CN110910728A - 用于单元电路故障诊断的虚拟仿真实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于单元电路故障诊断的虚拟仿真实验方法，依托虚拟现仿真、多媒体、数据库和互联网技术，依照实际电路故障诊断过程，构建电路故障样本库，并可灵活接入移动端和PC端，形成人机交互的实验平台；样本库包括双极型晶体管放大器、MOSFET放大器、CMOS和扩展实验电路故障样本；每类样本中包含有三种以上单元电路或多级电路故障样本，每个样本分为直流域故障、交流域故障和混合域故障；首先进行基本实验技能训练，自主选择实验电路、进行理论分析并获得电路理论数据，同时，根据所述电路故障样本，利用虚拟测试获取故障电路的数据；采用参数辨识方法结合电路理论，分析和判断电路故障的范围，最终定位故障并排除。

Description

用于单元电路故障诊断的虚拟仿真实验方法

技术领域

本发明涉及一种电路故障诊断教学方法，尤其涉及一种用于单元电路故障诊断的虚拟 仿真实验方法。

背景技术

电路故障诊断的目的是及时发现故障并进行有效处理，防止故障的扩散与恶化，以保 障设备安全可靠运行。随着电子系统，特别是片上系统(System on Chip,SoC)功能的不断 完善和集成度的持续增高，电路故障诊断越来越重要。所形成的典型复杂工程问题，受到 了科学界、工程界的高度重视。传统提高技术人员电路故障诊断能力的方法是依靠其实际 经验积累。由于实际电路故障形态各异、种类繁多，这种培训方式周期长且占用的资源多。 普通实验教学环境仅能提供有限的课时，难以支撑该种训练方式。由此，解决该类复杂工 程问题能力的培养长期成为实验教学的短板。

晶体管单元电路是构成电子系统、片上系统的基本电路模块，晶体管单元电路的故障 是电子系统、片上系统故障的具体反映，其故障诊断技术是电子系统、片上系统电路故障 诊断的基础，并由此发展了智能电路故障诊断、智能电路优化设计、可测性设计、优化成 品率分析等新技术。长期以来，传统的晶体管单元电路实体实验大都是按照给定的电路图， 在面包板上完成电路搭建和电参数测量。然后，进行数据处理、结果分析等实验环节。这 种固化的实验过程与实际工程情况有明显差别，仅有搭建和调试单元电路的操作，缺乏电 路故障诊断等研究型试验内容，也没有深入研讨、创新创造的空间，远不能满足培养解决 复杂工程问题能力的需求。

发明内容

为了解决传统电路故障诊断证性成分偏多、研究、分析内容偏少，以及实体实验效率 低的问题，本发明以问题为导向，率先建设单元电路故障诊断虚拟仿真实验，随机、快速地提供多种模仿工程实际的电路故障样本，弥补现有单元电路故障诊断偏于验证，接触实例偏少的缺陷，并对提出的单元电路故障诊断虚拟仿真实验平台进行研究，探索实验教学新模式。利用该虚拟仿真实验平台强大的虚拟仿真、人机交互能力和数据库技术，使操作者完成单元电路故障诊断的基本技能训练，积累电路故障诊断的经验，激发学习的主动性和求知欲，培养独立分析与解决问题的能力，培养解决复杂工程问题的能力，达到实验教学中知识传授、能力培养、素质提高的协同培养目标。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种用于单元电路故障诊断的虚拟仿真实验方 法，所涉及到的虚拟仿真实验平台是在实体晶体管单管放大器、组合逻辑电路实验的基础 上，依托虚拟现实、三维仿真、多媒体人机交互、数据库和互联网技术，依照电子企业实 际电路故障诊断过程，构建由虚拟元器件、虚拟仪器和电路故障样本库构成的、并且移动 端和PC端灵活接入的人机交互的实验平台；所述电路故障样本库包括：双极型晶体管放大 器单元电路故障样本，MOSFET放大器单元电路故障样本，CMOS数字单元电路故障样本和扩展实验电路故障样本四类电路故障样本；每类电路故障样本中包含有三种以上单元电路或多级电路故障样本，每个单元电路或多级电路故障样本分为直流域故障、交流域故障和混合域故障；所有电路故障样本的数据来源于以往电路故障诊断实践中的数据，以及利用Multisim电路仿真软件得到的仿真故障参数数据；按照所诊断的电路复杂程度分为基本实验和扩展实验，所述基本实验是以单故障电路故障诊断为主，所述扩展实验包括多故障电路故障诊断实验、多级电路故障诊断实验、组合逻辑电路故障诊断实验、功能降额电路故障诊断实验和智能电路故障诊断实验；上述的基本实验和扩展实验的具体内容存放于虚拟仿真实验平台的实验项目明细中；实验的过程是：首先，进行基本实验技能训练，然后，自主选择实验电路、进行理论分析并获得电路理论数据，同时，根据所述电路故障样本， 利用虚拟测试获取故障电路的数据；随后，采用参数辨识方法结合电路理论，分析和判断 电路故障的范围，最终定位故障并排除。

进一步讲，本发明所述的用于单元电路故障诊断的虚拟仿真实验方法，具体步骤如下：

步骤一：进入虚拟仿真实验平台，在单元电路故障诊断实验项目中选择一种故障诊断 实验；

步骤二：按照要求，完成实验准备。按照工程现场要求，进入实验准备阶段，包括佩戴防静电手环、逐一检查仪器设备完好状况和逐一核实元器件参数；

步骤三：操作者搭建单元电路，并对其进行理论分析，得到理论参数；

步骤四：虚拟仿真实验平台随机推出故障样本电路，操作者测量并获取该故障样本电 路的虚拟测量参数，至少包括节点电压和电流；

步骤五：操作者目测故障样本电路，初步确定电路故障范围；

步骤六：比较步骤二获得的单元电路理论分析参数与步骤四获得的虚拟测量参数，得 出故障原因，并将该故障原因录入到虚拟仿真实验平台；

步骤七：通过仪器测试确定并处理单元电路故障点，并录入虚拟仿真实验平台；

步骤八：再次测量晶体管单元电路参数，并根据步骤三获得的理论参数判断是否正常， 若正常，已排除电路故障，执行步骤九，否则，重复执行上述步骤五至步骤七；

步骤九：重复循环执行步骤四至步骤八，循环次数为3时，执行步骤十；

步骤十：从虚拟仿真实验平台的电路故障库中，选择其他电路，重复执行步骤三至步 骤七，然后，再次测量晶体管单元电路参数，并根据步骤三获得的理论参数判断是否正常， 若正常，已排除电路故障，执行步骤十一；或是对已排除故障的电路，在不改变的功能的 前提下，进行降功耗优化设计，然后执行步骤十一。

步骤十一：填写实验报告，提交报告后，退出虚拟仿真实验平台。

在每次实验的操作过程中，重复三次循环执行步骤四至步骤八过程中，电路故障样本 具有随机性和差异性，并随着循环次数的增加，故障诊断的具体内容是由浅入深。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本实验的实验步骤与工程实际中完成电路故障诊断的过程一致，充分利用虚仿实验平 台可随机、快速地提供电路故障样本的优势，在较短时间内接触多种故障样本，并完成单 元电路故障诊断的基本技能训练，积累电路故障诊断的经验，解决实体电路实验验证性成 分偏多、研究、分析内容偏少的问题，以及实体实验效率低，无法支撑电路故障诊断等复 杂工程问题训练的问题。同时，实验随机从数据库中选取故障样本，设置不同的个性化实 验内容。同时激发学习的主动性和求知欲，理论联系实际、经过独立思考与判断确定故障 所在，增加学习的成就感和实验的趣味性，培养独立分析与解决问题的能力，使操作者了 解业界最新的技术动态，培养解决复杂工程问题的能力，达到知识传授、能力培养、素质提高的协同培养目标。

附图说明

图1是本发明用于单元电路故障诊断的虚拟仿真实验方法的虚拟仿真实验平台操作流 程示意图；

图2是本发明实施例的虚拟仿真实验平台示意图。

图3是本发明实施例的的软件架构概要图；

图4是本发明实施例的虚拟仿真实验的界面示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有 任何限制。

为了达到知识传授、能力培养、素质提高的协同培养目标，虚拟实验仿真平台的设计 至关重要。本发明中的虚拟仿真实验平台是由虚拟仪器和元器件根据实物外观建立。电路 故障样本库包括：双极型晶体管放大器单元电路故障样本，MOSFET放大器单元电路故障样本，CMOS数字单元电路故障样本和扩展实验电路故障样本等四个类别，每类样本均含 有3种以上单元电路或多级电路，均分为直流域故障、交流域故障和混合域故障，共计4类、 3域、300种以上电路故障样本。电路故障样本数据来源于相关人员的实践经验数据，以及 利用高级仿真工具软件得到的仿真故障参数数据。为了满足不同层次的需求，实验设计了 基本实验和扩展实验两大部分。基本实验以单故障电路故障诊断为主。扩展实验包括多故 障电路故障诊断，多级电路故障诊断，组合逻辑电路故障诊断，功能降额电路故障诊断， 新型智能电路故障诊断技术等内容。

为了能高效的利用该虚拟仿真平台，提高操作者的综合能力，操作者需首先参加认知 和实体实验，对晶体管单元电路结构和特性有了基本了解，并对通用仪器的使用得到了初 步训练。在此基础上，利用电路出现故障时，其关键节点的电参数与理论分析结果有明显 差距这一原理。操作者利用参数辨识法将理论分析得到的电路参数与现场测试的故障电路 参数相比较，再结合电路理论和实际经验分析、探究、判断故障的可能范围，最终利用直 接观测、参数测试和部件替代等方法确定故障点并排除。

实验过程中，该实验平台以诊断电路的故障问题为导向，首先由按照工程实际的操作 规程，逐完成实验准备，实验电路选择，理论分析与理论参数数据获取等基本步骤。之后， 虚拟实验平台根据选择的电路随机提供电路故障样本。利用虚拟采集(或平台提供)的故 障电路数据与理论数据的比对结果，结合电路理论分析、判断故障所在范围，最终定位故 障成因并加以解决。操作者通过实践电路理论分析、参数获取、研究判断、确定和排除故障的实验过程，加深了对基本电路理论的理解、提升了在理论指导下分析、解决电路故障、电路设计等能力，并实现在较短时间内接触大量实际案例，解决复杂工程问题的能力得到全方位的训练，最终达到提高综合素质与创新创造能力的目的。

本发明中所研究的单元电路故障诊断虚拟仿真实验平台是在实体晶体管单管放大器、 组合逻辑电路等实验的基础上，依托虚拟现实、三维仿真、多媒体人机交互、数据库和互 联网技术，依照电子企业实际电路故障诊断过程，构建由虚拟元器件、虚拟仪器、电路故 障样本库构成，移动端、PC端灵活接入，人机交互的实验平台。

本发明通过对单元电路故障诊断虚拟仿真实验平台进行教学研究，以培养操作者能力 为主题，选择单元电路故障诊断为突破口，通过个性化的故障诊断实验方案设计，引导操 作者主动学习、理论联系实际、经过独立思考与判断确定故障所在。

该虚仿实验平台要求操作者每操作一次平台，完成3个故障样本诊断任务。3个故障诊 断任务由浅入深，分别为电路的直流域故障诊断，交流域故障诊断和混合域故障诊断。其 使用方法如下：首先，熟悉通用仪器的使用、电子元器件认知、电路关键节点电参数(指 标)测试等基本实验技能训练；然后，自主选择实验电路、进行理论分析并获得电路理论 数据；同时，根据虚仿平台提供的故障电路样本，利用虚拟测试获取故障电路数据；随后， 采用参数辨识方法结合电路理论，研究、分析、判断电路故障的范围，最终定位故障并排 除。

以操作者自主操作该虚拟仿真实验平台进行双极型晶体管放大器单元电路的直流域故 障诊断为例说明该实验平台的基本操作流程：

步骤一：登录仿真实验教学中心，选择“单元电路故障诊断实验”。登录仿真实验教学中 心，在虚拟实验列表中选择“单元电路故障诊断实验”项目；

步骤二：按照要求，完成实验准备。按照工程现场要求，进入实验准备阶段，包括佩戴防静电手环、逐一检查仪器设备完好状况和逐一核实元器件参数；

步骤三：操作者搭建单元电路，并对其进行理论分析。操作者根据需求选择实验模块 并搭建所需的单元电路，并完成所选电路实验分析，并将分析结果录入虚拟仿真实验平台， 如数据不正确，虚拟仿真实验平台将给出提示，要求重新分析，直至获得正确数据为止；

步骤四：虚仿平台随机推出故障样本电路，并获取其参数。虚仿平台根据步骤三所搭 建的单元电路自动、随机推出故障电路样本，操作者在虚拟环境下，针对虚拟仿真实验平 台提供的故障电路样本，获取电路参数(如节点电压、电流等数据)。

步骤五：目测电路模块，分析电路故障原因；首先针对步骤三所搭建的单元电路进行 目测检查，以发现明显损坏的元器件和接触不良的联接点，并将目测结果录入虚拟仿真实 验平台。若判断正确，则进行步骤八。若判断不正确，虚拟仿真实验平台将给出提示，并要求重新确定故障所在；

步骤六：比较单元电路理论分析参数与虚拟测量参数。理论分析单元电路的节点参数， 并与虚拟平台上获取的电路参数进行比较，分析得出故障节点，并将该故障节点名录入到 虚拟仿真实验平台。若判断正确，则进行步骤八。若判断不正确，虚拟仿真实验平台将给 出提示，并要求重新确定故障所在；

步骤七：仪器测试，确定并处理单元电路故障点。对该虚拟单元电路使用在线测量仪 器进行故障分析(如万用表)，并将确定的故障录入虚拟仿真实验平台。若判断正确，则进 行步骤八。若判断不正确，虚拟仿真实验平台将给出提示，并要求重新确定故障所在。

步骤八：再次测量单元电路参数是否正常。在虚拟环境下，再次测量电路参数是否正 常，如果各节点电路参数恢复正常，则执行步骤九；否则，重复执行上述步骤五至步骤七；

步骤九：是否已完成三次故障诊断实验。判断是否已完成三次故障诊断实验，如果已 完成则进入步骤十，否则由虚拟仿真实验平台针对步骤三所搭建的单元电路设置新的电路 故障点，重复依次执行上述步骤四至步骤八，排除该新的电路故障。直到完成三次故障诊 断实验；

步骤十：自主学习前沿技术。从虚拟仿真实验平台的电路故障库中，选择其他电路， 对其进行故障诊断；或是重新优化设计，即对已排除故障的电路，在不改变的功能的前提 下，进行降功耗优化设计，然后执行步骤十一。

步骤十一：填写实验报告，退出系统。填写实验报告，提交报告后实验结束，退出虚拟仿真实验平台。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式， 上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明 的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保 护之内。

Claims (3)

1.一种用于单元电路故障诊断的虚拟仿真实验方法，其特征在于，所涉及到的虚拟仿真实验平台是在实体晶体管单管放大器、组合逻辑电路实验的基础上，依托虚拟现实、三维仿真、多媒体人机交互、数据库和互联网技术，依照电子企业实际电路故障诊断过程，构建由虚拟元器件、虚拟仪器和电路故障样本库构成的、并且移动端和PC端灵活接入的人机交互的实验平台；

所述电路故障样本库包括：双极型晶体管放大器单元电路故障样本，MOSFET放大器单元电路故障样本，CMOS数字单元电路故障样本和扩展实验电路故障样本四类电路故障样本；每类电路故障样本中包含有三种以上单元电路或多级电路故障样本，每个单元电路或多级电路故障样本分为直流域故障、交流域故障和混合域故障；所有电路故障样本的数据来源于以往电路故障诊断实践中的数据，以及利用Multisim电路仿真软件得到的仿真故障参数数据；

按照所诊断的电路复杂程度分为基本实验和扩展实验，所述基本实验是以单故障电路故障诊断为主，所述扩展实验包括多故障电路故障诊断实验、多级电路故障诊断实验、组合逻辑电路故障诊断实验、功能降额电路故障诊断实验和智能电路故障诊断实验；上述的基本实验和扩展实验的具体内容存放于虚拟仿真实验平台的实验项目明细中；

实验的过程是：首先，进行基本实验技能训练，然后，自主选择实验电路、进行理论分析并获得电路理论数据，同时，根据所述电路故障样本，利用虚拟测试获取故障电路的数据；随后，采用参数辨识方法结合电路理论，分析和判断电路故障的范围，最终定位故障并排除。

2.根据权利要求1所述的用于单元电路故障诊断的虚拟仿真实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：进入虚拟仿真实验平台，在单元电路故障诊断实验项目中选择一种故障诊断实验；

步骤二：按照要求，完成实验准备。按照工程现场要求，进入实验准备阶段，包括佩戴防静电手环、逐一检查仪器设备完好状况和逐一核实元器件参数；

步骤三：操作者搭建单元电路，并对其进行理论分析，得到理论参数；

步骤四：虚拟仿真实验平台随机推出故障样本电路，操作者测量并获取该故障样本电路的虚拟测量参数，至少包括节点电压和电流；

步骤五：操作者目测故障样本电路，初步确定电路故障范围；

步骤六：比较步骤二获得的单元电路理论分析参数与步骤四获得的虚拟测量参数，得出故障原因，并将该故障原因名录入到虚拟仿真实验平台；

步骤七：通过仪器测试确定并处理单元电路故障点，并录入虚拟仿真实验平台；

步骤八：再次测量单元电路参数，并根据步骤三获得的理论参数判断是否正常，若正常，已排除电路故障，执行步骤九，否则，重复执行上述步骤五至步骤七；

步骤九：重复循环执行步骤四至步骤八，循环次数为3时，执行步骤十；

步骤十：从虚拟仿真实验平台的电路故障库中，选择其他电路，重复执行步骤三至步骤七，然后，再次测量单元电路参数，并根据步骤三获得的理论参数判断是否正常，若正常，已排除电路故障，执行步骤十一；或是对已排除故障的电路，在不改变的功能的前提下，进行降功耗优化设计，然后执行步骤十一；

步骤十一：填写实验报告，提交报告后，退出虚拟仿真实验平台。

3.根据权利要求2所述的用于单元电路故障诊断的虚拟仿真实验方法，其特征在于，每次实验的操作过程中，重复三次循环执行步骤四至步骤八过程中，电路故障样本具有随机性和差异性，并随着循环次数的增加，故障诊断的具体内容是由浅入深。

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