综述电路板维修测试与诊断技术

　在实际应用中，大多数电路是模数混合系统，既有模拟信号，又有数字信号。模、数混合系统是板极电路诊断中的难点。

根据板极电路的类型可将故障诊断分为两类：数字系统的故障诊断和模拟系统故障诊断。数字系统故障诊断的基本思想是在输入端加载激励信号，在输出端得到响应，根据激励和响应的组合关系以及电路的拓扑关系确定故障点。其关键是测试向量的生成，即在输入端加载什么样的激励信号，才能使电路内部的故障点反应出来。模拟系统由于自身的特点，使得其故障诊断比数字系统更复杂。模拟信号量是连续的，任何一个元件的参数超过其容差时就属故障，因此模拟电路的故障状态是无限的。
 
　　一、板极电路故障诊断技术的发展
　　自从60年代美国开始系统地开展故障诊断技术的研究以来，这一技术在世界各国正越来越受到重视。随着系统可靠性、维修性理论和技术的发展，故障诊断已发展成为一门边缘学科，它涉及系统论、控制论、信息论、检测与估计理论、计算机科学等多方面的内容。
　　早期的数字系统故障诊断主要用于功能测试。Eldred在1959年提出了第一篇关于组合电路的测试报告，开始了数字系统故障诊断的研究。D.B.Armstrong根据Eldred的基本思想，在1966年提出了一维通路敏化的方法，其主要思路是对多级门电路寻找一条从故障点到可及输出端的敏化通路，使在可及端可以观察到故障信号。1967年Schneidr用例子指出单通路敏化法并不能找出所有的故障。同年Roth提出了多通路敏化法的D算法，从理论上解决了组合逻辑电路的测试问题。由于D算法也存在某些不足，Goel提出了PODEM算法，Fujiwara提出一种面向扇出的测试生成算法-FAN算法。此外，Seller等提出的布尔差分法和Thayse提出的布尔微分法，使通路敏化的理论得到了系统化。随着系统和电路规模的增大，Archambeau等提出的伪穷举法，为穷举法用以解决大型组合电路的测试开拓了新的途径。另外，我国学者魏道政提出的主通路敏化法，梁业伟提出的全通路图法等等，也均有其各自的优点。
　　模拟系统的测试与诊断自60年代开始以来，进展一直比较缓慢。最早发表这方面文章的是S.D.Bedrosiam。它变成活跃的领域即是在70年代，P.DUhamet和F.C.Rault总结了这一时期的研究成果。模拟电路的测试与诊断发展缓慢，其原因主要有：一是模拟系统的集成度较低，规模较小，采用人工测试和修理可以满足实际需要；另一个原因是模拟电路的测试与诊断远比数字系统困难，无论理论上还是测试方法上均未完全成熟，可付诸使用的还比较少。
 
　　二、数字系统故障诊断技术
　　目前，获取数字系统测试集的方法主要有非确定性测试生成和确定性测试生成。非确定性生成算法是指人工测试生成，即由测试人员根据对被测系统功能的了解，并结合实际测试经验，产生检测被测系统故障的测试集，也包括随机测试生成，即用软件方法产生伪随机数，通过故障仿真对伪随机码进行筛选，以产生故障覆盖率较高的测试集。确定性测试生成是采用测试生成算法自动推导数字电路的测试矢量。D算法和布尔差分法是广泛使用的确定性算法，它们经过多年的使用和改进，已被分别发展为九值算法和主通路敏化法。
　　布尔差分法通过处理电路方程来生成测试。对多固定型故障，可采用Messon等人提出的多阶布尔差分法来求解。至于用更高阶布尔差分来法来对更多重故障进行测试，可由二阶布尔差分推广得出。布尔差分法结构严谨，有很高的理论研究价值。但是将其用于大型电路时，占用内存空间较大，速度较慢。主通路敏化法从布尔差分法发展而来，吸收了布尔差分法和D算法的优点，计算速度较快，适合于以功能块为基本单元的组合电路和时序电路。
　　其它测试方法大多以D算法和布尔差分法为基础发展而来。PODEM算法以D算法为基础，将D算法和求解NP问题常用的界限法相结合，减少回溯次数，避免了许多盲目的测试。
　　FAN算法是在PODEM算法基础上产生的，FAN算法将PODEM算法的沿单路径反向跟踪，扩展为多路径反向跟踪，缩短了回溯之间的处理时间，其速度比PODEM算法快。
 
　　三、模拟电路故障诊断技术
　　模拟电路故障诊断技术依据电路仿真是在实际测试前还是后，可分为测前模拟诊断和测后模拟诊断，模拟诊断的主要计算工作集中在对电路作仿真上。如以人工智能新理论的出现为界线，也可分为经典常规的诊断方法与现代模拟电路故障诊断两类方法。
　　经典常规方法主要包括：故障字典法、元件参数辨识法和故障验证法。元件参数辨识法和故障验证法属于测后模拟诊断法。元件参数辨识法要求提供较多的诊断有用信息，总的计算量非常大。故障验证法是在获取“不完整”的有限故障信息基础上作诊断，实施比较方便，根据预测故障的范围，故障验证法可分为K故障诊断法，故障界定位法和网络撕裂法等。测前模拟诊断的典型方法是故障字典法，它是目前模拟电路故障诊断中最具有实用价值的方法。根据激励源的性质和所取故障特征的差异，故障字典法可分为直流故障字典（特征是测试端的直流电压或电流向量）和交流（频域）故障字典（特征是测试端的频域响应）。
　　神经网络故障字典法把模拟电路的故障诊断看成是一个分类问题，利用神经网络的分类功能来诊断故障。在测前把神经网络训练成一部故障字典，字典的信息蕴含在网络的连接权值，只要输入电路的测量特征，就可以从其输出查出故障。目前神经网络故障字典法中用到的神经网络主要有SOM（Self-organizing Feature Map）和BP两种神经网络。SOM网络适用于交流电路，能更有效的克服容差因素对故障定位的影响。一般同时采用两种不同类型神经网络相级联建立故障诊断字典。
　　智能计算在神经网络故障字典法中有着很好的应用前景：如采用遗传算法对BP神经网络的结构（隐层结点数）和具体参数进行优选，避免靠经验确定这些参数的弊端，保证得到用于故障诊断的最优神经网络；将小波分解和主元分析等方法应用于数据预处理技术和训练样本集的筛选过程中，可改善训练速度和诊断精度。模糊集理论与神经网络相结合而形成的模糊神经网络，充分吸收各自的优点，更加符合实际电路模型，可提高故障诊断的对判几率。
　　专家系统在模拟电路故障诊断中的典型应用是基于产生规则的系统，其基本的工作原理是：首先把专家知识及其诊断经验用规则表示出来，形成故障诊断专家的知识库，进而根据报警信息对知识库进行推理，诊断出故障元件。其主要问题是知识的获取的瓶颈问题、知识难以维护以及不能有效解决故障诊断中许多不确定因素等。一般应用中，均将其与本身具有信息处理特点的神经网络相结合使用。
 
　　四、混合电路故障诊断技术
　　数模混合电路一般运用离散事件系统DES（Diescrete Event System）方法进行诊断。一个被检测的数模混合电路G用DES理论进行建模如下 ：G=（∑,Q,δ）。其中，∑是电路系统的G的事件集合，Q是电路系统G的状态集合，Q中的元素q描述各元件和模块的状态：正常或各故障状态；？：∑*Q→2Q是系统的状态转移函数，表示当电路系统G处于q（q∈Q）时事件σ（σ∈∑）发生后电路模型可能进入的状态集合，显然？描述了诊断及其结果和故障状态之间的关系。应用DES理论进行数模混合电路的故障诊断，有以下主要工作：
　　1、对电路系统G的可测试性进行判断；
　　2、在测试要求T给定时，求取电路的最小测试集；
　　3、求取电路测试的故障覆盖率。
　　这一方法的优点在于将对数字/模拟信号的测试统一在同一个数学模型下，不必因为电路中信号模型的不同而将被测电路按信号类型分开处理，尤其是当数字和模拟部分相互融合不能分块时，在统一的框架下进行计算、判断和处理就显得更加重要了。
　　粗糙集理论是一种处理不完整性和不确定性问题的新型数学工具，不需提供问题所需处理的数据集合之外的任何先验信息，因此对问题的不确定描述和处理比较客观。将粗糙集理论应用于故障诊断研究领域，为在不完备征兆信息下的故障诊断提供了新思路。
　　多传感器信息融合技术利用信息融合独特的多维信息处理方式，为解决复杂系统故障诊断的不确定性问题提供了一条新的途径。特别适合解决模拟电路故障诊断中常规的网络撕裂法面临电路前后元器件相互影响以至不能测准元器件的故障以及由于容差、非线性及元件参数相互影响而出现的诊断不确定性问题。主要的信息融合故障诊断方法有：Bayes概率推导法、模糊信息融合法、D-S（Dempster-Shafer）证据推理法及神经网络信息融合法。
 
　　五、板级电路故障诊断技术发展趋势
　　板级电路的故障诊断技术是目前比较活跃的科研领域，它对于保证电子系统工作的可靠性、长期稳定性有十分重要的意义。目前，板级电路故障诊断技术的发展有以下几个重要方面：
　　1、以网络为基础的并行与分布式仿真技术是研究大规模复杂系统的有效方法，已成为近年来故障仿真研究中的热点问题。如基于分支的仿真运行方法，各个分支共享决策点之前的计算量，避免或减少了仿真中的重复计算，增加仿真的并行度，提高了仿真的执行效率和速度。电路仿真方程的求解容易出现不收敛或收敛于局部最优的情况，由于蚁群算法具有正反馈、分布式计算、易于与某种启发式算法相结合的特点，引入蚁群算法求解可以减少计算时间，发现最优解。
　　2、针对大型数模混合电路的故障诊断还是一个很年轻的领域，随着电子技术的迅猛发展，电路系统的复杂度急剧增加，目前约有60%的芯片同时含有数字和模拟两种信号，因此，研究新型的数模电路测试信息处理技术和故障诊断方法，引入新的诊断模型，提高数模混合电路故障诊断的精度以及建立诊断模型的自动化程度，成为板极电路故障诊断的一个非常重要的课题。
　　尽管在理论方面还有很长的路要走，市场上目前也出现了很多诊断板级电路故障的测试仪器，这些仪器系统大都综合运用了故障字典、参数判别、D算法、DES理论、模糊理论、神经网络等技术，如北京航天测控技术开发公司的HTEDS8000、科奇仪器的TCT3000VXI。
　　3、目前，在板级电路故障诊断时，施加或获取信号的主要方法是使用针床或人工使用探针，探测电路内部节点的电信号，然后根据这些信息进行故障定位。随着电路板逐渐向小型化、密集化、多层化的方向发展，接触式诊断的弱点越发明显，对电路板的非介入式诊断技术的研究受到了高度重视。
　　红外热像诊断利用红外热像仪测得的电路板表面温度信息进行故障诊断是典型的非接触式诊断技术之一。其基本思想为：红外热像仪通过检测器件的红外辐射，间接获取电路板的热模式。当电路板上一个或几个元件发生故障时，会导致电路板热模式的变化。红外热像诊断仪即可根据被测电路板热模式和已知正常状态下电路板的热模式之间的差异来对电路板故障状态做出诊断。但是由于存在电路板表面辐射率差异、测试环境影响等因素，易导致采集到的特征向量出现变形。复杂电路板元件数量多，最终构成的特征向量十分庞大，也对后续的分类、定位等产生一系列问题。因此如何对特征向量进行提取与选择以及如何降低其维数，将成为今后的研究方向。
　　噪声也是导致大多数电子器件失效的各种潜在缺陷的敏感反映。因此利用噪声检测技术进行故障诊断，有着灵敏、快速和非破坏性的优点，但其准确率和噪声来源多样化造成的精确度等还有待进一步深入研究。另外，将磁场映像技术应用到故障诊断中，即根据电路板附近磁场分布变化对电路板进行故障诊断的技术称为基于磁场映像的PCB故障诊断技术也将是非接触式测试诊断技术的发展方向之一。
　　4、神经网络技术已广泛用于板级电路故障诊断。一个值得重视的现象是神经网络与专家系统、模糊控制、遗传算法、小波分析、经验模式分解（Empirical Model Decomposition，简称EMD）等技术相结合应用于电路板的故障诊断研究。如“模糊神经网络”用于板级电路的故障诊断，经验模式分解方法和神经网络理论结合，以经验模式分解为预处理器提取特征参数作为神经网络训练数据，可提高故障识别率。小波分析与神经网络结合形成“小波神经网络”或“小波网络”，小波神经网络由于把神经网络的自学习特性和小波的局部特性结合起来，具有自适应分辨性和良好的容错性，将其应用于板极电路故障诊断是一个很有前途的研究方向。