基于fmea的選頻電路故障仿真研究

基于fmea的選頻電路故障仿真研究

電子技術(shù)的快速發(fā)展使得電子武器裝備的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能日益提高，其復雜程度也得到了提高。為了確?？煽啃赃\行，故障分析是一個重要的因素。過去，故障分析是在安裝過程中出現(xiàn)故障后，技術(shù)人員根據(jù)自己的經(jīng)驗和理論，利用所需的檢測設(shè)備確定故障原因，完成故障診斷的必要條件。理論上，可以對所有故障模型進行故障分析和模擬，但如果對每種故障模型進行故障分析，工程就無法實現(xiàn)。同時，隨著設(shè)計和制造技術(shù)的改進，以及設(shè)備質(zhì)量的不斷提高，一些失敗模式的可能性很低。因此，傳統(tǒng)的故障分析很難滿足新武器裝備的要求。迫切需要將故障模型的影響分析（msa）引入設(shè)備的故障分析中，并將設(shè)備的固有可靠性和故障分析有機地結(jié)合起來，確定易受攻擊的故障模型，系統(tǒng)造成的故障概率高，系統(tǒng)造成的損壞大，故障分析的精度和效率顯著提高。建立正確的故障模型和模擬減少不必要的電路模擬工作量。1fmea算法概述FMEA是分析系統(tǒng)中每一產(chǎn)品所有可能產(chǎn)生的故障模式及其對系統(tǒng)造成的所有可能影響,并按每一個故障模式的嚴重程度、檢測難易程度以及發(fā)生頻度予以分類的一種歸納分析方法.FMEA能夠較為準確地描述系統(tǒng)與組成系統(tǒng)的各功能單元之間的邏輯關(guān)系,并判斷功能單元的故障對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響程度,使得這些在過去必須依靠人們的文化知識、經(jīng)驗、能力等才能完成的工作在一定程度上降低了對人為因素的依賴性,是一種非常有效的可靠性保障技術(shù).1.15ma的路徑FMEA的途徑通用的有2種:一種是硬件分析法,另一種是功能分析法.1.1.1硬件分析法硬件分析法的主要特點是:從被分析對象的內(nèi)部組成單元的失效模式開始,分析每一個組成單元的每一種失效模式會導致被分析對象產(chǎn)生的失效模式,其中,有不同組成單元的失效模式導致被分析對象產(chǎn)生各不相同的失效模式,也有不同組成單元的失效模式導致被分析對象產(chǎn)生同一種失效模式,最終歸納出被分析對象的所有失效模式,才能進一步分析對關(guān)聯(lián)電路、上一個功能層次乃至系統(tǒng)一級會引發(fā)什么樣的效應.對于分析對象的每種失效模式的頻數(shù)比,硬件分析法由下式確定:fk=βkmk∑k=1βk=mjki∑i=1λiαjkimk∑k=1mjki∑j=1λiαjki?(1)式中:fk——分析對象第k種失效模式的頻數(shù)比;mjki——第i個組成的第j種失效模式導致被分析對象產(chǎn)生第k種失效模式的單元數(shù);αjki——第i個組成的第j種失效模式導致被分析對象產(chǎn)生第k種失效模式的頻數(shù)比;βk——被分析對象發(fā)生第k種失效模式的頻數(shù)比;λi——分析對象中第i個組成單元的失效率.這種方法要從元器件開始,逐層向上直到系統(tǒng)級,因此,硬件分析法又稱為自下而上分析法.這種方法置信度高,但工作量大.1.1.2分析對象置信程度功能分析法不是從下一個層次的單元開始分析,而是直接從被分析對象可能產(chǎn)生的失效模式開始,其置信程度取決于設(shè)計師的分析能力、工程經(jīng)驗和分析力度,這是此種分析方法的難點.1.2器件的分類及失效模式的確定FMEA在電路故障仿真中一般采用硬件分析法,即“自下而上”的邏輯歸納法,從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最低級開始,根據(jù)對每個功能單元故障模式的了解跟蹤到系統(tǒng)級,從而決定每個故障模式對系統(tǒng)功能的影響.其目的就是通過分析,了解影響系統(tǒng)功能的關(guān)鍵性零部件的故障情況,以便有效挑選影響危害度較大的故障模式,做到有針對性仿真.圖1為電路FMEA分析過程流程圖.下面給出電路FMEA分析的簡要實現(xiàn)步驟.步驟1將電路板上的元器件按仿真類型可以分為三大類:無源元件、電源和有源器件.其中無源元件包括電阻、電容、電感、互感、磁芯、傳輸線以及控制開關(guān);電源包括獨立源、線性和非線性受控源;有源器件也稱為半導體器件,包括三極管、場效應管和半導體集成電路等.步驟2查閱GJB1391—2006《故障模式、影響及危害度分析》,確定元器件的失效模式.電子器件的失效模式主要分為:開路、短路和參數(shù)漂移,根據(jù)不同類型的元器件,還有一些特殊的失效模式.其中:開路和短路是完全失效,屬于致命性失效;參數(shù)漂移是部分失效,一般情況下,性能退化到規(guī)范值一半或一半以上時即可視為完全失效.步驟3查閱GJB/Z299C—2006《電子裝備可靠性預計手冊》,獲得元器件的失效率λb,故障模式及其頻數(shù)比α.比如電阻RJ-0.25W-1.2kΩ±5%,經(jīng)查手冊為金屬膜電阻,其故障模式有開路和參數(shù)漂移兩種,頻數(shù)比α分別為91.9%和8.10%.步驟4由理論計算和電路仿真,可以推導出元器件的故障模式對整個電路的故障影響模式及其概率β,其中β=λb·α.步驟5將相同的電路失效模式進行匯總、分析,對各種失效模式進行統(tǒng)計,計算同一種電路失效模式的危害度.步驟6選取發(fā)生故障概率較高、對系統(tǒng)危害程度較大的故障模式,作為故障仿真設(shè)置的主要對象.2hz選頻電路由運放F007C和部分電阻、電容組成了某電子裝備控制系統(tǒng)500Hz選頻電路,如圖2所示.該電路的主要作用為:頻率為500Hz的方波信號,經(jīng)R1送入該電路進行選頻,選出基波信號,濾除高次諧波,從而輸出頻率為500Hz的正弦信號.2.1電容c7.2.3復合網(wǎng)絡(luò)選頻電路根據(jù)基爾霍夫電流定律和節(jié)點分析法,列出該選頻電路的電路方程:Vi-V1R1+0-V1R2+R3+0-V11jωC1+Vo-V11jωC2=0?(2)V1-01jωC1=0-VoR4?(3)式中,Vi為輸入電壓,Vo為輸出電壓,V1為電阻R1與電容C1之間的節(jié)點電壓.將(2)式和(3)式聯(lián)立,消去中間變量V1,解得VoVi=-1R1C2?jω(jω)2+1R4?(1C1+1C2)?jω+1R4C1C2?(1R1+1R2+R3).(4)將S=jω代入(4)式,可以獲得該選頻電路的傳遞函數(shù)Η(S)=-1R1C2?SS2+1R4?(1C1+1C2)?S+1R4C1C2?(1R1+1R2+R3).(5)對照標準二階帶通濾波器傳遞函數(shù),由(5)式可以計算得出該選頻電路的中心角頻率ωo=√R1+R2+R3R1(R2+R3)R4C1C2,(6)通帶增益Ao=-R4C2R1(C1+C2).(7)由(6)式可以看出,選頻電路的中心頻率與電阻R1,R2,R3,R4和電容C1,C2有關(guān);由(7)式可以看出,通帶增益與電阻R1,R4和電容C1,C2有關(guān).2.2fmea分析按照FMEA流程,查GJB/Z299C-2006可得電阻、電容、運放F007C的失效模式、頻數(shù)比以及故障概率,由理論計算和由文獻提供的元件簡化模型在PSpice仿真軟件中進行仿真實驗,得出該選頻電路的各種失效模式及其危害度,如表1所示.通過對表1中相同的失效模式進行匯總、分析,對其各種失效模式進行統(tǒng)計,由(1)式可以得到如表2的選頻電路各種失效模式的頻數(shù)比.從表2可以看出,輕微影響不影響該電路的選頻功能,占總失效率百分比為6.00%,在合格范圍內(nèi),所以不作為考慮的重點.無信號輸出以及信號失真故障模式分別占總失效率的36.4%和44.3%,是故障發(fā)生概率比較大的2種故障模式,需要重點解決.為了提高該電路故障仿真效率和真實性,可采取一些針對性的仿真,通過FMEA分析,選取故障發(fā)生概率大的2種失效模式——無信號輸出和信號失真——進行仿真,而從表1中可以看出對這2種故障模式影響從大到小的元件順序依次為:U1,C1,C2,R1,R4,相應地就可以設(shè)置其元件的故障模式,進行有重點的故障仿真,獲取有效的故障信息,為后續(xù)的故障診斷作鋪墊.表3為FMEA分析前后單故障仿真次數(shù)表.由表3可以看到,該選頻電路未經(jīng)FMEA分析需要故障仿真次數(shù)為19次,FMEA分析后故障仿真次數(shù)需要11次,仿真工作量減少到原來所需的57.9%,但故障仿真覆蓋率為80.7%.從工程上講,將FMEA分析法用于電路故障仿真中是適用有效的.3軍標精神中各組成元件失效模式分析