模拟电路
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模拟电路范文第1篇
1 开发自制实验系统的必要性
实验教学体系和内容在工科高校人才培养中占有重要地位，为了适应国家对创新型人才培养的要求，实验仪器设备必须满足实验教学体系和教学内容变化的要求，而目前市面上配套的实验设备价格较贵，不能满足我们对实验各个层次的要求以及学生个性化发展需求，因此开发先进自制配套的仪器设备对高校来说显得尤为重要。
我校电气信息类教师对电子技术实验越来越重视，不断探索开发新的实验项目，改进实验内容，提升实验层次。结合我校国家级电工电子实验教学示范中心建设和山东省高等学校教学改革项目“电工电子创新性实验项目的开发与教学模式研究（2009227）”工作，我校在电工电子实验的教学理论和实验项目建设以及实验教学仪器开发、实验管理制度和信息化平台建设等方面做了大量工作，构建了“研究性、自主性、开放性”三位一体的电工电子实验教学模式，将实验项目分为基础、新技术、综合三个层次。学校鼓励青年教师自制实验仪器设备，给予了大力支持。笔者承担了自制50套模拟电路系统的任务，根据自制实验仪器的任务要求，经过1年多的设计和反复调试，模拟电路系统成功应用于电气信息类及相关专业本科生的实验教学中，每年完成2万多小时的实验教学，而且效果良好，受到师生们的好评。
2 模拟电路实验系统的设计和平面分布图
基于实验项目基础、新技术和综合三个层次的要求，我们开发的模拟电路实验系统采用模块化设计。在设计过程中，实验系统既要完成模拟电子技术的所有基础实验，还要添加新技术模块以及新的实验手段，提高实验的层次。实验箱中的实验电路按模块设计，模块中的基本实验电路，外接其他元件或与其他模块电路组合，完成不同的实验要求。每个实验的电路原理图和大部分元器件在实验板表面一目了然，学生可根据设计好的原理图搭建电路，提高学生的独立思维能力和动手能力；实验箱还配有Cypress公司的在线可编程模拟器件，为师生提供了学习模拟器件新技术的实验平台。同时，实验箱还设有音频信号输入口，为连接虚拟信号分析仪做了准备。
该实验箱主要包括以下模块：
（1）电源模块：工频赫兹的交流额定电压输入，输出直流电压±12 V和+5 V，电流I≥0.2 A，还设有双路直流信号源，均可输出-0.5 V～+0.5 V，-5 V～+5 V，而且连续可调。
（2）分立元件电路包括双路跟踪直流稳压电源，分立元件放大电路，集成运放电路，差分放大电路，功放模块，场效应管电路，集成稳压模块，电位器组，电阻、电容和二、三极管等，PSoC（片上可编程系统），音频信号输入口以及面包板扩展区等。
实验箱上各个模块都是独立的，没有共地，实验中需要经过连线实现共地。多数模块是分立元件，学生做实验时可灵活连线，自由搭建电路，但是实验中需要认真分清各个模块，以免连接错误，损坏设备。
3 模拟电路实验系统支持的实验项目
本实验系统可以完成模拟电子技术全部基本实验，如单级放大电路、负反馈放大电路、差动放大电路、双路跟踪直流稳压电源、电压比较器、运算放大电路和振荡器等实验，还增加了在线可编程模拟电路的新技术模块，可支持数控放大器、电压比较器、PWM控制LED灯和滤波器等实验。实验系统中预留和虚拟信号分析仪配套的接口。图2为虚拟信号分析卡外观图及模拟电路实验系统中的配套接口，很多实验可以用虚拟信号分析提供测试波形，并进行信号的分析和处理。图3为虚拟信号分析仪与实验系统以及测试仪器配套使用的连接关系图。利用该实验系统开出的实验内容和手段丰富，提高了实验层次，能够激励学生学习更多先进的知识，掌握更多的实验方法。此外，利用面包板另备一些元器件，即可实现其他模拟电路综合实验，例如：温度监测及控制电路，噪声监测器，交流电压欠、过压保护电路的设计等。
4 实验系统的使用效果及体会
实验电路连接非常灵活，每个实验的电路原理图都印刷在实验板表面，增加学生的感性认识。学生可根据自己设计的实验电路图搭建电路，锻炼了学生的独立思考能力和动手能力，展现了个性。同时增加了新技术模块和新技术实验手段，推动了实验课程体系及实验内容的改革。实验系统自使用以来受到师生的肯定，因实验系统由教师制作，锻炼了青年教师的动手能力和实验调试能力，方便了维修，同时也促进了实验教学示范中心的建设。在2012年年底的国家级电工电子实验教学示范中心验收时，我校自制实验设备作为一个亮点和特色展示给评委专家，得到了一致好评。
参考文献
[1] 杨宏，李国辉.走自制实验设备之路 促进实验教学改革[J].实验技术与管理，2013（1）：225-227.
模拟电路范文第2篇
【关键词】Pspice 模拟电子电路 电子电路设计
在电气、电子、自动化、计算机等类型的专业中，模拟电子电路设计是基础的技术课程，其理论知识较为抽象且电路的原理较为复杂，对于学生来说比较困难，教师也难以教好。本文提出将Pspice应用在模拟电子电路设计中，有了该软件，就等于有了电路以及实验室，完美地将理论与实践结合，为教师和学生提供便利。
1 Pspice软件概述
Pspice软件由Schematics（电路模拟器）、Pspice（仿真软件的数据处理器）、Probe（软件的图形后期处理器）、Stmed（产生信号的工具）、Parts（为器件建立模型的工具）和Pspice Optimizer（软件的优化设置工具）等组成，能够提供强大的电路图绘制、电路模拟仿真、图形后期处理等功能。
Pspice包括以下主要功能：直流特性分析，其中包囊直流静态工作点分析、直流灵敏度分析、直流扫描分析以及直流小信号传递函数值分析；交流扫描分析，包括频率特性分析和噪声分析；瞬态特性分析；蒙特卡罗分析；温度特性和参数扫描分析；最坏情况分析等。
在设计电子电路期间，以既定的功能及技术参数来制定设计方案，可以应用Pspice模拟和连接电路并检测电路设计有无达到预期效果，也可以在计算机上对电路的结构和相关参数进行修改，不断测试、观察输出的波形，直至达到设计要求，以便取得电路的最优技术指标，为电路设计的精准性评价提供便利。此外，还能够分析容差、敏捷性、最坏状况、温度特性等，这些都是传统的方法难以完成的，还能够比较各种设计方案的优劣，方便选择最优的方案，使电路设计最优化。
2 Pspice软件的仿真实例
Pspice软件在电子电路设计中的应用可以提高教学效率，仿真电路的步骤大致分为五步：第一，绘制电路图；第二，分析电路的特性和仿真参数；第三，仿真测验；第四，显示仿真的结果；第五，分析并输出相应的实验结果。下面对Pspice软件的仿真实例进行分析。
2.1 限幅电路的设计实验
限幅电路的示意图如图1所示，二极管的型号为DIN4148，电阻为1kΩ，电源电压为3伏特，当输入电压达到6sin wt的时候，电路要达到限制输入电压幅值的目的。
设置直流扫描分析以及瞬态分析，得出输入电压Ui以及输出电压U0的波形，如图2所示，可见电路对输入电压幅值的限制效果。
在限幅电路的瞬态分析结果示意图中可见（图3），当输入的电压超出固定范围时，超出的部分就会被截止，这样就能使信号的电压在一定的幅值内，防止电路受信号电压的影响出现故障。
2.2 RC正弦振荡电路设计实验
RC振荡电路在电子技术中得到广泛应用，振荡电路在自动进行振荡的过程中，其达到平衡的条件所花费的时长极短，在课堂上，教师直接讲授相关的理论会令学生难以在有限的课堂时间内理解并掌握，因为学生难以根据抽象的理论想象出波形。就此，将Pspice运用到其中，可以观察出振荡电路建立振荡的过程以及振荡器在稳定之后的波形，同时，可以改变电阻或电容，观察其对振荡电路会产生怎样的影响，更加便捷、直观地掌握振荡电路的设计原理及运行原理。
3 总结
从上述的设计实验中可知，在模拟电子电路设计中应用Pspice能够使设计仿真的效果精准且直观形象，为电子电路的设计提供极大便捷。Pspice是应用极广的电路设计及分析软件，具有绘制电路图、模拟仿真电路、图形后期处理等强大功能，在建立真实的电路之前，在该软件上设计、绘制仿真电路，依据具体的需求来设置相应的参数，断定电路设计是否科学、性能是否可靠、能否达到设计的要求、有无必要修改电路等，还可以对元件的变化会对电路造成怎样的影响进行综合评估，同时也能对一些电路的特性进行测量分析。总之，Pspice的应用能够为电子电路的模拟仿真设计带来很好的内外部条件，帮助设计者设计出最优电路，提高教师的教学效率和学生的掌握速率，从根本上减少成本支出，使电路设计最优化，提高电路性能的可靠性，是模拟电子电路设计中必不可少的仿真设计软件。
参考文献
[1]杨慧梅，朱勇.PSPICE仿真软件在《低频电子线路》教学中的应用[J].合肥工业大学学报（社会科学版），2010（05）.
[2]付巍.Pspice在模拟电子电路设计中的应用[J].机械工程与自动化，2006（03）.
[3]段天睿，滕照宇，姚勇，李兴红.柔性线路板串扰Pspice仿真分析及应用[J].安全与电磁兼容，2009（05）.
[4]宋国民，王宁，张爱云，周维.Pspice仿真平台在共轨ECU设计中的应用[J]. 现代车用动力，2009（03）
[5]周润景，张丽娜，王志军.Pspice 电子电路设计与分析[M].北京： 机械工业出版社，2011
模拟电路范文第3篇
【关键词】模拟电路；软故障；诊断
在我国市场经济快速发展的新形势下，电子产业已经与很多行业紧密联系到一起，不但提高人们的工作效率，还使人们的生活变得更加便利。因此，对模拟电路软故障诊断有比较深入的了解，有利于进一步提高电子设备的运用稳定性、安全性，从而降低各种意外事件的发生率。
1.模拟电路故障的主要类型
按照模拟电路故障发生的程度、过程进行分类，可以将模拟电路故障概括为如下两种类型：第一，软性故障；第二，硬性故障，其中，软性故障指的是变化速度比较慢、不容易被察觉的故障现象，可能是环境变化引起的，也可能是电路元器件自身属性造成的，从而在超过法定容差之后出现故障问题。如果这种故障出现，设备的正常运行不会受到较大影响，但设备的工作效率会大大降低，而且，在合理运用监控的情况下，可以事先观测到这种故障现象。而硬性故障指的是损坏程度比较严重的故障问题，可能会使整个模拟都无法正常运行，并且，故障元件的参数在很多时间内出现反常情况，从而产生巨大差异，会影响整个系统的性能。在实践过程中，这种故障有开路、短路等多种。
2.模拟电路故障诊断方法
在社会、经济不断发展的情况下，科学技术的发展与创新，使得模拟电路故障诊断方法越来越多年，并且，可以从不同的角度对诊断方法进行分类。总的来说，当前应用较多的模拟电路故障诊断方法主要有如下几种：第一，侧前模拟诊断；第二，测后模拟诊断；第三，人工智能法，而比较传统的模拟电路故障诊断方法有：第一，字典法；第二，故障验证法；第三，参数识别法；第四，逼近法，等等。在现代社会中，高新技术的推广与大力研发，使模拟电路故障诊断方法有了更多新型的方式，它们主要是从如下几个理论上发展而来的：第一，专家系统；第二，遗传算法；第三，小波变化；第四，模糊理论；第五，神经网络，等等，并且，近几年对如下两种模拟电路故障诊断方法的研究比较重视：第一，小波神经网络法；第二，模糊神经网络法，在大大降低电子设备故障发生率上有着极大作用。
3.模拟电路故障诊断技术的影响因素
与数字电路的发展情况进行比较发现，模拟电路具有比较特殊的性质，使得其诊断技术发展比较缓慢。从总体上来说，模拟电路故障诊断技术的影响因素主要有：
3.1与数字电路相比，模拟电路的运行不一样，一般输出、输入方面的参数都是连续不断的，因此，可变性非常大。在这种情况下，各种故障问题都可能产生，致使模拟电路在运行时存在很多隐患。
3.2模拟电路有着比较复杂的内部结构，较强的离散性，因此，想要准确把握模拟电路的运行情况难度较大。与其相比较来看，数字电路的内部结构，可以通过真值图表格来研究，因而操作很简单、方便。
3.3在表式值上，模拟电路的元器件无法很好的达到其要求，因而出现一定误差，并给模拟电路故障诊断可靠性带来极大影响，给模拟电路的稳定运行造成一定阻碍。
3.4模拟电路有着不同形式的内部结构，因此，在进行故障诊断时，其模板不具备统一性，从而阻碍模拟电路故障诊断技术的一体化、标准化发展。
3.5外界的很多因素会给模拟电路元器件的标准带来影响，并且，工艺水平也会大大制约其发展，而温差、气候等因素会大大降低模拟电路元器件的准确性，最终无法保证故障诊断结果的可靠性。
3.6模拟电路故障诊断采用的仪器存在精确度不够高的情况，虽然数据的采集不能保证绝对准确，但在进行诊断仪器的制备、选用等时，仍然要加强重视，才能避免误差不断增大。
4.现代模拟电路软故障诊断方法
现代社会中，电子设备在航天航空、通信、自动控制和医疗器械等多个领域的应用已经变得非常广泛，因此，电子设备的运行环境有很多种情况，如高电磁干扰、高温、高辐射和高湿度等，在某些情况下，其还会同时处于两个极端的变化过程，如从超高温迅速进入到超低温。因此，在恶劣的环境中运行，电子设备中的模拟电路必须具备更高的可靠性，如核电设备的控制系统，对其可靠性有着极其高的要求。对现代模拟电路软故障诊断方法进行分析发现，在信息处理方面其有着自己的特点，而神经网络具有如下几种功能：第一，分类；第二，自主组织性；第三，联想记忆；第四，自学性；第五，并行性，等等，在合理应用的情况下，可以有效解决传统模拟故障诊断方法存在的不足。同时，神经网络具有非线性映射能力、泛化能力，在合理运用上述两种能力的情况下，模拟电路故障诊断存在非线性问题、容差问题可以得到有效解决。在实践应用中，神经网络故障诊断方法有着如下几个步骤：第一，确定被测故障集；第二，测试节点的合理选择；第三，故障特征的实时提取，等等，因此，特征信息的存储，可以通过构造成本集、神经网络的方式来完成，而故障的定位，可以通过测后利用神经网络的方式来确定。对现代模拟电路软故障诊断方法的应用情况进行总体调查来看，神经网络模型有很多不同的形式，而反传神经的使用范围比较广，因为具有的模式分类能力比较强，从而在模拟电路软故障诊断中普遍运用。在实践过程中，如果进行模拟电路软故障诊断，通常是将神经网络方法、多种特征提取方法结合在一起应用。
5.模拟电路软故障诊断的未来发展
当前，模拟电路故障诊断方法已经在快速创新，并取得了一定成果，在促进电子产业更快、更好发展上有着极大作用。但是，与国外很多国家相比，其水平距离相差仍然很大，必须进一步加强研发、优化，才能推动我国电子产业可持续发展。总的来说，模拟电路软故障诊断的未来发展主要有如下几个趋势：
5.1实用性大大提高在对各种故障进行诊断时，故障呈现的多样化特性，要求诊断方法必须具备多样性，而各种诊断方法的结合使用，给模拟电路故障诊断规范性、标准化带来了极大影响。在这种情况下，注重神经网络、软件故障特征提取措施的综合应用，可以使神经网络工作诊断中提取故障样本这个问题得到有效解决。因此，在最有效利用神经网络具备的各种优势的情况下，大大提高模拟电路软性故障诊断的实用性，对于快速诊断出各种故障问题有着极大作用，是模拟电路软故障诊断未来发展的重要趋势之一。
5.2在数模混合电路中应用在集成电路出现后，以及制造技术的不断创新，电路故障诊断需要考虑的影响因素越来越多，而电路中同时存在集成运算放大器、数据混合集成两种情况时，其通用的软故障诊断方法还没有。因此，模拟电路软故障诊断方法的研究，需要对数据很合电路加强重视，并注重相关诊断方法在上述电路中的应用，才能促进我国电子产业更长远发展。
5.3网络撕裂法应用范围全面扩大当前，电路的复杂性在不断提高，因此，提高大规模模拟电路诊断结果的可靠性、准确性，是模拟电路软故障斩断研究工作必须重点的内容之一。因此，在未来的发展中，网络撕裂法的应用范围会全面扩大，因此，这种诊断方法具有较强实用性，能够大大提高大规模模拟电路故障诊断的精确度。所以，在合理运用子网络故障诊断法的情况下，大规模模拟电路可以被分解为多个子网络，并在结网络撕裂法的基础上，促进大规模模拟电路软故障诊断技术水平进一步提升。
6.结束语
总之，在社会、经济、环境等发生巨大变化的情况下，电子产业想要更快、更好的发展，就必须注重自身稳定性、可靠性、安全性等不断提高，才能更好的满足人们的应用需求。因此，注重模拟电路软故障诊断方法的合理应用，并不断创新，对于推动我国电子产业可持续发展有着重要意义。
【参考文献】
[1]邓勇,师奕兵,李炎骏,张伟.非线性模拟电路软故障诊断方法[J].测控技术,2013,03:22-25.
[2]丁国君,王立德,申萍,刘彪.基于改进PSO算法优化LSSVM的模拟电路软故障诊断方法[J].中南大学学报(自然科学版),2013,S1:211-215.
[3]刘美容,张立玮.基于小波分解和模糊聚类的模拟电路软故障诊断[J].微电子学与计算机,2014,12:140-143.
[4]邓勇,张禾.基于Volterra核二次型分布的非线性模拟电路软故障诊断[J].控制与决策,2015,07:1340-1344.
[5]丛伟,景博,于宏坤.基于KPLS特征提取的WNN模拟电路软故障诊断[J].中南大学学报(自然科学版),2014,06:1841-1846.
模拟电路范文第4篇
关键词: ZPW - 2000A; 模拟试验电路; 故障分析
中图分类号：C35文献标识码： A
1、模拟试验电路简介
1．1构成
轨道模拟试验电路基本构成如图 1 所示。其中, 模拟试验电路由网络接口柜 ( 或分线柜) 引出; 电 阻 采 用 RXYC -51Ω -25W 和 RXYC -1kΩ -25W; 发送器发送电平调至 10 级 ( 33V) , 电缆模拟网络调至补偿 0km, 接收等级按工程实际调整,衰耗盘小轨道不调整 ( 使用最大衰耗约 26kΩ) 。
1.2原理
轨道模拟试验电路原理图如图 2 所示。利用串联电路对电压的分压特性, 使本区段和相邻区段发送器发出的高电平信号, 经各自的串联电路发送至接收端。其中, 本区段发送器 ( 主轨) 信号 f1, 经R1 与 R3//R4 组成的串联电路至接收端; 相邻区段发送器 ( 相邻区段小轨) 信号 f2, 经 R2 与 R3 //R4组成的串联电路至接收端。合理设置电阻值, 使接收器接收的主轨、小轨信号电压降至其工作范围之内, 以此模拟轨道信号在室外钢轨上的传输。
1.3适用性分析
（1）主轨道。经实际测试, 主轨 f1 在接收端衰耗盘“衰入 1”可得到大于 700mV 电压。因区间轨道电路区段长度大多在 1~ 1.5km 范围内, 只有第 1 离去等个别轨道电路区段长度小于 1km, 但就其接收电平等级的调整范围, 也远大于其主轨 200~ 240mV 的吸起门限。对满足的接收电平等级可进行如下推导:
因衰耗盘接收电平调整变压器匝比为 116:( 1~ 146) ( 即接收电平调整等级数) , 接收器吸起门限取 240mV。
此电阻设置理论可满足接收电平大于 40 级以上的轨道电路, 如接收等级低于 40, 则可将其适当提高, 以满足要求。
（2）小轨道。小轨 f2 在接收端衰耗盘“衰入 1”可得到大于 600mV 电压, 经衰耗盘总计约 26kΩ电阻的衰耗, 至接收器可得到大于 90mV 的电压,大于接收器小轨道 68~ 81mV 的吸起门限。
（3）反方向运行试验。进行区间反方向运行试验时, 此电路可稍做改变, 即将每个分路电阻 R3的 b 点移至电阻 R1 的另一侧 a 点即可, 电路形式与正向时相同。
1.4 电路特点
（1）可完全模拟室外主轨道及小轨道状态, 对轨道电路设备及施工配线质量试验完全、彻底。
（2）接收器接收的主轨道及小轨道信号电压浮动范围小, 对设备无损害, 可实现对轨道电路的一次性调整。针对不同轨道区段, 其接收端输入阻抗R4 值变化范围较小, 且 R3 又选用小于 R4 的 51Ω, 则 R3//R4 后电阻值的变化范围更加缩小。因此, 在合理选定电阻 R1、R2 阻值后, 可固定接收端信号的电压浮动范围, 实现对轨道电路的一次性调整。
2、模拟试验中常见故障分析及处理
2．1单机调试时, 发送器不工作,“发送工作灯”不亮。
因发送器核心部件为中央处理器 CPU, 工作时首先对其设备自身状态及外部条件进行检测, 条件全部具备后才可正常工作。发送器正常工作所需的外部条件包括: 适合的电源、惟一的载频及类型选择、惟一的低频编码条件选择及功出电平选择。
故障查找程序: 检查发送器电源是否在 23.5~ 24 .5V 范围内发送载频选择条件是否有且只有 1个发送载频选择类型选择条件是否有且只有 1个低频编码选择条件是否有且只有1 个是否有功出电平选择条件是否设备本身故障。发送器识别外部的各种选择条件, 是依靠采集相应端子的直流 24V 电平, 所以在查找时, 可使用万用表在发送器插座板侧, 逐一检查各项条件对应的端子是否有直流+ 24V 电平。另外，可用最简单的方法即与正常工作中的发送器调换位置来判断是否为发送器故障。
2．2 单机调试时, 接收器不工作,“接收工作灯”不亮
接收器与发送器一样, 其核心部件也为中央处理器 CPU。工作时首先对其设备自身状态及外部条件进行检测, 全部合格后才正常工作。故障查找程序: 检查发送器电源是否在 23.5~ 24.5V 范围内主轨道载频选择条件是否有且只有 1个 ( 包括主、备机, 下同) 主轨道载频类型选择条件是否有且只有1 个小轨道载频选择条件是否有且只有1个小轨道载频类型选择条件是否有且只有 1 个设备本身故障。查找方法同发送器。
2．3 模拟试验电路连通后, 轨道电路不能实现调整, 即轨道电路总处于“占用”状态.
根据实际试验的经验, 原因大都是由于主轨接收电平或小轨接收电平过低, 或配线错误, 或设备故障所致。
轨道电路实现调整的条件如下。
（1）接收器接收的主轨道信号电压大于240mv, 且信号频率及类型与其本身选择的频率及类型一致。
（2）同时收到前方轨道区段接收器送达的“XGJ、XGJH” 24V 直流电压信号。
（3）前方轨道区段接收器“XG、XGH” 输出直流 24V 电压信号的条件: 接收器接收的小轨道信号电压大于 81mV ( 经测量小轨道接收稳定吸起的电压范围为 80~ 180mV) , 且信号频率及类型与其本身小轨道选择的频率及类型一致。
在进行故障查找时, 首先应在衰耗盘测量主轨道接收电平和相邻前方区段接收器送达本区段接收器的 XGJ、XGJH 电平, 从而判断是主轨道故障还是小轨道故障。主轨道检查流程图如图 3 所示。小轨道检查流程图如图 4 所示。如最终确认主轨道、小轨道条件都已具备但轨道电路仍处于“占用”状态, 则只能是接收器本身故障。
参考文献：
【1】赵自信. ZPW -2000A 无绝缘移频自动闭塞技术培训教材〔M 〕. 北京: 北京全路通信信号研究设计院, 2004.
【2】信号工（车站与区间信号设备维修）.铁道部人才服务中心组织编写：中国铁道出版社，2012.（03）.
模拟电路范文第5篇
关键词：模拟电路?发散性思维?三极管电路 知识点 发展思维
随着电子行业日新月异的发展，电子电路逐渐由模拟电路转变为数字电路的天下。在人们的日常生活中，数字电视、数码相机、闪存、微处理器等处处充斥在眼前。然而在数字技术稳步前进的今天，模拟技术仍有着不可替代的地位。这有两个主要原因，一是模拟电路是数字电路与人、自然世界的接口电路；二是数字电路中的时钟信号、供电电源离不开模拟电路。因此模拟电路的学习依然是电子技术学习的重中之重。
模拟电路是电子技术入门的必经之路，很多初学者都把它称为“魔鬼电路”，在学的过程中感叹电子技术的深奥难学，甚至产生了畏难心理。的确，对于初学电子技术者，要熟练掌握各种不同特性的电子元器件，透彻理解各种功能电路的工作原理，是有一定难度的。不过，学习模拟电路，掌握好学习方法是有捷径可走的。笔者在这里结合发散性思维，对模拟电路学习中的一些难点进行分析和总结，旨在抛砖引玉，希望学习者能多思考、琢磨，形成适合自己的有效的学习方法。
发散性思维是创造性思维的一种方式，又称辐射性思维或扩散性思维。它立足于某个基本知识点，将原有的知识、经验方法进行有效组合，寻找出更多新的知识点或方法。人们经常说的“举一反三”“触类旁通”也是指的这类方法。
一、由三极管内部的PN结结构出发，学习三极管的三脚电压关系和电流关系
以NPN型三极管为例，三极管是由两块PN结背靠背按相应的工艺要求制成。其中发射区掺杂浓度大，目的是为了提供大量的载流子（电子）；基区做得很薄，目的是有利于来自发射区的载流子穿过基区到达集电区；集电结做得比发射结面积大，目的是有利于接收来自发射极的载流子。如图1和图2所示。
发散性思维引出的知识点：一是三极管管脚名称和电压偏置方法。发射区：发射电子的位置，应该接电源负端；集电极区：收集电子的位置，集电结面积大，可以更好地收集扩散来的电子，根据异性相吸的原理（吸引电子），应该接电源正端；基区：电子依靠扩散作用由基区扩散至集电极区。这三区对应的引脚分别为发射极e、集电极c、基极b。根据载流子流动方向，三极管三脚电压关系为、三脚电流关系。二是三极管的三种工作状态。改变三脚电压偏置方式，三极管可以有三种工作状态――饱和、截止和导通放大。当发射极的电压Ve不是三脚的最低电压，发射电子的工作区不工作，三极管为截止状态；当集电极的电压Vc不是三脚的最高电压，接收电子的工作区不工作，此时基极电压Vb最高，大量电子涌入基区，造成基极电流Ib过大，三极管为饱和状态。只有当三极管三脚电压满足发射极电压最低，集电极电压最高，发射电子和接收电子的条件都正常满足，三极管正常放大。
经验总结：三极管的三脚电流关系、三脚电压关系一直是学生较难理解、难记忆的内容，我们通过PN结的结构特点，并引入“发射”“收集”这两个概念，学生就很容易掌握了。初学者往往容易忽略三极管的结构图，教师应该对这张图仔细分析并充分理解吸收。
二、从电阻的基本特性出发学习基本元器件和基本电路的工作原理
电阻的知识点是学习基本元器件的立足点。大多数的初学者在学习电路时遇见的第一个元件就是电阻。顾名思义，电阻的阻值是用来描述该元件对电流阻碍作用的大小。电阻对各种信号呈现出的阻碍特性相同，无论流经其两端为交流、直流；高频信号、低频信号；模拟信号、数字信号，均一视同仁。立足于电阻的基本特性，可以用发散性思维引出以下知识点。
1.电容元件和电感元件的阻抗作用
电容和电感在电路中同样应用广泛。特别是电容元件，使用量仅次于电阻。电容在电路中经常有这样几种作用：滤波、耦合、旁路。要学习这两种元件的特性是可以从“电阻”这个角度出发理解的。电容和电感对电流同样有阻碍作用，它们的阻碍作用被称为阻抗，电容的阻抗叫容抗，电感的阻抗叫感抗。它们和电阻不一样，阻抗的大小变化和频率有关。在分析电路时我们可以把电容和电感看成是由信号频率调节的可调电阻，分析过程见表1。
2.谐振电路的工作原理分析
谐振电路在电子电路中有着广泛的应用，高频放大电路、振荡电路等都有谐振电路。很多初学者在分析电路时都感到无从下手。谐振电路其实就是选频电路，对谐振电路的分析方法同样可以从可调电阻的特性开始学起。
串联谐振的特点：当流经电路的信号频率等于谐振频率，等效的可调电阻阻值最小；并联谐振的特点：当流经电路的信号频率等于谐振频率，等效的可调电阻阻值最大。谐振的等效电阻大小可以影响其两端的电压、流经元件电流的大小，进而可以分析出它对流经该电路信号的作用。
利用阻值可变的性质，谐振电路可以作为：①选频电路，在众多的信号频率中选出所需要的信号频率。如果用在放大电路，则构成选频放大器；②信号吸收电路和信号衰减电路。从众多信号频率中将某一频率的信号进行衰减或吸收。
3.滤波器电路
滤波器电路就是利用电阻对信号的阻碍作用实现了选频功能。电阻阻值大，信号衰减大；电阻阻值小，信号衰减小。如果借用可调电阻的概念来分析滤波器电路，就很容易理解了。分析过程可以参考谐振电路的思路。
4.由电流大小控制的可调电阻电路
三极管集电极c和发射极e之间的电阻Rce可以看成是一个由基极电流ib控制的可调电阻，改变三极管基极电流大小，从而可以改变三极管c、e脚之间的电阻。当ib增大到三极管进入饱和状态，rce趋于0，等效于ce两脚间为一个闭合的开关；当ib减小到三极管进入截止状态，rce趋于∞，等效于ce两脚间为一个断开的开关。从这个角度考虑，三极管可以视作是一种由电流大小控制的可调电阻，如图3所示。模拟电路课程中关于直流电源一章所讲授的串联调整型稳压电路的工作原理，用这种等效方法进行分析易于理解，如图4所示。
经验总结：电阻、电容、电感在入门学习时可以把它们视作电路元件三“兄弟”，均能阻碍电流，并具有不同的阻碍特性。由这三种元器件搭配组合成的谐振电路、滤波器等电路均可以从可调电阻对信号的阻碍作用这个角度进行考虑。三极管的三种工作状态对输入信号的影响同样也可以从可调电路的角度进行考虑。
模拟电路范文第6篇
关键词： 信道模拟； DDR2； SPI； 高速信号采集
中图分类号： TN95?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）01?0068?04
0 引 言
随着空间技术的发展，现有的地面测控网已不能满足要求，而中继卫星可以大幅提高测控网的性能[1]。因此，许多国家目前都在积极地对其进行研究，其中美国、俄罗斯等国家均已建成完善的中继卫星系统[2]，我国也已开始建设自己的中继卫星系统。然而中继卫星的测试过程受地理环境和天气因素的影响也较大，现场试验的方法并不能满足实际需求。信道模拟器作为评估通信系统性能的有效手段，是通信系统性能测试的重要工具。当前对卫星信道的传输特性已经进行了较为深入的理论研究，并已经得出一些具有实际意义的理论成果和仿真模型[3]，但是国内基于这些仿真模型的硬件信道模拟器产品较为少见。基于这种需求，设计研制中继卫星系统信道模拟器具有重大的工程和实践意义。
1 总体设计
本文根据模拟器系统组成及工作流程，首先对模拟器硬件电路进行总体设计，如图1所示。考虑实现难度及各方面因素，将模拟器硬件电路分为接收及发射板卡、中频信号处理板卡两块板卡分别进行设计。其中，接收及发射板卡包括接收单元、频综模块、发射单元。中频信号处理板卡主要包括模拟信号调理电路、A/D转换电路、D/A转换及幅度调整电路、FPGA功能电路、DSP功能电路、PLL时钟倍频电路、时钟整形分配电路、复位管理电路、大容量数据缓存电路、电源转换及排序电路。
硬件电路总体设计方案确定后，需要对电路设计中的关键芯片进行选型分析，主要包括：FPGA，ADC，DAC，DSP及大容量存储器。
设计中FPGA主要负责模拟功能的实现，从乘法器资源需求分析以及I/O管脚需求分析，并考虑一定的资源裕量，选用Xilinx公司的Virtex?6系列XC6VSX315T?FFG1156。其乘法器资源为1 344个、可用管脚600个，均满足本设计要求。考虑现有器件及前期成熟的A/D转换电路设计，量化位数选为12 b。为了保证信号质量，模拟输入信号及时钟信号均采用差分形式，因此模/数转换芯片必须具备差分输入接口[4]。因此，ADC芯片采用TI公司的ADS5463。在本设计中，数/模转换芯片选用ADI公司的AD9735，其分辨率为12位、更新速率最高可达1.2 GS/s，其无杂散动态范围达77 dBc（[fout=]100 MHz），满足使用要求。另外，DSP用于实现上位机与板间的实时通信[5]，故需要选择处理速度高的DSP芯片，综合考虑后选用TI公司推出的TMS320C6455芯片。最后，设计中选用大规模可编程器件FPGA控制高速DDR来构建虚拟FIFO以满足延迟存储深度要求。
2 详细设计与实现
2.1 接收及发射板卡设计
根据实际功能需求，设计接收及发射板卡，该板卡的功能框图如图2所示，包括接收单元、频综模块、发射单元。
接收单元对模拟输入信号的幅度进行调理，使其满足中频板A/D采样电路幅度要求。输入信号频率范围为（140±25） MHz，功率范围为-50～0 dBm。为保证模拟信号质量，在进行AGC增益控制之前，需对该信号进行带通滤波。带通滤波器设计指标：中心频率为140 MHz，3 dB带宽为60 MHz，带内平坦度小于0.2 dB，带外抑制大于47 dBc@[fo±]45 MHz。滤波后的信号受衰减控制量控制，使中频板输入信号的幅度保持恒定。AGC增益控制电路输出幅度最大能够达到10 dBm。在默认状态下，考虑器件的安全运作，AGC对模拟输入信号功率进行全衰。
频综模块为中频信号处理板卡提供工作时钟，频率范围为100～550 MHz，由输出频率控制信号对频率选择，频率分辨率为1 MHz。为便于调试，频综模块的时钟输出频率可通过拨码开关进行控制[6]。
发射单元对中频信号处理板卡模拟输出信号幅度进行控制，使其电平保持在-80～0 dBm范围之内。为保证信号质量，信号幅度调整以后需要进行带通滤波，带通滤波的设计指标：中心频率为140 MHz，3 dB带宽为60 MHz，带内平坦度小于0.2 dB，带外抑制大于45 dBc@[fo±]45 MHz。
2.2 中频信号处理板卡设计
结合中频信号处理电路功能需求，中频信号处理电路由模拟信号调理电路、A/D转换电路、D/A转换及幅度调整电路、FPGA功能电路、DSP功能电路、时钟整形分配电路、复位管理电路、大容量数据缓存电路、电源转换及排序电路组成。
为了将模拟信号变换为数字信号，在数字域对信号进行模拟信息的叠加，实现模拟器的模拟功能，本设计采用变压器进行A/D模拟前端设计和AC耦合的变压器耦合方式。模拟输入信号电平要求：满量程输入为2.2[VPP，]共模电压为2.4 V。AIN_I+和AIN_I-是经模拟调理电路调理后的信号，幅度为2[VPP，]满足A/D转换幅度要求。考虑冗余设计，将VREF管脚输出的2.4 V电压用于共模电压偏置。
选定A/D芯片后需要进行A/D模拟前端调理电路的设计。模拟信号调理电路接收经接收及发射板卡幅度调整后的模拟信号，此信号幅度约为2[VPP，]已满足A/D转换电路输入电平的要求（ADS5463满量程输入为2.2[VPP]）。参考ADS5463评估版，为提高A/D前端幅频响应性能并考虑到变压器的幅相平衡特性，设计双变压器级联形式的调理电路。
由于A/D采样时的量化位数为12 b，则D/A芯片位数至少为12 b，并考虑前期成熟电路设计，D/A转换芯片选用ADI公司的AD9735，D/A输出满量程电流为10 mA，通过外接25 Ω电阻将输出电流转换为电压信号，幅度约为0.5 VPP。因为AD9735的输出信号为差分的模拟电流信号，需要将其转换为单端信号，采用National Semiconductor公司的高速运放LMH6738进行调整。LMH6738的放大倍数设为2.51，故运放输出的模拟信号幅度为1.25 VPP。
时钟分配之前需要将时钟输入信号进行单端转差分，结合前期成熟电路设计，时钟分配芯片选用Semiconductor Components公司的MC100LVEP111。MC100LVEP111的时钟输入端既可采用单端形式也可采用差分形式，而差分时钟抗干扰能力强，因此本设计采用差分形式。
基于对硬件乘法器、逻辑资源及通用I/O管脚数量的需求分析，由于FPGA的输入接口LVDS_25电平标准兼容A/D数据输出端口的LVDS电平标准，故两者可以无缝对接。AD9735的数据输入端口LVDS电平标准为：摆幅最大为750 mV，共模电压典型值为1.2 V，故芯片AD9735的数据输入端口LVDS标准兼容LVDS_25的标准，两者可以无缝连接。FPGA与DSP的EMIF接口电路的bank电压标准为2.5 V，而DSP芯片TMS320C6455ZTZD的EMIF接口电压标准为3.3 V，因此在两者之间进行数据传输时需要电平转换，这里采用驱动芯片SN74AVC32T245GKER进行转换。
在本次设计中，大容量数据缓存电路采用DDR2实现。DSP数据处理电路选用TI公司的定点数字信号处理器TMS320C6455ZTZ，该款芯片兼容33 MHz/66 MHz的PCI总线速率，可更好地保证后期的扩展需求。DSP功能电路的接口电路如图3所示。
设计中，复位电路对DSP进行监控，由DSP控制FPGA进行复位。复位管理电路采用MAXIM公司的MAX706ARESA。板卡上电后，由TPS3808G01输出一个20 ms的低脉冲至DSP的POR管脚，控制DSP进行上电加载，同时FPGA进行自动加载。当DSP和FPGA分别加载成功后，FPGA的DONE管脚输出高电平信号至DSP，当DSP检测到该信号后再对FPGA进行软件复位。
电源转换电路将CPCI机箱供电转换为板卡需要的电源，电源排序电路是将电源转换电路输出的电源进行排序，使其满足板卡电源要求。利用LTC2924的OUT1～OUT4输出管脚控制晶体管的导通来进行排序，1.0VD，+2.5VD，+1.25VD，+1.8VD依次排序输出。当排序完成后，完成标志DONE信号由高电平变为低电平，进而通过三极管控制+0.9_CONTROL管脚电平由低到高，电源芯片PTH04000W的电源管脚6正常输出，实现+0.9VD最后上电。
3 FPGA的高速D/A配置程序设计
课题中采用的D/A转换芯片为ADI公司的AD9735，该芯片的许多功能需要通过SPI端口配置后才能实现[7]，设计中采用FPGA作为主控制器对AD9735进行配置，FPGA配置程序需实现以下功能：
（1） 对系统内部时钟分频产生配置需要的串行移位时钟；
（2） 产生配置需要的片选使能信号；
（3） 对AD9735的内部寄存器进行赋值操作，实现SPI配置功能。
依据前节的SPI功能配置需求，给出FPGA作为主控制器，AD9735为从控制器的SPI配置功能框图，如图4所示。
FPGA功能配置单元主要由启动控制模块、时钟模块、状态机模块、并转串模块组成[8]。工作时，时钟模块首先将系统时钟信号Sys_186M（186 MHz）分频产生需要的配置时钟SCLK_10M（10 MHz），在时钟稳定时给出锁定信号SCLK_LOCK。启动控制模块将该信号与外部信号SPI_flag作逻辑‘与’后产生开始脉冲信号Start_pulse，该信号控制状态机模块的启动。进而状态机模块依据要求产生SPI配置需要的数据信号Sdata和使能信号S_CSB。经并/串转换后，开始对AD9735的SPI串口传送数据。
定义一系列状态，在不同状态下对不同的寄存器进行赋值操作，如表1所示。配置开始后，状态机首先进入IDLE空闲状态，此状态下不进行任何赋值操作。当对地址为OX00的寄存器赋值完成后，在计数器控制下，状态机自动跳到下一状态WRITE_IRQ。对地址为OX01的寄存器开始赋值，赋值为“00000000”。此时，VDS接收器、同步逻辑的中断请求均不使能。赋值完成后，在计数器控制下，状态机自动跳到下一状态WRITE_FSC1。在状态WRITE_CCLK下赋值操作完成后，状态机跳回IDLE空闲状态。此时外部的开始赋值标志SPI_Flag标志位变为0，状态机停留在空闲状态，赋值过程结束。
在FPGA的设计过程中，ModelSim仿真工具可以十分方便地验证设计逻辑是否满足预期的要求，从而提高设计效率，缩短开发周期[9]。本文对程序的多个状态进行了ModelSim仿真，其中图5为WRITE_CCLK状态下的赋值操作。可以看到赋值完成后，状态机将再次跳到IDLE空闲状态，虽然外部的SPI_work_flag标志一直为高电平，但由于stop_pulse由低电平变为高电平，IDLE空闲状态无法再次跳到下一状态WRITE_MODE，对寄存器的赋值操作结束。其他状态下的赋值过程与之类似，对其ModelSim仿真过程不再详述。
4 板卡测试
硬件板卡测试主要包括系统时钟测试、FPGA基本功能测试、DSP测试、A/D测试、D/A测试。
本设计中，中频板卡接收外部供给的186 MHz时钟，经过时钟驱动芯片MC100LVEP111FAG分配之后，为板卡上的FPGA，DSP，A/D，D/A提供工作时钟。为验证时钟，用示波器探头测试MC100LVEP111 FAG输出管脚，查看时钟输出波形。经测试，时钟芯片能够正常工作，为各个模块提供稳定的工作时钟。
为验证FPGA功能，编写FPGA分频器程序，经FPGA的测试管脚输出。以此来验证FPGA芯片能否正常工作，186 MHz时钟分频得到18.6 MHz信号，经测试管脚输出，经示波器观察可得到图6。再将该测试程序加载到PROM中，断电后重新上电，观察示波器是否有18.6 MHz时钟输出，从而验证加载功能。
DSP测试包括：验证DSP芯片能否正常工作，FPGA与DSP之间GPIO通信功能，以及测试其能否正常加载。首先检查为DSP提供时钟的两个晶振是否正常，当晶振正常工作后，验证DSP与FPGA之间EMIF数据接口，FPGA对DSP寄存器里写数据，通过DSP在线查看对应地址是否正确接收到数据，此时再测ECLKOUT，测到62.5 MHz的时钟，说明PLL1工作正常，芯片能够正常工作。将DSP程序烧写进FLASH，断电后再次测试，查看EMIF时钟输出是否正常，从而验证DSP的加载功能。
使用chipscope在线捕获A/D采样后的数据，根据数据用Matlab程序绘制的波形，对采样保存的数据做FFT，计算其信噪比及ENOB。在Matlab程序中依据采样数据可得到信号的信噪比及有效位：
信号SNR=52.541 3 dB
信号ENOB=8.435 4
改变模拟输入信号频率（1～165 MHz），测量多组数据，再计算有效位，验证A/D有效位在频率范围内是否满足要求。为了测试AD9735能否正常工作，在FPGA内写入DDS测试程序，使输出通道输出1 MHz正弦信号，经D/A变换后放大输出，对于AD9735的无杂散动态范围测试，测试时，使中频模拟输入信号频率在115～165 MHz范围内，以0.5 MHz的步进量变化，此时从频谱仪上观察模拟输出信号的杂散性能，经过测试知无杂散范围大于50 dB，符合要求。
5 结 论
本文结合实际科研需求，依据信道模拟器的系统组成及工作流程，设计实现了中频信号处理电路、接收及发射板卡，并详细介绍了硬件电路主要功能模块。基于FPGA设计实现了高速D/A芯片AD9735的配置程序，针对程序进行了ModelSim仿真及在线调试验证。最后对信道模拟器进行测试，测试结果验证了硬件电路设计的正确性，从而为后期软件调试提供性能可靠的硬件平台。在今后的研究工作中，将更加注重任意工作体制、不同频点和不同调制方式的通用化信道模拟器的研制。
参考文献
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模拟电路范文第7篇
关键词： 模拟电路 故障 诊断
一、模拟电路故障
电路(系统)诞失规定功能称为故障，在模拟电路中的故障类型及原因如下：从故障性质来分有早期故障、偶然故障和损耗故障。早期故障是由设计、制造的缺陷等原因造成的、在使用初期发生的故障，早期故障率较高并随时间而迅速下降。统计表明，数字电路的早期故障率为3～10％，模拟电路的早期故障率为1～5％，晶体管的早期故障率为0.75～2％，二极管的早期故障率为0.2～1％，电容器的早期故障率为0.1～1％。
偶然故障是由偶然因素造成的、在有效使用期内发生的故障，偶然故障率较低且为常数。损耗故障是由老化、磨损、损耗、疲劳等原因造成的、在使用后期发生的故障，损耗故障率较大且随时间迅速上升。从故障发生的过程来分有软故障、硬故障和间歇故障。软故障又称渐变故障，它是由元件参量随时间和环境条件的影响缓慢变化而超出容差造成的、通过事前测试或监控可以预测的故障。硬故障又称突变故障。它是由于元件的参量突然出现很大偏差(如开路、短路)造成的、通过事前测试或监控不能预测到的故障。根据实验经验统计，硬故障约占故障率的80％，继续研究仍有实用价值。间歇故障是由老化、容差不足、接触不良等原因造成的、仅在某些特定情况下才表现出来的故障。从同时故障数及故障间的相互关系来分有单故障、多故障、独立故障和从属故障。单故障指在某一时刻故障仅涉及一个参量或一个元件，常见于运行中的设备。多故障指与几个参量或元件有关的故障，常见于刚出厂的设备。独立故障是指不是由另一个元件故障而引起的故障。从属故障是指由另一个元件故障引起的故障。
二、测前横拟法sbt
测前模拟法又称故障字典法fd(fault dictionary)或故障模拟法，其理论基础是模式识别原理，基本步骤是在电路测试之前，用计算机模拟电路在各种故障条件下的状态，建立故障字典；电路测试以后，根据测量信号和某种判决准则查字典。从而确定故障。选择测试测量点是故障字典法中最重要的部分。为了在满足隔离要求的条件下使测试点尽可能少，必须选择具有高分辨率的测试点。在大多数情况f，字典法采用查表的形式，表中元素为d…i=l，2，…，n，j=1，2，…，m，n是假设故障的数目，m是测量特性数。
故障字典法的优点是一次性计算，所需测试点少，几乎无需测后计算，因此使用灵活，特别适用于在线诊断，如在机舱、船舱使用。此法缺点是故障经验有限，存储容量大，大规模测试困难，目前主要用于单故障与硬故障的诊断。
故障字典法按建立字典所依据的特性又可分为直流法、频域法和时域法。
(一)直流故障字典法。直流故障字典法是利用电路的直流响应作为故障特征、建立故障字典的方法，其优点是对硬故障的诊断简单有效，相对比较成熟。
(二)频域法。频域法是以电路的频域响应作为故障特征、建立故障字典的方法，其优点是理论分析比较成熟，同时硬件要求比较简单，主要是正弦信号发生器、电压表和频谱分析仪。
(三)时域法。时域法是利用电路的时域响应作为故障特征而建立故障字典的方法。主要有伪噪声信号法和测试信号设计法(辅助信号法)。当故障字典建立后，就可根据电路实测结果与故障字典中存储的数据比较识别故障。
三、测后模拟法sat
测后模拟法又称为故障分析法或元件模拟法，是近年来虽活跃的研究领域，其特点是在电路测试后，根据测量信息对电路模拟，从而进行故障诊断。根据同时可诊断的故障是否受限，sat又分为任意故障诊断(或参数识别技术)及多故障诊断(或故障证实技术)。
(一)任意故障诊断。此法的原理是利用网络响应与元件参数的关系，根据响应的测量值去识别(或求解)网络元件的数值，再根据该值是否在容差范围之内来判定元件是否故障。所以此法称为参数识别技术或元件值的可解性问题，理论上这种方法能查出所有元件的故障，故又称为任意故障诊断。诊断中为了获取充分的测试信息，需要大量地测试数据。
(二)多故障诊断。经验证明，在实际应用中(高可靠电路)，任意故障的可能性很小，单故障概率最高，如果考虑一个故障出现可能导致另一相关故障，假定两个或几个元件同时发生的多故障也是合理的。另外对于模拟lsi(large scale integration，大规模集成电路)电路加工中的微调，也是以有限参数调整为对象的。因此在1979年以后，sat法的研究主要朝着更实用化的多故障诊断方向发展。即假定发生故障的元件是少数几个，通过有限的测量和计算确定故障。因该法是先假定故障范围再进行验证，所以又称为故障证实技术。
四、其他方法
(一)近似技术。近似技术着重研究在测量数有限的情况下，根据一定的判别准则，识别出最可能的故障元件，其中包括概率统计法和优化法。此法原理与故障字典法十分类似，属于测前模拟的一类。采用最小平方准则的联合判别法和迭代法，采用加权平方准则的l2近似法，采用范数最小准则的准逆法等。这些方法都属于测后模拟，由于在线计算量大，运用不多。
模拟电路范文第8篇
介绍了基于神经网络的故障针诊断方法和结合模糊理论应用的故障诊断。分析了小波变换的现代模拟电路软故障诊断的研究现状。
关键词:
模拟电路；软故障诊断；神经网络；模糊理论；小波变换
在最近几年，现代模拟电路故障诊断方法的研究成为了新的热点。其中有基于神经网络。并结合专家系统、小波变换、模糊理论和遗传算法。“小波神经网络”和“模糊神经网络”成为主流的模拟电路软故障诊断方法。
1基于神经网络的故障诊断方法
神经网络有自组织性、自学性、并行性、联想记忆和分类功能,这些信息处理特点使其能够解决一些传统模式难以解决的问题。其中模拟电路故障诊断中的非线性和容差问题就是运用神经网络的非线性映射能力和泛化能力来解决的，同时这也是专家门的较为感兴趣的研究热点。基于神经网络的模拟电路故障诊断方法有一些，其中包括测试节点的选择、确定被测故障集、故障特征的提取等步骤,这种方法与基于测前仿真的故障字典法雷同。前者用制作神经网络和样本集来储存特征信息，而且在测试完毕后定位故障是通过神经网络来处理。所以可以把基于神经网络的方法当作是基于测后仿真和测前仿真的延伸与综合。在故障诊断领域，误差反传神经网络（backpropagationneuralnetwork,BPNN）拥有较好的模式分类特性。然而仅仅以节点电压视作故障特征训练的BPNN只能适用于诊断模拟电路的硬故障。在软故障方面，一般需要基于神经网络和多种特征提取方法的综合应用来诊断。
2基于模糊理论应用的模拟电路软故障诊断
在一些故障诊断问题中，模糊规则适合描述故障诊断的机理。模糊理论中的模糊运算、模糊逻辑系统、模糊集合拥有对模糊信息的准确应付能力，这使得模糊理论成为故障诊断的一种有力工具。神经网络与模糊理论相结合，充分发挥了模糊理论和神经网络各自的优点，并以此来弥补各自的不足，这就是所谓的“模糊神经网络”。这种方法的基本思想是在BPNN的输出层和输入层中间增加一到两层模糊层构造模糊神经网络，分别利用神经网络和模糊逻辑处理低层感知数据与描述高层的逻辑框架，这样一来跟神经网络分类器相比，“模糊神经网络”对模拟电路软故障诊断效果的优势就非常明显。通过一个无监督的聚类算法自组织地确定模糊规则的数目并生成一个初始的故障诊断模糊规则库，构造了一类模糊神经网络，通过训练调整网络权值，使故障诊断模糊规则库的分类更加精确，实现了电路元件的软故障诊断。
3基于小波变换的模拟电路软故障诊断
小波变换是一种新的变换分析方法，它继承和发展了短时傅立叶变换局部化的思想，同时又克服了窗口大小不随频率变化等缺点，能够提供一个随频率改变的"时间-频率"窗口，是进行信号时频分析和处理的理想工具。它的主要特点是通过变换能够充分突出问题某些方面的特征，能对时间（空间）频率的局部化分析，通过伸缩平移运算对信号（函数)逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节，解决了Fourier变换的困难问题，成为继Fourier变换以来在科学方法上的重大突破。若满足时，则由经过伸缩和平移得到的函数成为小波函数族。小波变换具有时域局部特征,而神经网络具有鲁棒性、自学习、自适性和容错性。如何把二者的优势结合起来一直是人们所关注的问题。一种方法是用小波变换对信号进行预处理,即以小波空间作为模式识别的特征空间，通过小波分析来实现信号的特征提取，然后将提取的特征向量送入神经网络处理；另一种即所谓的小波神经网络或小波网络。小波神经网络是神经网络与小波理论相结合的产物，最早是由法国著名的信息科学研究机构IRLSA的ZhangQinghu等人1992年提出来的。小波神经用络是基于小波变换而构成的神经网络模型,即用非线性小波基取代通常的神经元非线性激励函数(如Sigmoid函数),把小波变换与神经网络有机地结合起来,充分继承了两者的优点。近几年来,国内外有关小波网络的研究报告层出不穷。小波与前馈神经网络是小波网络的主要研究方向。小波还可以与其他类型的神经网络结合,例如Kohonen网络对信号做自适应小波分解。
由于神经网络、小波变换、模糊理论在当今的发展上还不是很完善,例如在诊断中，模糊度该如何准确地定量化，对小波变换之后故障信号进行怎样构造能体现故障类别的特征等,因此这些基于神经网络的诊断方法或多或少地存在一些局限性。一般来说,神经网络方法的长处并不是提高诊断精度，而且无论运用什么方法,在选取状态特征参量和确定电路故障集方面,传统的故障诊断方法仍然具有理论上的指导意义。所以,抽取合理的故障特征比构造合适的神经网络更为重要。
参考文献：
[1]梁戈超,何怡刚,朱彦卿.基于模糊神经网络融合遗传算法的模拟电路故障诊断法[J].电路与系统学报,2004,9(2):54-57.
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