一种模拟集成电路的故障诊断及参数辨识方法技术

本发明专利技术公开了一种模拟集成电路的故障诊断及参数辨识方法。所述方法将器件参数的容差效应，对应为输出响应序列矩阵特征值的扰动，该对应的正确性有代数学相关定理和统计物理基本原理保证，这使该方法中被测电路输出响应特征值的扰动程度，既可作为故障定位的判据，还可以作为器件参数辨识的依据。通过计算器件的最大特征值和最小特征值，以及通过计算器件容差上限的最大、最小特征值，还有器件容差下限的最大、最小特征值，并将上述量进行比较，不仅可实现故障定位，还可实现参数辨识。与现有技术相比，本发明专利技术对处理故障诊断中容差特性效果好，故障定位准确，计算效率高，且将故障诊断与故障参数辨识一体化处理、易于工程实施。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟集成电路的故障诊断及参数辨识方法
本专利技术属于集成电路测试领域，特别涉及一种模拟集成电路的故障诊断及参数辨识方法。
技术介绍
可观测世界的信号主要是模拟信号，这决定了模拟电路具有不可替代性，模拟电路故障诊断的重要性也日益突出，业界对系统级、电路板级和芯片级的高质量故障诊断技术有着紧迫的需求。当前，相对日益成熟的数字集成电路的故障诊断方法，模拟集成电路故障诊断技术明显落后，因为模拟电路自身具有不同于数字电路的特点，例如：很难在不破坏连接关系的情况下进行电流测量，缺少像数字电路中广泛使用的固定为“1”或“0”那样简捷的故障模型，信号值有无限多个状态，器件容差的影响，电路响应和器件特征之间的非线性关系等等。模拟集成电路的故障可分为灾难型故障(硬故障)和参数型故障(软故障)；其中，灾难型故障的诊断可以借鉴数字电路故障诊断方法，而参数型故障的容差特性却是模拟集成电路故障诊断和参数辨识中的难题。由于参数容差的影响，成功应用于数字电路故障诊断的故障模型难以适用于模拟电路参数型故障诊断，这就是前些年已经提出的IEEEP1149.4标准在模拟和混合信号电路中仍没有得到广泛实用的主要原因之一。另一方面，可接触的测试节点受限这一事实也增加了模拟电路参数型故障诊断的难度。模拟电路故障诊断通常是指故障检测和故障定位。为了提高定位精度，需要被测电路提供大量可接触的测试节点，但受封装和系统集成的限制，这往往是难以满足的，因为大量的实际电路往往只有输出端可以进行可接触的测量，这给模拟电路的参数型故障诊断提出了难题。目前，针对模拟集成电路进行故障诊断的典型方法有：子带滤波方法和基于灵敏度计算的模糊分析方法。前者可以检测模拟电路参数故障，但是该方法难于进行故障定位。后者可实现线性模拟电路的参数型故障诊断，并从理论上可以诊断单故障和多故障，但该方法对处理故障诊断中容差特性效果欠佳。其它的模拟电路故障诊断方法还有采对非线性关系的线性近似法，该方法需要解被测电路线性方程来实现故障特征提取，对电路中的非线性效应的处理结果不理想；还有斜率模型法，该方法对参数容差问题仍然没有得到满意解决，还存在算法复杂度较大、计算时间过长的弊端。对一般的应用场合，故障检测和故障定位也能满足需要，如在检测与定位出故障后，及时维修或更换故障器件或模块，使电路或电子系统重新恢复正常工作。但随着工程
对可靠性的更高、更苛刻要求，仅有故障检测和故障定位是不够的，例如，在电路与电子系统的故障辨识、系统剩余寿命估计，以及器件失效机理分析、根据系统实用中的可靠性特性以改进系统设计等环节中，仅知道故障部位(故障定位)是远远不够的，这时还需要知道故障状态，即需要对故障器件进行参数辨识以提供更多更具体的故障信息。一般而言，相比故障诊断，故障参数的辨识要困难许多。高质量地辨识模拟器件故障参数的成熟方法目前鲜有报道，但此项工作是目前工程实际中的急需。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有技术的不足，提供一种对模拟器件兼有故障诊断和故障参数辨识的模拟集成电路故障诊断及参数辨识方法，不仅对处理故障诊断中容差特性效果好，故障定位准确，计算效率高，而且将故障诊断与故障参数辨识一体化处理、易于工程实施。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：本专利技术的基本原理是：根据采样定理，当采样频率高于信号最高频率的2倍时，一个连续时间信号完全可以用该信号在等时间间隔点上的样本值来表示，并且可以用这些样本值把该信号全部恢复出来。这说明，按采样定理对被测电路测试响应信号的取样，不会丢失被测电路的状态信息，将这些离散取样值组织为方阵，将被测电路状态的改变(如故障)对应为矩阵特征值的扰动，从这种扰动中得到被测电路的状态信息，下文将较详细说明这种方法在数学上的正确性、工程实施上的可行性和技术优势。设Y(t)和分别表示模拟电路在周期正弦信号X(t)激励下的无故障响应信号和实际输出信号，ΔY(t)是相对Y(t)的改变量，即：记Ts为采样周期，Tw为实际输出信号周期。由它的采样值唯一决定，n＝0,±1,±2,...，如果Tw>2Ts，周期信号能用一个采样序列表示为：这里m是一个大于Tw/Ts的整数，即，包含不小于一个周期的采样值。当我们取m＝k×k，k≥2，采样序列可以表示成一个形式如下的k×k方阵用Ys和ΔYs分别代表Y(t)和ΔY(t)的采样序列，可以从上述方程(Ⅰ)得出这里并且矩阵具有明确的物理意义，它的每列元素代表一个时间段内的连续采样值，它的每行元素代表K倍下抽样频率的采样值。从信号分析的角度看，由于是按照采样定理的约束条件进行取样，矩阵包含了被测电路的实际输出信息。量子力学理论表明物理可观测量可以用一个厄密尔算符表示，并且厄密尔算符只有实数特征值。当输入信号确定后，电路的输出主要取决于电路参数，那么不但可以从ΔY(t)中获得参数故障的故障特征以实现故障诊断，还可以以此为依据实现对故障参数的辨识。具体作法是通过考察输出响应矩阵元素扰动时特征值的相应扰动来完成模拟电路的参数型故障诊断和参数故障辨识，这种技术思路的理论依据是：根据Rouché’s理论和Ostrowski定理，矩阵的特征多项式本身就是矩阵元素的多项式，矩阵特征值是矩阵元素的连续函数；盖尔圆盘定理给出了矩阵特征值扰动的上界。被测电路参数的变化对应着相应矩阵元素的变化，相应引起矩阵特征值的扰动，最大最小原理保证了对矩阵特征值随矩阵元素变化而变化的情况。这样在矩阵特征值的扰动和被测电路参数改变间建立了一一对应关系，使得这种技术思路可用来实现模拟电路的故障诊断和故障参数辨识。代数学的定理保证了这种方法的正确性，这种对应关系使得本专利技术的方法不仅具有处理故障诊断中容差特性效果好、故障定位准确、计算效率高的特点，还具有将故障诊断和故障参数的辨识纳入统一框架处理的优势。基于此，利用测试相应矩阵特征值的扰动来诊断模拟集成电路参数型故障和进行参数辨识，是完全合理的。具体而言，本专利技术提出的一种基于测试响应矩阵特征值扰动分析的模拟集成电路故障诊断及参数辨识方法，步骤如下：(1)将被测电路中需要进行故障诊断和参数辨识的n个器件从1到n进行编号，n＞1。设置每一器件的参数为p个状态，p＞2，其中一个状态为该器件的标称参数状态，其余的p-1个状态分别对应该器件参数不同程度偏离其标称参数的状态；p个状态在其对应的器件参数变化范围内可以是等间隔的，也可以是不等间隔的。(2)针对步骤(1)中的n个器件，逐一选取其中一个器件，进行以下步骤：a)除被选器件外的其余器件参数均处于标称参数，分别对被选器件的p个状态进行仿真，得到被选器件的p个输出响应信号，并由输出响应信号生成对应的p个输出响应矩阵。b)针对步骤a)中得到的p个输出响应矩阵，分别计算每个输出响应矩阵的最大特征值和最小特征值，得到p个最大特征值和p个最小特征值。c)将步骤b)中得到的p个最大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟集成电路的故障诊断及参数辨识方法，其特征在于：所述故障诊断及参数辨识方法步骤如下：(1)将被测电路中需要进行故障诊断和参数辨识的n个器件从1到n进行编号，n＞1；设置每一器件的参数为p个状态，p＞2，其中一个状态为该器件的标称参数状态，其余的p‑1个状态分别对应该器件参数不同程度偏离其标称参数的状态；(2)针对步骤(1)中的n个器件，逐一选取其中一个器件，进行以下步骤：a)除被选器件外的其余器件参数均处于标称参数，分别对被选器件的p个状态进行仿真，得到被选器件的p个输出响应信号，并由输出响应信号生成对应的p个输出响应矩阵；b)针对步骤a)中得到的p个输出响应矩阵，分别计算每个输出响应矩阵的最大特征值和最小特征值，得到p个最大特征值和p个最小特征值；c)将步骤b)中得到的p个最大特征值拟合成一条最大特征值直线，将步骤b)中得到的p个最小特征值拟合成一条最小特征值直线；d)将被选器件参数容差的上限值分别代入步骤c)中得到的最大特征值直线和最小特征值直线，得到被选器件参数容差上限对应的最大特征值和最小特征值；将被选器件参数容差的下限值分别代入步骤c)中得到的最大特征值直线和最小特征值直线，得到被选器件参数容差下限对应的最大特征值和最小特征值；最终得到n个器件中，每个器件的最大特征值直线和最小特征值直线，每个器件的参数容差上限对应的最大特征值和最小特征值，及每个器件的参数容差下限对应的最大特征值和最小特征值；(3)用参数与步骤(2)a)中进行仿真所用的仿真信号参数一样的实际信号作为激励信号去实测被测电路，测量被测电路的输出响应信号，得到实测输出响应信号；根据实测输出响应信号生成实测输出响应矩阵，并计算得到实测输出响应矩阵的最大特征值和最小特征值；(4)将步骤(3)中得到的实测输出响应矩阵的最大特征值分别代入步骤(2)中得到的每个器件的最大特征值直线，计算得到每个器件的参数值，然后将得到的每个器件的参数值分别代入步骤(2)中得到的相应器件的最小特征值直线，计算得到n个假设情况下的最小特征值；(5)将步骤(4)中得到的n个假设情况下的最小特征值分别与步骤(3)中得到的实测输出响应矩阵的最小特征值相减并求绝对值，得到最小特征值的绝对误差向量；(6)针对步骤(5)中得到的最小特征值的绝对误差向量，求出最小特征值绝对误差向量中的最小元素及其对应的下标m，1≤m≤n；将步骤(3)中得到的实测输出响应矩阵的最大特征值，与步骤(2)中得到的第m个器件参数容差上限对应的最大特征值和第m个器件参数容差下限对应的最大特征值进行对比，同时将步骤(3)中得到的实测输出响应矩阵的最小特征值，与步骤(2)中得到的第m个器件参数容差上限对应的最小特征值和第m个器件参数容差下限对应的最小特征值进行对比；如果实测输出响应矩阵的最大特征值大于等于第m个器件参数容差下限对应的最大特征值、同时小于等于第m个器件参数容差上限对应的最大特征值，且实测输出响应矩阵的最小特征值大于等于第m个器件参数容差下限对应的最小特征值、同时小于等于第m个器件参数容差上限对应的最小特征值，则判断被测电路无故障，诊断结束；否则，判断被测电路存在故障，继续步骤(7)进行故障定位和故障参数辨识；(7)根据步骤(6)中得到的m定位被测电路的第m个器件存在故障；步骤(4)中得到的第m个器件的参数值就是故障器件的参数。...

【技术特征摘要】
1.一种模拟集成电路的故障诊断及参数辨识方法，其特征在于：所述故障诊断及参数辨识方法步骤如下：(1)将被测电路中需要进行故障诊断和参数辨识的n个器件从1到n进行编号，n＞1；设置每一器件的参数为p个状态，p＞2，其中一个状态为该器件的标称参数状态，其余的p-1个状态分别对应该器件参数不同程度偏离其标称参数的状态；(2)针对步骤(1)中的n个器件，逐一选取其中一个器件，进行以下步骤：a)除被选器件外的其余器件参数均处于标称参数，分别对被选器件的p个状态进行仿真，得到被选器件的p个输出响应信号，并由输出响应信号生成对应的p个输出响应矩阵；b)针对步骤a)中得到的p个输出响应矩阵，分别计算每个输出响应矩阵的最大特征值和最小特征值，得到p个最大特征值和p个最小特征值；c)将步骤b)中得到的p个最大特征值拟合成一条最大特征值直线，将步骤b)中得到的p个最小特征值拟合成一条最小特征值直线；d)将被选器件参数容差的上限值分别代入步骤c)中得到的最大特征值直线和最小特征值直线，得到被选器件参数容差上限对应的最大特征值和最小特征值；将被选器件参数容差的下限值分别代入步骤c)中得到的最大特征值直线和最小特征值直线，得到被选器件参数容差下限对应的最大特征值和最小特征值；最终得到n个器件中，每个器件的最大特征值直线和最小特征值直线，每个器件的参数容差上限对应的最大特征值和最小特征值，及每个器件的参数容差下限对应的最大特征值和最小特征值；(3)用参数与步骤(2)中的步骤a)中进行仿真所用的仿真信号参数一样的实际信号作为激励信号去实测被测电路，测量被测电路的输出响应信号，得到实测输出响应信号；根据实测输出响应信号生成实测输出响应矩阵，并计算得到实测输出响应矩阵的最大特征值和最小特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢永乐，周启忠，谢三山，李西峰，毕东杰，谢暄，李帅霖，
申请(专利权)人：电子科技大学，宜宾学院，成都工业学院，
类型：发明
国别省市：四川;51