CN112615623B - 倒t型dac转换电路的单故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倒T型DAC转换电路的单故障诊断方法，首先获取倒T型DAC转换电路的电路参数，当需要对模拟开关进行单故障诊断时，获取模拟开关发生固定0故障或固定1故障时的电压参考值，然后通过计算测试状态向量下输出端电压与电压参考值之间的差值进行故障诊断；当需要对电阻元件进行单故障诊断时，将电阻元件参数向量作为遗传算法中的个体，基于遗传算法进行电阻元件的单故障诊断，在计算个体适应度值时，采用传输函数在不同模拟开关状态组合下计算得到输出电压向量，其与故障输出电压向量之间的欧式距离即作为个体适应度值。本发明通过分别对模拟开关和电阻元件设计故障诊断方式，实现了倒T型DAC转换电路的单故障诊断。

Description

倒T型DAC转换电路的单故障诊断方法

技术领域

本发明属于数模混合电路故障诊断技术领域，更为具体地讲，涉及一种倒T型DAC转换电路的单故障诊断方法。

背景技术

随着集成电路的快速发展，越来越多的数模混合信号的设备被设计出来，这些设备主要用于多媒体，无线网络和一些便携式数据系统等。很多传统上使用模拟电路技术的应用现在很大一部分已经被数模混合电路技术所取代。把数字电路与模拟电路集成在单一的芯片上，不仅可以使电路性能得到提升，还能减少电路板的尺寸和成本。虽然现在大量相当复杂的数字处理电路被广泛的使用，但是模拟信号仍然需要模拟电路提供处理和接口服务，并且现在对数模混合电路的测试很多都是建立在对数字电路和模拟电路单独测试的基础上进行的。大量数模混合集成电路产品的成本主要来自于电路的测试成本，特别是模拟电路测试这部分就占据了测试成本的大部分。因此，尽快研发出高效的模拟/数模混合电路的测试方法成为现在的当务之急。

DAC转换电路是一种典型的数模混合电路，工作过程为：输入数字信号(二进制数)控制相应的电子开关，经T形电阻网络将二进制数字信号转换成与其数值成正比的电流，再由运算放大器将模拟电流转换成模拟电压输出，从而实现由数字信号到模拟信号的转换。DAC的电路形式有多种，目前广泛应用的是T型和倒T型电阻网络DAC，该D/A转换器只采用了R，2R两种阻值的电阻，故在集成芯片中，应用最为广泛，是目前D/A转换器中转换速度最快的一种。但是目前还缺少一种对倒T型DAC转换电路进行故障诊断的有效手段，需要进一步研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种倒T型DAC转换电路的单故障诊断方法，实现了模拟开关和电阻元件的单故障诊断。

为实现上述发明目的，本发明倒T型DAC转换电路的单故障诊断方法包括以下步骤：

S1：获取倒T型DAC转换电路的电路参数，记模拟开关为S_n，n＝0,1,…,N-1，N表示模拟开关数量，在由R、2R两种阻值电阻构成的倒T型电阻网络中，记R、2R两种阻值电阻的阻值为R_k，k＝1,2,…,2N，记与运算放大器连接的反馈电阻的阻值为R_2N+1；

S2：当需要对倒T型DAC转换电路的模拟开关进行单故障诊断时，采用如下方法进行模拟开关的单故障诊断：

记模拟开关S_n的状态为D_n，D_n＝1时表示模拟开关S_n与运算放大器的反向输入端相接，D_n＝0时表示模拟开关S_n接地；获取运算放大器输出端电压U的计算公式如下：

其中，VCC表示基准电源电压；

首先对于各个模拟开关S_n，令该模拟开关S_n的状态D_n＝0，其余N-1个模拟开关的状态为1，代入运算放大器输出端电压U的计算公式得到模拟开关S_n发生固定0故障时的输出端电压参考值

然后设置所有模拟开关的状态D_n均为1，测试倒T型DAC转换电路的运算放大器输出端电压U^f1，计算其与各个输出端电压参考值

之间的差值绝对值，选取最小差值绝对值所对应的模拟开关作为模拟开关固定0故障的诊断结果；

然后对于各个模拟开关S_n，令该模拟开关S_n的状态D_n＝1，其余N-1个模拟开关的状态为0，代入运算放大器输出端电压U的计算公式得到模拟开关S_n发生固定1故障时的输出端电压参考值

然后设置所有模拟开关的状态D_n均为0，测试倒T型DAC转换电路的运算放大器输出端电压U^f2，计算其与各个输出端电压参考值

之间的差值绝对值，选取最小差值绝对值所对应的模拟开关作为模拟开关固定1故障的诊断结果；

S3：当需要对倒T型DAC转换电路的电阻元件进行单故障诊断时，采用如下方法基于遗传算法进行电阻元件的单故障诊断：

S3.1：记电阻元件参数向量R＝(R₁,…,R_2N,R_2N+1)，根据电路分析确定在预设的输入参考电压V_ref下，各个模拟开关所对应的支路电流I_n关于电阻元件参数向量R的函数I_n(R)，然后得到运算放大器输出端电压U关于电阻元件参数向量R的传输函数U(R)：

S3.2：确定倒T型DAC转换电路模拟开关的所有状态组合，记第m个状态组合为D_m＝(D_m0,D_m1,…,D_mN-1)，D_mn表示第m个状态组合中模拟开关S_n的状态，m＝1,2,…,2^N；

S3.3：当倒T型DAC转换电路发生电阻元件故障时，按照每个状态组合对倒T型DAC转换电路中的模拟开关状态进行设置，得到各个状态组合下倒T型DAC转换电路的故障输出电压有效值U_m，得到故障输出电压向量

S3.4：以电阻元件参数向量R＝(R₁,…,R_2N,R_2N+1)作为遗传算法中的个体，对每个电阻元件分别生成1个分种群p_k′，k′＝1,2,…,2N+1，在分种群p_k′中的每个个体中，电阻元件参数值R_k′在该电阻元件的故障范围内取值，其他电阻元件的参数值在容差范围内取值。然后将N个分种群p_k′合并，构成种群P，记种群P中个体数量为G；

S3.5：判断是否达到遗传算法的迭代结束条件，如果是，进入步骤S3.10，否则进入步骤S3.6；

S3.6：分别对每个分种群p_k′进行交叉和变异操作，得到子种群q_k′，N个子种群q_k′构成种群Q；在进行交叉和变异操作时，需要保证子种群q_k′中参数值R_k′不超过该电阻元件的故障范围，其他电阻元件的参数值不超过其容差范围；

S3.7：将种群P和种群Q进行合并，构成种群S，即S＝P∪Q；

S3.8：对种群S中的每个个体分别计算适应度值，具体计算方法如下：

对于每个个体，采用步骤S3.1中的传输函数U(R)在不同开关状态组合下计算得到输出电压U_g,m，g＝1,2,…,2G，得到该个体对应的输出电压向量

然后计算输出电压向量

与故障输出电压向量

之间的欧式距离Dis_g，即作为个体适应度值；

S3.9：根据欧式距离Dis_g从种群S中优选欧式距离较小的G个个体作为下一代种群P，然后划分得到各分种群p_k′，返回步骤S3.5；分种群划分的方法如下：

对于当前种群P中的每个个体，依次判断每个电阻元件的参数值是否位于容差范围内，如果是，则判断下一个电阻元件，如果不是，则说明该电阻元件的参数值位于故障范围内，将该个体划分至对应电阻元件的分种群p_k′中；

S3.10：从当前种群中选择欧式距离最小的个体，该个体中参数值位于故障范围内的电阻元件即为故障诊断结果。

本发明倒T型DAC转换电路的单故障诊断方法，首先获取倒T型DAC转换电路的电路参数，当需要对模拟开关进行单故障诊断时，获取模拟开关发生固定0故障或固定1故障时的电压参考值，然后通过计算测试状态向量下输出端电压与电压参考值之间的差值进行故障诊断；当需要对电阻元件进行单故障诊断时，将电阻元件参数向量作为遗传算法中的个体，基于遗传算法进行电阻元件的单故障诊断，在计算个体适应度值时，采用传输函数在不同开关状态组合下计算得到输出电压向量，采用传输函数在不同模拟开关状态组合下计算得到输出电压向量，其与故障输出电压向量之间的欧式距离即作为个体适应度值。本发明通过分别对模拟开关和电阻元件设计故障诊断方式，实现了倒T型DAC转换电路的单故障诊断。

附图说明

图1是本发明倒T型DAC转换电路的单故障诊断方法的具体实施方式流程图；

图2是本发明中基于遗传算法进行电阻元件单故障诊断的流程图；

图3是4位倒T型电阻网络DAC转换电路原理电路图；

图4是图3所示DAC转换电路开关状态为1000的状态图；

图5是图3所示DAC转换电路开关状态为1111的状态图；

图6是COMS模拟开关的电路原理图；

图7是图3所示DAC转换电路开关状态为1000、电阻R₄参数改变的状态图；

图8是图3所示DAC转换电路开关状态为1000、电阻R₇参数改变的状态图；

图9是单口网络图；

图10是图3所示DAC转换电路中R₅两端开路、VCC短路的电路图；

图11是图3所示DAC转换电路中R₅两端开路、VCC短路的电路图；

图12是图11所示情况下开关S₂开关支路的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本发明倒T型DAC转换电路的单故障诊断方法的具体实施方式流程图。如图1所示，本发明倒T型DAC转换电路的单故障诊断方法的具体步骤包括：

S1：获取倒T型DAC转换电路的电路参数：

首先获取倒T型DAC转换电路的电路参数。倒T型DAC转换电路是由R、2R两种阻值的电阻构成的倒T形电阻网络、模拟开关、运算放大电器组成的。获取倒T型DAC转换电路的电路参数，记模拟开关为S_n，n＝0,1,…,N-1，N表示模拟开关数量，在由R、2R两种阻值电阻构成的倒T型电阻网络中，记R、2R两种阻值电阻的阻值为R_k，k＝1,2,…,2N，记与运算放大器连接的反馈电阻的阻值为R_2N+1。

S102：模拟开关单故障诊断：

当需要对倒T型DAC转换电路的模拟开关进行单故障诊断时，采用如下方法进行模拟开关的单故障诊断：

记模拟开关S_n的状态为D_n，D_n＝1时表示模拟开关S_n与运算放大器的反向输入端相接，D_n＝0时表示模拟开关S_n接地；获取运算放大器输出端电压U的计算公式如下：

其中，VCC表示基准电源电压。

首先对于各个模拟开关S_n，令该模拟开关S_n的状态D_n＝0，其余N-1个模拟开关的状态为1，代入运算放大器输出端电压U的计算公式得到模拟开关S_n发生固定0故障时的输出端电压参考值

然后设置所有模拟开关的状态D_n均为1，测试倒T型DAC转换电路的运算放大器输出端电压U^f1，计算其与各个输出端电压参考值

之间的差值绝对值，选取最小差值绝对值所对应的模拟开关作为模拟开关固定0故障的诊断结果。

然后对于各个模拟开关S_n，令该模拟开关S_n的状态D_n＝1，其余N-1个模拟开关的状态为0，代入运算放大器输出端电压U的计算公式得到模拟开关S_n发生固定1故障时的输出端电压参考值

然后设置所有模拟开关的状态D_n均为0，测试倒T型DAC转换电路的运算放大器输出端电压U^f2，计算其与各个输出端电压参考值

之间的差值绝对值，选取最小差值绝对值所对应的模拟开关作为模拟开关固定1故障的诊断结果。

S103：电阻元件单故障诊断：

本发明中基于遗传算法进行电阻元件单故障诊断。图2是本发明中基于遗传算法进行电阻元件单故障诊断的流程图。如图2所示，本发明中基于遗传算法进行电阻元件单故障诊断具体步骤包括：

S201：确定传输函数：

记电阻元件参数向量R＝(R₁,…,R_2N,R_2N+1)，根据电路分析确定在预设的输入参考电压V_ref下，各个模拟开关所对应的支路电流I_n关于电阻元件参数向量R的函数I_n(R)，然后得到运算放大器输出端电压U关于电阻元件参数向量R的传输函数U(R)：

S202：确定模拟开关状态组合：

确定倒T型DAC转换电路模拟开关的所有状态组合，记第m个状态组合为D_m＝(D_m0,D_m1,…,D_mN-1)，D_mn表示第m个状态组合中模拟开关S_n的状态，m＝1,2,…,2^N。

S203：确定倒T型DAC转换电路的故障输出电压：

当倒T型DAC转换电路发生电阻元件故障时，按照每个状态组合对倒T型DAC转换电路中的模拟开关状态进行设置，得到各个状态组合下倒T型DAC转换电路的故障输出电压有效值U_m，得到故障输出电压向量

S204：初始化遗传算法种群：

以电阻元件参数向量R＝(R₁,…,R_2N,R_2N+1)作为遗传算法中的个体，对每个电阻元件分别生成1个分种群p_k′，k′＝1,2,…,2N+1，在分种群p_k′中的每个个体中，电阻元件参数值R_k′在该电阻元件的故障范围内取值，其他电阻元件的参数值在容差范围内取值。然后将N个分种群p_k′合并，构成种群P，记种群P中个体数量为G。电阻元件的容差范围可以表示为

表示电阻元件k′的标称值，α表示容差参数，其取值范围为α∈(0,0.05]，容差范围之外即为故障范围。一般来说，为了使各个电阻元件所对应的故障在开始时的诊断概率相等，在初始化种群时各分种群p_k′中的个体数量相同。

S205：判断是否达到遗传算法的迭代结束条件，如果是，进入步骤S210，否则进入步骤S206。遗传算法的迭代结束条件一般有两种，一是达到最大迭代次数，一是目标函数值达到预设阈值，可以根据实际需要进行设置。

S206：个体交叉变异：

分别对每个分种群p_k′进行交叉和变异操作，得到子种群q_k′，N个子种群q_k′构成种群Q。在进行交叉和变异操作时，需要保证子种群q_k′中参数值R_k′不超过该电阻元件的故障范围，其他电阻元件的参数值不超过其容差范围。

S207：合并种群：

将种群P和种群Q进行合并，构成种群S，即S＝P∪Q，显然合并种群中个体数量为2G。

S208：计算个体适应度值：

接下来需要对种群S中的每个个体分别计算适应度值，对于本发明而言，是采用每个个体在不同开关状态组合下得到的输出电压向量与当前倒T型DAC转换电路的故障输出电压向量

之间的欧式距离作为适应度值，其具体计算方法如下：

对于每个个体，采用步骤S201中的传输函数U(R)在不同开关状态组合下计算得到输出电压U_g,m，g＝1,2,…,2G，得到该个体对应的输出电压向量

然后计算输出电压向量

与故障输出电压向量

之间的欧式距离Dis_g，即作为个体适应度值。

显然就故障诊断而言，应当是欧式距离越小，表示输出电压与当倒T型DAC转换电路的故障输出电压越接近，个体越优。

S209：生成下一代种群：

根据欧式距离Dis_g从种群S中优选欧式距离较小的G个个体作为下一代种群P，然后划分得到各分种群p_k′，返回步骤S205。分种群划分的方法如下：

对于当前种群P中的每个个体，依次判断每个电阻元件的参数值是否位于容差范围内，如果是，则判断下一个电阻元件，如果不是，则说明该电阻元件的参数值位于故障范围内，将该个体划分至对应电阻元件的分种群p_k′中。根据种群初始化和交叉、变异操作的具体方法可知，每个个体中只会有一个电阻元件的参数值位于故障范围内，其他电阻元件的参数值均位于容差范围内，据此可划分得到分种群。

S210：确定电阻元件故障诊断结果：

从当前种群中选择欧式距离最小的个体，该个体中参数值位于故障范围内的电阻元件即为电阻元件故障诊断结果。

实施例

本实施例中以4位倒T型电阻网络DAC转换电路为例进行技术方案的详细说明。图3是4位倒T型电阻网络DAC转换电路原理电路图。如图3所示，R₁＝R₂＝R₃＝R，R₄＝R₅＝R₆＝R₇＝R₈＝2R，本实施例中令反馈电阻阻值R₉＝R。S₃～S₀为4个模拟开关，它们分别受输入的数字信号4位二进制数D₃～D₀的控制，D₃为最高位；D₀为最低位。当D_n＝0时，开关S_n置下边接地，n＝0,1,2,3；当D_n＝1时，开关S_n置上边与运算放大器U1反向输入端相接，电流I_n流入求和电路。图4是图3所示DAC转换电路开关状态为1000的状态图。图5是图3所示DAC转换电路开关状态为1111的状态图。如图4和图5所示，根据运算放大器线性运用的“虚地”的概念可知，无论模拟开关S_n处于何种位置，与S_n相连的2R电阻均接“地”(地或虚地)，因此流经2R电阻的电流与开关位置无关，为确定值。

以图3所示4位倒T型电阻网络DAC转换电路为例，分析其R-2R电阻网络可以发现，从每个节点向上看的二端网络等效电阻均为R，流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。记基准电源电压为VCC，则总电流I＝VCC/R，则流过各开关支路的电流(从上到下)分别为：I/2、I/4、I/8、I/16。

流入求和点的电流：

故有运算放大器输出端电压：

当R₉＝R时：

其中，D_n表示开关状态，D_n∈{0,1}，

首先对DAC转换电路内部器件正常工作时，如何识别电子模拟开关故障进行分析说明。当DAC转换电路内部器件正常工作时，在输入参考电压V_ref保持不变的情况下，输出电压仅与开关状态有关。当电子模拟开关出现故障时，会对输出电压产生较大的影响。而在各种DAC转换电路中，几乎都要用到电子模拟开关，图3的4位T形电阻网络DAC中的S₃～S₀就是电子模拟开关，这些开关的输入信号是数字信号，即只有0和1两种状态。

图6是COMS模拟开关的电路原理图。如图6所示，M1、M2、M3和保护二极管D1组成输入级，M4、M5和M6、M7组成两级反相器。两级反相器的输出信号总是相反的，相反的输出信号分别去控制输出管M8、M9，使得M8、M9一个导通一个截止，从而实现开关功能。

当开关出现故障时，由COMS模拟开关电路原理分析可知，此种类型的故障为固定型故障(stuck faults)：若故障使电路中的某引线的逻辑电平固定在逻辑高电平上则称固定1故障，简记为s-a-1；若固定在逻辑低电平上则称固定0故障，简记为s-a-0。实践和统计表明，对于TTL来说固定故障约占逻辑故障的80％，而对CMOS电路而言约为70％，其它有些故障也可以部分的等效为固定型故障，在固定型故障中又以单固定型故障最为常见。

a.固定0故障的诊断：

对于各个模拟开关，得到其状态为0、其余模拟开关状态为1时，代入公式(5)得到模拟开关S_n发生固定0故障时的输出端电压参考值

表1是本实施例中用于固定0故障诊断的输出端电压参考值列表。

模拟开关	状态向量	输出端电压参考值
			S<sub>3</sub>	[1,1,1,0]	14u<sub>0</sub>
S<sub>2</sub>	[1,1,0,1]	13u<sub>0</sub>
			S<sub>1</sub>	[1,0,1,1]	11u<sub>0</sub>
S<sub>0</sub>	[0,1,1,1]	7u<sub>0</sub>

表1

采用本发明方法，识别模拟开关的固定0故障，只需要1条测试向量[1,1,1,1]，测试倒T型DAC转换电路的运算放大器输出端电压U^f1，计算其与各个输出端电压参考值

之间的差值绝对值，选取最小差值绝对值所对应的模拟开关作为模拟开关固定0故障的诊断结果。

b.固定1故障的判断：

对于各个模拟开关，得到其状态为1、其余模拟开关状态为0时，代入公式(5)得到模拟开关S_n发生固定1故障时的输出端电压参考值

表2是本实施例中用于固定1故障诊断的输出端电压参考值列表。

模拟开关	状态向量	输出端电压参考值
			S<sub>3</sub>	[0,0,0,1]	u<sub>0</sub>
S<sub>2</sub>	[0,0,1,0]	2u<sub>0</sub>
			S<sub>1</sub>	[0,1,0,0]	4u<sub>0</sub>
S<sub>0</sub>	[1,0,0,0]	8u<sub>0</sub>

表2

采用本发明方法，识别模拟开关的固定1故障，只需要1条测试向量[0,0,0,0]，测试倒T型DAC转换电路的运算放大器输出端电压U^f2，计算其与各个输出端电压参考值

之间的差值绝对值，选取最小差值绝对值所对应的模拟开关作为模拟开关固定0故障的诊断结果。

因此，在各个电阻元件正常工作的情况下，仅仅只需要2条测试向量[1,1,1,1]和[0,0,0,0]，即模拟开关全部闭合和模拟开关全部打开，就能够识别模拟开关固定0故障还是固定1故障。

接下来对各种开关状态下，如何识别芯片内部模拟元件参数故障进行分析。

如图4、图5所示，当开关S₃接通，而其余开关断开时，电流值为2.5mA.当开关S₃接通，而其余开关同时接通时，电流值为2.5mA。可见每条开关支路的电流不随各个开关的状态改变发生改变；但显而易见，求和运算放大器输出端的输出电压随着各个开关的状态变化而发生比较大的变化。因此当开关出现故障时，运算放大器输出端的输出电压会受到很大的影响，可以据此进行故障识别。

图7是图3所示DAC转换电路开关状态为1000、电阻R₄参数改变的状态图。图8是图3所示DAC转换电路开关状态为1000、电阻R₇参数改变的状态图。分析图3所示电路图和图7、图8的仿真结果发现，流入开关S₃处的电流仅与电阻R₄有关，与其它电阻的变化无关，而R₄的变换也不会影响其他开关支路的电流。记流入开关S₃处的电流为I₃，则：

可见，其余开关支路的电流随R₁、R₂、R₃、R₅、R₆、R₇、R₈的变化而发生变化。R₉是反馈电阻。因此需要分析S₂、S₁、S₀这3条支路的电流与电阻R₁、R₂、R₃、R₅、R₆、R₇、R₈的关系。根据定理戴维南定理：含独立电源的线性电阻单口网络N，就端口特性而言，可以等效为一个电压源和电阻串联的单口网络。电压源的电压等于单口网络在负载开路时的电压，电阻R₀是单口网络内全部独立电源为零值时所得单口网络N0的等效电阻。图9是单口网络图。

·模拟开关S₂支路的电流分析：

基于戴维南定理分析流入模拟开关S₂支路的电流I₂：将电阻R₅两端开路，VCC短路。图10是图3所示DAC转换电路中R₅两端开路、VCC短路的电路图。如图10所示，R₄被短路，整个电路等效电阻为R，则有：

此时负载开路时的电压记为U^*。图11是图3所示DAC转换电路中R₅两端开路、VCC短路的电路图。如图11所示，

图12是图11所示情况下开关S₂开关支路的等效电路图。

流入R₅的电流，记开关S₂支路处的电流为I₂：

同理，分析流入S₁模拟开关支路的电流I₁：

同理，分析流入S₀模拟开关支路的电流I₀：

根据以上分析即可得到各个支路电流关于电阻元件参数向量R的函数I_n(R)，从而得到运算放大器输出端电压U关于电阻元件参数向量R的传输函数U(R)：

表3是本实施例中4位倒T型DAC转换电路各电阻元件参数标称值和故障值。

表3

设置电阻元件R₃故障，采用遗传算法进行电阻元件单故障诊断。设置种群数目为180，每个子种群中个体数目为20，最大迭代次数为500，交叉概率为1，变异概率为0.1，容差参数α＝0.05。最终得到的最优个体为：

[998.5Ω,993Ω,1400Ω,2012.1Ω,2000.8Ω,1996.8Ω,2008.3Ω,2012.6Ω,990.4Ω]

可见，最优个体中电阻元件R₃的参数值超出容差范围，为故障元件，诊断结果正确。

为了进一步测试本方法，在每组中对每个代表性元件设置50个不同故障值，其它元件在容差范围内随机设置，对4位倒T型DAC电路的9种故障类型均做了测试，并对结果进行统计。表4是本实施例中9种故障故障定位结果统计表。

故障元件	R<sub>1</sub>	R<sub>2</sub>	R<sub>3</sub>	R<sub>4</sub>	R<sub>5</sub>	R<sub>6</sub>	R<sub>7</sub>	R<sub>8</sub>	R<sub>9</sub>
										R<sub>1</sub>	50	0	0	0	5	0	0	4	0
R<sub>2</sub>	0	50	0	0	0	2	0	0	0
										R<sub>3</sub>	0	0	50	0	0	0	2	0	0
R<sub>4</sub>	0	0	0	48	0	0	0	0	0
										R<sub>5</sub>	0	0	0	0	45	0	0	0	0
R<sub>6</sub>	0	0	0	0	0	48	0	0	0
										R<sub>7</sub>	0	0	0	1	0	0	48	0	0
R<sub>8</sub>	0	0	0	1	0	0	0	46	0
										R<sub>9</sub>	0	0	0	0	0	0	0	0	50
诊断正确率	100％	100％	100％	96％	90％	96％	96％	92％	100％

表4

可见，采用本发明方法可以实现有效的倒T型DAC转换电路中电阻元件的单故障诊断。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种倒T型DAC转换电路的单故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取倒T型DAC转换电路的电路参数，记模拟开关为S_n，n＝0,1,…,N-1，N表示模拟开关数量，在由R、2R两种阻值电阻构成的倒T型电阻网络中，记R、2R两种阻值电阻的阻值为R_k，k＝1,2,…,2N，记与运算放大器连接的反馈电阻的阻值为R_2N+1；

S2：当需要对倒T型DAC转换电路的模拟开关进行单故障诊断时，采用如下方法进行模拟开关的单故障诊断：

记模拟开关S_n的状态为D_n，D_n＝1时表示模拟开关S_n与运算放大器的反向输入端相接，D_n＝0时表示模拟开关S_n接地；获取运算放大器输出端电压U的计算公式如下：

其中，VCC表示基准电源电压；

首先对于各个模拟开关S_n，令该模拟开关S_n的状态D_n＝0，其余N-1个模拟开关的状态为1，代入运算放大器输出端电压U的计算公式得到模拟开关S_n发生固定0故障时的输出端电压参考值

然后设置所有模拟开关的状态D_n均为1，测试倒T型DAC转换电路的运算放大器输出端电压U^f1，计算其与各个输出端电压参考值

之间的差值绝对值，选取最小差值绝对值所对应的模拟开关作为模拟开关固定0故障的诊断结果；

然后对于各个模拟开关S_n，令该模拟开关S_n的状态D_n＝1，其余N-1个模拟开关的状态为0，代入运算放大器输出端电压U的计算公式得到模拟开关S_n发生固定1故障时的输出端电压参考值

然后设置所有模拟开关的状态D_n均为0，测试倒T型DAC转换电路的运算放大器输出端电压

计算其与各个输出端电压参考值

之间的差值绝对值，选取最小差值绝对值所对应的模拟开关作为模拟开关固定1故障的诊断结果；

S3：当需要对倒T型DAC转换电路的电阻元件进行单故障诊断时，采用如下方法基于遗传算法进行电阻元件的单故障诊断：

S3.1：记电阻元件参数向量R＝(R₁,…,R_2N,R_2N+1)，根据电路分析确定在预设的输入参考电压V_ref下，各个模拟开关所对应的支路电流I_n关于电阻元件参数向量R的函数I_n(R)，然后得到运算放大器输出端电压U关于电阻元件参数向量R的传输函数U(R)：

S3.2：确定倒T型DAC转换电路模拟开关的所有状态组合，记第m个状态组合为D_m＝(D_m0,D_m1,…,D_mN-1)，D_mn表示第m个状态组合中模拟开关S_n的状态，m＝1,2,…,2^N；

S3.3：当倒T型DAC转换电路发生电阻元件故障时，按照每个状态组合对倒T型DAC转换电路中的模拟开关状态进行设置，得到各个状态组合下倒T型DAC转换电路的故障输出电压有效值U_m，得到故障输出电压向量

S3.4：以电阻元件参数向量R＝(R₁,…,R_2N,R_2N+1)作为遗传算法中的个体，对每个电阻元件分别生成1个分种群p_k′，k′＝1,2,…,2N+1，在分种群p_k′中的每个个体中，电阻元件参数值R_k′在该电阻元件的故障范围内取值，其他电阻元件的参数值在容差范围内取值， 然后将N个分种群p_k′合并，构成种群P，记种群P中个体数量为G；

S3.5：判断是否达到遗传算法的迭代结束条件，如果是，进入步骤S3.10，否则进入步骤S3.6；

S3.6：分别对每个分种群p_k′进行交叉和变异操作，得到子种群q_k′，N个子种群q_k′构成种群Q；在进行交叉和变异操作时，需要保证子种群q_k′中参数值R_k′不超过该电阻元件的故障范围，其他电阻元件的参数值不超过其容差范围；

S3.7：将种群P和种群Q进行合并，构成种群S，即S＝P∪Q；

S3.8：对种群S中的每个个体分别计算适应度值，具体计算方法如下：

对于每个个体，采用步骤S3.1中的传输函数U(R)在不同开关状态组合下计算得到输出电压U_g,m，g＝1,2,…,2G，得到该个体对应的输出电压向量

然后计算输出电压向量

与故障输出电压向量

之间的欧式距离Dis_g，即作为个体适应度值；

S3.9：根据欧式距离Dis_g从种群S中优选欧式距离较小的G个个体作为下一代种群P，然后划分得到各分种群p_k′，返回步骤S3.5；分种群划分的方法如下：

对于当前种群P中的每个个体，依次判断每个电阻元件的参数值是否位于容差范围内，如果是，则判断下一个电阻元件，如果不是，则说明该电阻元件的参数值位于故障范围内，将该个体划分至对应电阻元件的分种群p_k′中；

S3.10：从当前种群中选择欧式距离最小的个体，该个体中参数值位于故障范围内的电阻元件即为电阻元件故障诊断结果。

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