a-111111/0/00/0/01/0/0OUT705s-a-000000/1/10/1/10/1/100010/1/10/1/11/1/100100/1/00/1/00/1/000110/1/00/1/01/1/001000/1/10/1/10/1/101010/1/10/1/11/1/101100/1/00/1/00/1/001110/1/00/1/01/1/010000/1/10/1/10/1/110010/1/10/1/11/1/110100/1/00/1/00/1/

9、010110/1/00/1/01/1/11000/0/10/0/10/0/111010/0/10/0/11/0/111100/0/00/0/00/0/0s-a-111111/0/00/0/01/0/0OUT706s-a-011100/0/00/0/00/0/0s-a-111111/0/00/0/01/0/01.6 實驗結(jié)果分析比較正常狀態(tài)與故障1狀態(tài)輸出結(jié)果可以得到（1111）時，正常輸出為1，故障1輸出為0，此時發(fā)生故障，其他15種情況都與正常同。而（1111）所對應(yīng)的測試的時節(jié)點的（s-a-1）故障，說明在節(jié)點必為（s-a-1）故障。由于OUT702，OUT703，OUT704，OUT70

10、5，OUT706檢測（s-a-1）故障的節(jié)點有且僅有（1111），所以無法分辨（s-a-1）故障最終在哪個節(jié)點發(fā)生（s-a-1）故障，故故障1檢測為（s-a-1）故障，但無法確定故障節(jié)點的位置。比較正常狀態(tài)與故障2狀態(tài)輸出結(jié)果可以得到（0000）,（0011）,（0101）,（0111）,（1001）,（1011）,（1101）這七種輸出時，電路發(fā)生故障。通過上表可以得出這些點都時判斷（s-a-0）故障的，所以故障2為（s-a-0）故障，這7種輸出分別在OUT702，OUT703，OUT704中，所以故障節(jié)點為OUT702，OUT703，OUT704中的一個。因為是單故障系統(tǒng)，所以假設(shè)特定某一

11、個節(jié)點故障，則其他都應(yīng)該時正常的?，F(xiàn)假設(shè)OUT702為（s-a-0）故障，則OUT703，OUT704為正常。屬于OUT702的判據(jù)為（0011）（0111）（1011）。（0111）,（1001）,（1011）,（1101）是OUT703，OUT704的判據(jù)，如果假設(shè)成立，則這4種情況也應(yīng)該正常，假設(shè)矛盾，說明假設(shè)不成立。同理OUT703也是如此，所以故障的一定時OUT704，這7種情況均為OUT704對應(yīng)（s-a-0）故障的判據(jù)。所以可得故障2為(s-a-0)故障，故障節(jié)點是OUT704。2 故障字典法數(shù)字邏輯電路故障診斷2.1 實驗?zāi)康?) 理解故障字典法的原理。2) 掌握用故障字典法測

12、試查找組合邏輯電路故障的建立方法和原則。2.2 實驗原理數(shù)字電路故障診斷的關(guān)鍵是建立故障字典，主要步驟如下：1) 數(shù)字電路按功能分塊，原則是：a) 當(dāng)多路輸入?yún)R聚于某個器件且該器件的輸出為新的器件的匯聚點時，則多路輸入和匯聚器件劃分為一個功能塊。b) 當(dāng)多路輸入?yún)R聚于某個器件且該器件的輸出不為新的器件的匯聚點時，則重匯聚器件的輸出傳遞到新的匯聚器件之前的電路劃分為一個功能塊。c) 對簡單的幾個匯聚疊加器件可以合并為一個功能塊。2) 生成測試向量，對每個功能塊生成測試向量，在各功能塊測試向量的生成過程中，可以采用兩種思路來簡化：一是考慮功能塊在個輸入端選擇一個共同的基向量，二是基于器件可能的工作

13、狀態(tài)來窮舉測試向量。3) 按功能塊的輸入、輸出關(guān)系進行測試碼的迭代。迭代方法：從最后一級功能塊開始，根據(jù)后一級功能塊的輸入對前一級功能塊的輸入要求，從前一級功能塊中列出滿足后一級功能塊要求的輸入狀態(tài)的組合。當(dāng)前以及輸入狀態(tài)的組合不能在后一級功能塊的輸出中完全列出時，將后一級功能塊的測試碼對應(yīng)的狀態(tài)進行重復(fù)列寫。2.3 實驗內(nèi)容利用故障字典法對實驗電路進行故障測試，并定位故障。2.4 實驗設(shè)備1) 數(shù)字電路系統(tǒng)故障診斷實驗裝置。2) 計算機及實驗控制軟件。3) 直流穩(wěn)壓電源。2.5 實驗步驟1) 檢查無誤后通電。2) 運行數(shù)字電路系統(tǒng)故障診斷實驗控制軟件，進入實驗2的界面，如圖3所示。圖3“數(shù)字

14、電路系統(tǒng)故障診斷-故障字典法”操作界面3) 寫出“OUT501” 、“OUT502” 、“OUT503”、的布爾函數(shù)表達(dá)式。=，OUT501OUT502OUT5034) 根據(jù)圖中電路，分別寫出“OUT504”、“OUT506”，“OUT508”3個節(jié)點在故障為（s-a-1）、（s-a-0）故障的情況下的輸入測試矢量，使得該節(jié)點的故障能夠傳輸?shù)捷敵龆恕癘UT501” 、“OUT502” 、“OUT503”。表3 OUT504在故障為（s-a-1）、（s-a-0）故障的情況下的輸入測試矢量故障輸 入IN5XX故障輸出OUT5XX正常輸出OUT5XX0102030405060708091011010

15、203010203s-a-100001100100011010s-a-011001100100010011表4 OUT506在故障為（s-a-1）、（s-a-0）故障的情況下的輸入測試矢量故障輸 入IN5XX故障輸出OUT5XX正常輸出OUT5XX0102030405060708091011010203010203s-a-1000011001000110 10s-a-000000100100110111表5 OUT508在故障為（s-a-1）、（s-a-0）故障的情況下的輸入測試矢量故障輸 入IN5XX故障輸出OUT5XX正常輸出OUT5XX01020304050607080910110102

16、03010203s-a-100001110100110111s-a-0000011001000110105) 根據(jù)以上建立的故障字典，在計算機實驗控制軟件上驗證正常情況下的輸出是否正確。6) 選定“故障1”按鈕，分別輸入上面建立的故障字典，根據(jù)輸出判定電路的故障。7) 選定“故障2”按鈕，分別輸入上面建立的故障字典，根據(jù)輸出判定電路的故障。表6 第5、6、7步的輸出結(jié)果節(jié)點輸 入IN5XX故障1故障2正常1234567891011123123123OUT5040000110010001101001000000100100011010011OUT5060000110010001101101000

17、000100100011010111OUT50800111111011111111010001111001000110101112.6 實驗結(jié)果分析根據(jù)輸出結(jié)果與故障字典對比可知：1) 故障1可能為OUT504的s-a-1故障，OUT506的s-a-1故障或OUT508的s-a-0故障；2) 故障2為OUT504的s-a-0故障。3 布爾差分法數(shù)字邏輯電路的故障診斷3.1 實驗?zāi)康?) 理解布爾差分法的診斷故障原理2) 掌握布爾差分法邏輯電路故障診斷方法3.2 實驗原理應(yīng)用布爾差分法對組合邏輯電路進行單故障診斷，布爾差分法是組合邏輯電路測試矢量生成的一種方法。對布爾函數(shù)：定義：3.2.1一階布

18、爾差分定義為相對于變量的差分。這個定義說明：當(dāng)變量從變成時，函數(shù)與之間的差異量，由于變量是離散變量，它在變化時不存在“極限量”，因此其導(dǎo)數(shù)也就稱為差分。事實上，如變量集X中含有變量和其他的變量，則式？求的是它的一階偏差分。但由于兩者的求法和均值相同，這里也就不再加以區(qū)分。定義了函數(shù)對于的一價布爾差分后，則可得到診斷故障和的測試矢量分別為：其中的計算公式為：3.2.2一階布爾差分的性質(zhì)1)證明：2) ，其中，均是的函數(shù)證明：3) ，其中，均是的函數(shù)證明：4) ，其中，均是的函數(shù)證明：5) 如果函數(shù)中沒有變量，則，證明：由于中沒有變量，所以有：，則 ，6) 如果是變量的函數(shù)，而又是變量和的函數(shù)，則

19、測試故障和的測試矢量集分別為：， 3.3 實驗內(nèi)容1) 利用布爾差分法求診斷故障的測試矢量集。2) 利用計算機中的測試工具對實驗電路進行定位，確定故障模式。3.4 實驗設(shè)備1) 數(shù)字電路系統(tǒng)故障診斷實驗裝置。2) 計算機及實驗控制軟件。3) 直流穩(wěn)壓電源。3.5 實驗步驟1) 檢查無誤后通電。2) 運行數(shù)字電路系統(tǒng)故障診斷實驗控制軟件，進入實驗3的界面，如圖4所示。圖4“數(shù)字電路系統(tǒng)故障診斷-布爾差分法”操作界面為書寫方便，圖中OUT601用字母表示，OUT602用字母表示，IN601用表示，IN602用表示，IN603用表示，IN604用表示。3) 寫出“”關(guān)于“”和輸入的布爾函數(shù)表達(dá)式。=

20、4) 寫出“OUT602”關(guān)于輸入的布爾函數(shù)表達(dá)式。=5) 寫出輸出關(guān)于節(jié)點的一階布爾差分式。則有：6) 寫出檢測故障（s-a-1）和（s-a-0）的測試矢量集： 則測試矢量集分別為： 0，0，1，0，0，0，1，10，1，1，0，0，1，1，1，1，0，1，0，1，0，1，1，1，1，1，0，1，1，1，17) 電路驗證，分別在正常和故障1、故障2的情況下輸入故障測試矢量，并填入表7。表7 輸入的故障測試矢量輸入(IN601-IN604)輸出(OUT601)正常故障1輸出(OUT601)故障2輸出(OUT601)(0，0，1，X)010(1，0，1，X)110(0，1，1，X)110(1，1

21、，1，X)1103.6 實驗結(jié)果分析由7表可知，故障1為（s-a-1）故障，故障2為（s-a-0）故障。第二部分：模擬電路系統(tǒng)故障診斷與可靠性設(shè)計實驗1 故障字典法測試模擬電路系統(tǒng)故障1.1 實驗?zāi)康?) 學(xué)習(xí)和掌握模擬電路直流故障字典法2) 對典型模擬電路系統(tǒng)進行故障分析與診斷1.2 實驗原理模擬電路故障診斷系統(tǒng)框圖如圖5所示。主要由三部分構(gòu)成：1) 模擬電路實驗板，提供故障診斷實驗對象和故障設(shè)置。2) 數(shù)據(jù)采集卡，實現(xiàn)實驗對象節(jié)點電壓數(shù)據(jù)的采集。3) 計算機控制操作軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集顯示。圖5 模擬電路故障診斷系統(tǒng)框圖模擬電路實驗板和電路圖如圖6所示，為一個三極管典型電路，RC、RE分別

22、為集電極、發(fā)射極電阻，RB1，RB2為基極偏置電阻。圖6模擬電路實驗板和電路圖1.3 實驗設(shè)備1) 計算機、數(shù)據(jù)采集卡及實驗控制軟件。2) 數(shù)字存儲示波器。3) 大規(guī)模數(shù)字、模擬系統(tǒng)可靠性分析與故障診斷實驗裝置。4) 穩(wěn)壓電源。1.4 實驗內(nèi)容1.4.1 準(zhǔn)備工作1) 熟悉實驗裝置和實驗控制軟件的操作。2) 連接好實驗裝置電源（注意：+12V（綠色）、-12V（黃色）、+5V電源（紅色）、地（黑色），檢查是否連接無誤。如圖7所示。圖7 模擬電路系統(tǒng)電源接線圖3) 連接和計算機數(shù)據(jù)采集卡的電纜（DB37）。如圖8所示。圖8 DB37電纜和電源線連接圖4) 檢查無誤后通電。5) 運行計算機桌面上“

23、模擬電路系統(tǒng)故障診斷實驗控制軟件”，界面如圖9所示。圖9 模擬電路系統(tǒng)故障診斷實驗控制軟件界面6) 按“Next”命令按鈕進入實驗控制軟件界面。如圖10所示。圖10 模擬電路系統(tǒng)故障診斷實驗控制軟件1.4.2 建立故障字典1) 測試節(jié)點的選擇，選擇三極管的E、B、C三個極作為測試節(jié)點。2) 采集正常電路和4種故障的節(jié)點電壓值并記錄、添表，格式見表8。正常和故障按下面所示的撥碼開關(guān)位置（撥碼開關(guān)在模擬電路系統(tǒng)實驗板右下方）。如圖11黑橢圓所示。圖11 故障設(shè)置撥碼開關(guān)位置設(shè)置好一種故障后，按計算機控制軟件的“RUN”命令按鈕，程序運行完畢后即可得到相應(yīng)故障的各個節(jié)點測試電壓值。 （1）正常 （2

24、） C、E極短路 （3） 電阻RE短路 （4）B、C極短路 （5） 電阻RC短路3) 測試向量值模糊域的劃分，填寫表9。4) 模糊集的分割，填寫表10。5) 故障的隔離，填寫表11。6) 故障字典的建立1.4.3 故障分析診斷1) 該撥碼開關(guān)位置下電路采集值，添表5計算確定電路的工作狀態(tài)。2) 該撥碼開關(guān)位置下電路采集值，添表6計算確定電路的工作狀態(tài)。1.5 實驗結(jié)果分析表8 正常電路和4種故障的節(jié)點電壓值撥碼開關(guān)位置節(jié)點V_C節(jié)點V_B節(jié)點V_E（1）正常 （NOR）4.375004.985354.38477（2）C、E極短路 （F1）4.355474.975594.40430（3）電阻RE

25、短路（F2）0.039060.678710.01953（4）B、C極短路 （F3）4.882814.931644.33594（5）電阻RC短路（F4）11.835945.483404.88281表9 測試向量值模糊域的劃分1) V_C002020200.03F20020202000202020NOR4.36F14.38002020204.88F311.8400202020F42) V_B002020200.68F20020202000202020F14.93F34.98002020204.99NOR5.4800202020F43) V_E002020200.02F2002020204.34F3

26、002020204.40F100202020NORF44.88表10 模糊集分割表1231節(jié)點V_CF2F1,F3F42節(jié)點V_BF2F3,NORF43節(jié)點V_EF2F3, F1(NOR)F4表11 故障的隔離表1節(jié)點V_C1(1,2)(2,2)(3,1)2節(jié)點V_B1(1,2)(2,2)(3,1)3節(jié)點V_E1(1,2)(2,2)(3,1)2(1,1)與(2,1)對稱差2(1,1)與(2,1)對稱差2(1,1)與(2,1)對稱差3(2,1)3(2,1)3(2,1)4(1,2)(3,2)4(1,2)(3,2)4(1,2)(3,2)5(1,3)5(2,3)5(3,3)利用線性代數(shù)廣義距離的概念確定在要求的撥碼開關(guān)位置下電路采集值到各個故障模糊集的距離，確定電路的工作狀態(tài)如下：節(jié)點電壓值：（1）V_C =4.48366V； （2）V_B = 4.98248V； （3）V_E =4.56372VSSD（NOR）=0.00021518SSD（F1）=0