1、大规模数字模拟电路逻辑故障诊断与可靠性设计实验报告学生姓名：学 号：同组成员： 2011年12月18日目录第一部分：数字电路系统故障诊断与可靠性设计11 伪穷举法数字逻辑电路故障诊断11.1 实验目的11.2 实验原理11.3 实验内容21.4 实验设备21.5 实验步骤21.6 实验结果分析42 故障字典法数字逻辑电路故障诊断52.1 实验目的52.2 实验原理52.3 实验内容52.4 实验设备62.5 实验步骤62.6 实验结果分析73 布尔差分法数字逻辑电路的故障诊断83.1 实验目的83.2 实验原理83.3 实验内容103.4 实验设备103.5 实验步骤103.6 实验结果分析1
2、2第二部分：模拟电路系统故障诊断与可靠性设计实验131 故障字典法测试模拟电路系统故障131.1 实验目的131.2 实验原理131.3 实验设备141.4 实验内容141.5 实验结果分析171.6 思考题19第三部分：总结、实验心得20第一部分：数字电路系统故障诊断与可靠性设计1 伪穷举法数字逻辑电路故障诊断1.1 实验目的1) 理解穷举法和伪穷举法在测试组合逻辑电路故障中各自的优缺点。2) 掌握用伪穷举法测试查找组合逻辑电路故障的方法。1.2 实验原理一个具有个原始输入端的组合电路实现逻辑功能，而原设计的逻辑功能为，如果对于任意设计维矢量有那么认为所设计或使用的电路是正确的，或者说是无故
3、障的。显然，为了全面校核该组合电路，应把所有可能的都作为输入矢量，然后观察其输出（响应）是否与原设计相符，以鉴别其是否有故障，这种做法叫穷举法。穷举法可以检测电路中所有可能的故障，但由于其测试的工作量太大，因此在实际应用上，尤其是对大型电路的测试存在困难，甚至是不现实的。穷举法虽然有测试费时的缺点，但是它具有测试矢量产生简单，故障检测率高等显著的优点，故一直对研究人员有很大的吸引力。针对上面介绍穷举法具有测试工作量大的缺点，伪穷举法应运而生。伪穷举法的主要思路是把电路分割成若干小块，以便减少测试所用的输入矢量数目。图1 电路图如图1所示，该电路有4个原始输入端，因此用穷举法测试应施加个不同的测
4、试矢量。现在把电路B点分开，变成2个子电路，断开点B对于门来说是一个伪输入端，用记之。为了穷举测试门，必须有4个测试矢量。同时为了能在可及端处观察到B点的变化情况，A的电平需要是0电平，这仅需或者即可实现，因此总的测试矢量数是4个。为了穷举测试除以外的电路，除原始输入端和以外还有伪输入端，相当于有3个输入端，因此共需个测试矢量。因此测试完整个电路共需要个输入矢量，这已经比一般的穷举法测试需要的16个输入矢量少了4个。事实上精心选择只需要8个输入矢量即可穷举测试完全部电路。因为这两个子电路的有些测试矢量是相容的。1.3 实验内容利用穷举法和伪穷举法分别对下面电路进行故障测试，并定位故障。1.4
5、实验设备1) 数字电路系统故障诊断实验装置2) 计算机及实验控制软件3) 直流稳压电源1.5 实验步骤1) 检查无误后通电。2) 运行数字电路系统故障诊断实验控制软件，进入实验1的界面，如图2所示。图2 “数字电路系统故障诊断-伪穷举法”操作界面3) 写出“OUT701”的布尔函数表达式：OUT701 = IN701IN702IN703IN7044) 按操作界面的“正常”命令按钮，使电路工作在正常状态，用穷举法测试，写出输入测试向量和输出结果如表1所示。表1 测试向量及结果IN701IN702IN703IN704OUT701OUT702OUT70300000110001011001001000
6、110100100011010101101100110111010100001110010111010010101101011000011101001111000011111005) 如果采用伪穷举法，分别写出“OUT702”、“OUT703”、“OUT704” “OUT705”、“OUT706”故障分别为（s-a-1）和（s-a-0）下的测试向量并验证查找“故障1”和“故障2”的故障节点。令A=IN701，B=IN702，C=IN703，D=IN704，则各节点测试向量如表2。表2 各节点测试向量输出信号布尔表达式故障类型测试向量OUT701/702/703ABCD正常故障1故障2OUT70
7、2s-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-000010/1/10/1/11/1/100110/1/00/1/01/1/001010/1/10/1/11/1/101110/1/00/1/01/1/010010/1/10/1/11/1/110110/1/00/1/01/1/011010/0/10/0/11/0/1s-a-111111/0/00
8、/0/01/0/0OUT705s-a-000000/1/10/1/10/1/100010/1/10/1/11/1/100100/1/00/1/00/1/000110/1/00/1/01/1/001000/1/10/1/10/1/101010/1/10/1/11/1/101100/1/00/1/00/1/001110/1/00/1/01/1/010000/1/10/1/10/1/110010/1/10/1/11/1/110100/1/00/1/00/1/010110/1/00/1/01/1/11000/0/10/0/10/0/111010/0/10/0/11/0/111100/0/00/0/00
9、/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 实验结果分析比较正常状态与故障1状态输出结果可以得到（1111）时，正常输出为1，故障1输出为0，此时发生故障，其他15种情况都与正常同。而（1111）所对应的测试的时节点的（s-a-1）故障，说明在节点必为（s-a-1）故障。由于OUT702，OUT703，OUT704，OUT705，OUT706检测（s-a-1）故障的节点有且仅有（1111），所以无法分辨（s-a-1）故障最终在哪个节点发生（s-a-1）故障，故故障1检
10、测为（s-a-1）故障，但无法确定故障节点的位置。比较正常状态与故障2状态输出结果可以得到（0000）,（0011）,（0101）,（0111）,（1001）,（1011）,（1101）这七种输出时，电路发生故障。通过上表可以得出这些点都时判断（s-a-0）故障的，所以故障2为（s-a-0）故障，这7种输出分别在OUT702，OUT703，OUT704中，所以故障节点为OUT702，OUT703，OUT704中的一个。因为是单故障系统，所以假设特定某一个节点故障，则其他都应该时正常的。现假设OUT702为（s-a-0）故障，则OUT703，OUT704为正常。属于OUT702的判据为（0011
11、）（0111）（1011）。（0111）,（1001）,（1011）,（1101）是OUT703，OUT704的判据，如果假设成立，则这4种情况也应该正常，假设矛盾，说明假设不成立。同理OUT703也是如此，所以故障的一定时OUT704，这7种情况均为OUT704对应（s-a-0）故障的判据。所以可得故障2为(s-a-0)故障，故障节点是OUT704。2 故障字典法数字逻辑电路故障诊断2.1 实验目的1) 理解故障字典法的原理。2) 掌握用故障字典法测试查找组合逻辑电路故障的建立方法和原则。2.2 实验原理数字电路故障诊断的关键是建立故障字典，主要步骤如下：1) 数字电路按功能分块，原则是：a
12、) 当多路输入汇聚于某个器件且该器件的输出为新的器件的汇聚点时，则多路输入和汇聚器件划分为一个功能块。b) 当多路输入汇聚于某个器件且该器件的输出不为新的器件的汇聚点时，则重汇聚器件的输出传递到新的汇聚器件之前的电路划分为一个功能块。c) 对简单的几个汇聚叠加器件可以合并为一个功能块。2) 生成测试向量，对每个功能块生成测试向量，在各功能块测试向量的生成过程中，可以采用两种思路来简化：一是考虑功能块在个输入端选择一个共同的基向量，二是基于器件可能的工作状态来穷举测试向量。3) 按功能块的输入、输出关系进行测试码的迭代。迭代方法：从最后一级功能块开始，根据后一级功能块的输入对前一级功能块的输入要
13、求，从前一级功能块中列出满足后一级功能块要求的输入状态的组合。当前以及输入状态的组合不能在后一级功能块的输出中完全列出时，将后一级功能块的测试码对应的状态进行重复列写。2.3 实验内容利用故障字典法对实验电路进行故障测试，并定位故障。2.4 实验设备1) 数字电路系统故障诊断实验装置。2) 计算机及实验控制软件。3) 直流稳压电源。2.5 实验步骤1) 检查无误后通电。2) 运行数字电路系统故障诊断实验控制软件，进入实验2的界面，如图3所示。图3“数字电路系统故障诊断-故障字典法”操作界面3) 写出“OUT501” 、“OUT502” 、“OUT503”、的布尔函数表达式。=，OUT501OU
14、T502OUT5034) 根据图中电路，分别写出“OUT504”、“OUT506”，“OUT508”3个节点在故障为（s-a-1）、（s-a-0）故障的情况下的输入测试矢量，使得该节点的故障能够传输到输出端“OUT501” 、“OUT502” 、“OUT503”。表3 OUT504在故障为（s-a-1）、（s-a-0）故障的情况下的输入测试矢量故障输 入IN5XX故障输出OUT5XX正常输出OUT5XX0102030405060708091011010203010203s-a-100001100100011010s-a-011001100100010011表4 OUT506在故障为（s-a-1
15、）、（s-a-0）故障的情况下的输入测试矢量故障输 入IN5XX故障输出OUT5XX正常输出OUT5XX0102030405060708091011010203010203s-a-1000011001000110 10s-a-000000100100110111表5 OUT508在故障为（s-a-1）、（s-a-0）故障的情况下的输入测试矢量故障输 入IN5XX故障输出OUT5XX正常输出OUT5XX0102030405060708091011010203010203s-a-100001110100110111s-a-0000011001000110105) 根据以上建立的故障字典，在计算机实
16、验控制软件上验证正常情况下的输出是否正确。6) 选定“故障1”按钮，分别输入上面建立的故障字典，根据输出判定电路的故障。7) 选定“故障2”按钮，分别输入上面建立的故障字典，根据输出判定电路的故障。表6 第5、6、7步的输出结果节点输 入IN5XX故障1故障2正常1234567891011123123123OUT5040000110010001101001000000100100011010011OUT5060000110010001101101000000100100011010111OUT50800111111011111111010001111001000110101112.6 实验结果
17、分析根据输出结果与故障字典对比可知：1) 故障1可能为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为OUT504的s-a-0故障。3 布尔差分法数字逻辑电路的故障诊断3.1 实验目的1) 理解布尔差分法的诊断故障原理2) 掌握布尔差分法逻辑电路故障诊断方法3.2 实验原理应用布尔差分法对组合逻辑电路进行单故障诊断，布尔差分法是组合逻辑电路测试矢量生成的一种方法。对布尔函数：定义：3.2.1一阶布尔差分定义为相对于变量的差分。这个定义说明：当变量从变成时，函数与之间的差异量，由于变量是离散变量，它在变化时不存在“极限量”，因此其导数也就称
18、为差分。事实上，如变量集X中含有变量和其他的变量，则式？求的是它的一阶偏差分。但由于两者的求法和均值相同，这里也就不再加以区分。定义了函数对于的一价布尔差分后，则可得到诊断故障和的测试矢量分别为：其中的计算公式为：3.2.2一阶布尔差分的性质1)证明：2) ，其中，均是的函数证明：3) ，其中，均是的函数证明：4) ，其中，均是的函数证明：5) 如果函数中没有变量，则，证明：由于中没有变量，所以有：，则 ，6) 如果是变量的函数，而又是变量和的函数，则测试故障和的测试矢量集分别为：， 3.3 实验内容1) 利用布尔差分法求诊断故障的测试矢量集。2) 利用计算机中的测试工具对实验电路进行定位，确
19、定故障模式。3.4 实验设备1) 数字电路系统故障诊断实验装置。2) 计算机及实验控制软件。3) 直流稳压电源。3.5 实验步骤1) 检查无误后通电。2) 运行数字电路系统故障诊断实验控制软件，进入实验3的界面，如图4所示。图4“数字电路系统故障诊断-布尔差分法”操作界面为书写方便，图中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) 写出“”关于“”和输入的布尔函数表达式。=4) 写出“OUT602”关于输入的布尔函数表达式。=5) 写出输出关于节点的一阶布尔差分式。则有：6) 写出检测故障（s-a-1）和（s-a-
20、0）的测试矢量集： 则测试矢量集分别为： 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) 电路验证，分别在正常和故障1、故障2的情况下输入故障测试矢量，并填入表7。表7 输入的故障测试矢量输入(IN601-IN604)输出(OUT601)正常故障1输出(OUT601)故障2输出(OUT601)(0，0，1，X)010(1，0，1，X)110(0，1，1，X)110(1，1，1，X)1103.6 实验结果分析由7表可知，故障1为（s-a-1）故障，故障2为（s-a-0）故障。第二部分：模拟电路系统故障诊断与可靠性设
21、计实验1 故障字典法测试模拟电路系统故障1.1 实验目的1) 学习和掌握模拟电路直流故障字典法2) 对典型模拟电路系统进行故障分析与诊断1.2 实验原理模拟电路故障诊断系统框图如图5所示。主要由三部分构成：1) 模拟电路实验板，提供故障诊断实验对象和故障设置。2) 数据采集卡，实现实验对象节点电压数据的采集。3) 计算机控制操作软件，实现数据的采集显示。图5 模拟电路故障诊断系统框图模拟电路实验板和电路图如图6所示，为一个三极管典型电路，RC、RE分别为集电极、发射极电阻，RB1，RB2为基极偏置电阻。图6模拟电路实验板和电路图1.3 实验设备1) 计算机、数据采集卡及实验控制软件。2) 数字
22、存储示波器。3) 大规模数字、模拟系统可靠性分析与故障诊断实验装置。4) 稳压电源。1.4 实验内容1.4.1 准备工作1) 熟悉实验装置和实验控制软件的操作。2) 连接好实验装置电源（注意：+12V（绿色）、-12V（黄色）、+5V电源（红色）、地（黑色），检查是否连接无误。如图7所示。图7 模拟电路系统电源接线图3) 连接和计算机数据采集卡的电缆（DB37）。如图8所示。图8 DB37电缆和电源线连接图4) 检查无误后通电。5) 运行计算机桌面上“模拟电路系统故障诊断实验控制软件”，界面如图9所示。图9 模拟电路系统故障诊断实验控制软件界面6) 按“Next”命令按钮进入实验控制软件界面。
23、如图10所示。图10 模拟电路系统故障诊断实验控制软件1.4.2 建立故障字典1) 测试节点的选择，选择三极管的E、B、C三个极作为测试节点。2) 采集正常电路和4种故障的节点电压值并记录、添表，格式见表8。正常和故障按下面所示的拨码开关位置（拨码开关在模拟电路系统实验板右下方）。如图11黑椭圆所示。图11 故障设置拨码开关位置设置好一种故障后，按计算机控制软件的“RUN”命令按钮，程序运行完毕后即可得到相应故障的各个节点测试电压值。 （1）正常 （2） C、E极短路 （3） 电阻RE短路 （4）B、C极短路 （5） 电阻RC短路3) 测试向量值模糊域的划分，填写表9。4) 模糊集的分割，填写
24、表10。5) 故障的隔离，填写表11。6) 故障字典的建立1.4.3 故障分析诊断1) 该拨码开关位置下电路采集值，添表5计算确定电路的工作状态。2) 该拨码开关位置下电路采集值，添表6计算确定电路的工作状态。1.5 实验结果分析表8 正常电路和4种故障的节点电压值拨码开关位置节点V_C节点V_B节点V_E（1）正常 （NOR）4.375004.985354.38477（2）C、E极短路 （F1）4.355474.975594.40430（3）电阻RE短路（F2）0.039060.678710.01953（4）B、C极短路 （F3）4.882814.931644.33594（5）电阻RC短路（
25、F4）11.835945.483404.88281表9 测试向量值模糊域的划分1) V_C0.03F2NOR4.36F14.384.88F311.84F42) V_B0.68F2F14.93F34.984.99NOR5.48F43) V_E0.02F24.34F34.40F1NORF44.88表10 模糊集分割表1231节点V_CF2F1,F3F42节点V_BF2F3,NORF43节点V_EF2F3, F1(NOR)F4表11 故障的隔离表1节点V_C1(1,2)(2,2)(3,1)2节点V_B1(1,2)(2,2)(3,1)3节点V_E1(1,2)(2,2)(3,1)2(1,1)与(2,1)
26、对称差2(1,1)与(2,1)对称差2(1,1)与(2,1)对称差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)利用线性代数广义距离的概念确定在要求的拨码开关位置下电路采集值到各个故障模糊集的距离，确定电路的工作状态如下：节点电压值：（1）V_C =4.48366V； （2）V_B = 4.98248V； （3）V_E =4.56372VSSD（NOR）=0.SSD（F1）=0.SSD（F2）=56.SSD（F3）=0.SSD（F4）=134.335221电路工作状态：电路此时发生故障F1。利用线性代数
27、广义距离的概念确定在要求的拨码开关位置下电路采集值到各个故障模糊集的距离，确定电路的工作状态如下：节点电压值：（1）V_C =0.09232V； （2）V_B =0.65430V； （3）V_E = 0.04253VSSD（NOR）=57.SSD（F1）=57.SSD（F2）=0.SSD（F3）=56.SSD（F4）=205.电路工作状态：F21.6 思考题如上所建立的故障字典中如果故障不能完全隔离诊断出，可以采用什么方法达到所有故障的完全隔离（单故障）。答：如果不能隔离出所有故障，则需要增加测试向量的维数或模糊集的个数。有时无论增加多少测试点，无论怎样改变激励信号，有些故障也无法隔离出来，则
28、这种故障是无法唯一确定的。第三部分：总结、实验心得虽然在本科阶段学过数字电路和模拟电路，但是由于时间比较长，和理论与现实的差距比较大，该次实验还是有一定的难度的。主要体现在实验的内容比较多，主要包括三个实验，第一个是数字电路部分，采用伪穷举法完成数字逻辑电路诊断，由于还是学过数字电路的，在完全了解数字电路的组成之后进度还是比较快的，也比较顺利的完成了实验的第一部分。第二个小实验故障字典法数字逻辑短路故障诊断，由于对推导布尔表达式不太熟悉，采用了简单和不通用的直观法，这部分体现了自己准备的还不是太充分，没有意识到会被小点卡住，以后预习一定要更加认真。第三个布尔差分法数字逻辑电路的故障诊断相对也比较顺利。同时呢实验中团队合作也非常重要，在实验中很多东西个人的理解有偏差，而团队常常可以提供合理的解决方案，比如布尔变量的推导，操作过程中也可以一个人操作电脑，另外一人记录数据，经过团队的良好配合，我们比较顺利和比较快的完成了实验。最后感谢老师和助教对我们实验过程中的精心讲解和指导！
