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1、湖南大学 硕士学位论文 基于神经网络和小波变换的模拟电路故障诊断理论与方法 姓名：谢涛 申请学位级别：硕士 专业：电工理论与新技术 指导教师：何怡刚 20070429 硕士学位论文 II 摘 要 模拟电路故障诊断自 70 年代开始， 在世界范围内已经取得卓有成效的研究成 果，并逐渐形成了比较系统的理论，确立了它在网络理论中应有的地位，成为继 网络分析和网络综合之后的网络理论的第三大分支。但是由于模拟电路特别是有 容差的大规模模拟电路故障的多样性和复杂性，使得可用于诊断容差模拟电路的 故障和大规模模拟电路软故障的方法还十分有限。随着电子技术的发展，特别是 超大规模模拟电路模数混合电路发展，对模拟
2、电路故障诊断提出了新的挑战，需 要探索新的模拟电路故障诊断理论和方法。 人工神经网络理论近年来得到了快速发展，已经开始在各个领域广泛应用。 本文主要研究了容差模拟电路故障诊断的神经网络方法。特别是对误差后向传播 神经网络(BP)进行了详细的探讨，给出了用改进 BP 网络诊断模拟电路故障的实 例，针对模拟电路故障中的多软故障，本文尝试用自组织特征映射网络(SOFM) 来进行诊断。诊断实例表明神经网络的联想、记忆和推理功能以及容错性、鲁棒 性和很好的非线性映射能力，使这一诊断方法明显优于传统的故障字典法。 本文将小波变换融入神经网络，提出了一种松散结合方式的小波神经网络故 障诊断方法。由于小波变换
3、具有在时域和频域良好的局部特性和对信号有较强的 特征提取功能，利用小波分析，将电路故障信号进行层次分解，获得不同频段的 信号成分，取其能反映故障信号特征的成分做为电路故障特征，再输入给神经网 络，大大减少了神经网络的输入数目，简化了神经网络的结构和减少了它的训练 时间，并提高了辨识故障类别的能力。 本文对大规模模拟电路的改进节点网络撕裂方法进行了深入的研究。对满足 子网络可解条件的各类可能撕裂情况，提出了相应的自检验判断条件和共检验判 断条件，给出了故障诊断的实例，该方法为大规模模拟电路子网络级的故障提供 了一种更为有效的故障定位方法。 关键词：模拟电路；故障诊断；神经网络；小波变换；网络撕裂
4、 基于神经网络和小波变换的模拟电路故障诊断理论与方法 III Abstract Analog circuit fault diagnosis began in the 70s, have obtained fruitful production all over the world, and gradually formed systemic theory, established its status in the network theory, and become the third branch following the net analysis and the net synthe
5、sis. However, the approaches are limited to deal with fault diagnosis because of the variety and complexity of the analog circuits, especially the large-scale analog circuits with the tolerance or the soft fault. With the development of electronic technology, especially VLSI and mixed signal circuit
6、s, it brings up new challenge to fault dianosis of the analog circuits, and requires the new theory and approaches for fault diagnosis of the analog circuits. Artifical Neural Network(ANN) have gained quick development and have been widely applied in many areas. This paper main study the Neural Netw
7、ork based approach for fault diagnosiso of analog circuits with tolerance, especially discussed the error back propogation Neural Network(BPNN) in detail, give examples for analog circuits fault diagnosis using improved error back propogation Neural Network. As for multiple and soft fault in analog
8、circuits, the paper attempt using Self-Organizing Feature Map(SOFM) to diagnosis. The example indicate that Artifical Neural Network has associational and memorial abilities, strong study ability, strong robust and non-linear mapping ability, which make this diagnosis method better than traditional
9、fault dictionary methods. This paper combines Wavelet Transform(WT) with ANN and presents a Wavelet and Neural Network method through unite loose for fault diagnosis. Due to WT have better part characteristic in time-domain and frequency-domain and stronger character extracting function for signal,
10、using Wavelet Transform, decompose fault signal in levels and acquire signal component in various frequency segment, using the ingredient that could reflect the fault signal character as circuits fault character, and input ANN, by this method, reduce the ANNs input number,simplify the ANNs structure
11、 and reduce the ANNs training time, enhance the ability of identifying fault sort. This paper researchs deeply on modified nodal decomposition approach for large-scale analog circuits. The suitable self-testing conditions and mutual-testing conditions are developed for all kinds of decomposition cas
12、es in which subnetworks satisfied solvability conditions. The diagnosis example is given. The approach provides an even more efficient method for locating fault subnetworks in large analog circuits. Key Words: analog circuit; fault diagnosis; neural network; wavelet transform; network decomposition
13、I 湖 南 大 学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查 阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，
14、可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1、保密，在_年解密后适用本授权书。 2、不保密。 （请在以上相应方框内打“” ） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 硕士学位论文 -1- 第 1 章 绪论 1.1 模拟电路故障诊断的背景意义及发展过程 在现代社会中，模拟电路广泛应用于军工、通讯、自动控制、测量仪表、家 用电器等各个方面。尽管数字电路已经发展的很完善，但是其不可能完全取代模 拟电路，在一个完整的系统中，模拟电路是必不可少的。目前电子设备中绝大部 分故障来自模拟电路部分。因此，模拟电路的可靠性在很大程度上决定了整个系 统的可
15、靠性。随着电子工业的发展，电子设备的复杂性越来越高，而且其中的模 拟器件和电路不可缺少，对这种设备的维修和保养十分复杂。据用户反映，对这 类设备的维修和保养所投入的经费已经超过了原先购置这些设备的投资。因此在 工业部门尤其是军事工业部门，对这种复杂设备的维修已经提出了十分迫切的要 求，需要增加故障诊断与故障预报的附加设备，以减轻维修人员的压力，降低维 修和保养的费用。近年来随着超大规模模拟电路(Analog VLSI)的发展，对模拟电 路的测试提出了急迫的需求，在 VLSI 研制和生产过程的三个阶段IC 的实验研 制阶段，产品生产过程，IC 的成品测试都需要进行测试与诊断。所有这些，通常 的人
16、工诊断技术已经无法满足需要，因此电路故障的自动诊断成为一个急待解决 的问题。 模拟电路故障诊断的理论研究始于网络元件参数的可解性。1960 年 R.S.Berkowitz 首先提出了关于模拟电路诊断的可解性概念1，指出，一个网络称 为元件值可解的，当且仅当它的每个元件值能够从其外部端子上测得的网络特性 唯一地加以确定，并提出了无源，线性，集总参数网络的网络元件值可解性的必 要条件，以此拉开了模拟电路故障诊断理论研究的序幕。 从 20 世纪 70 年代开始， 世界各国的学者发表了许多有关模拟电路故障诊断方 面的论文，提出了各种不同的原理和方法2-3，并在 1979 年达到了一个高峰，奠 定了模拟电路故障诊断的理论基础。1979 年以后，模拟电路故障诊断研究主要朝 着更实用化的多故障诊断发展。 1985 年 BandlerJ.W. 在 IE
