故障樹分析法在高頻電路實驗教學(xué)中的應(yīng)用

梁麗芳，韓 冰

(1.大連海事大學(xué) 國家級電工電子實驗教學(xué)示范中心，遼寧 大連 116026；2.大連市氣象裝備保障中心，遼寧 大連 116001)

高頻電路實驗是電子信息工程、通信工程、電子信息科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的一門專業(yè)實驗課。高頻電路理論理解和掌握有一定難度，電路易受干擾，實驗儀器種類繁多，使得高頻電路實驗比低頻電路實驗、數(shù)字電路實驗等其他課程實驗要復(fù)雜得多[1]。學(xué)生實驗時會遇到很多問題(也可以說是故障)，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍只能解決一些簡單問題，遇到復(fù)雜的問題時往往束手無策而選擇請教指導(dǎo)教師。所以，現(xiàn)階段如何使學(xué)生由被動接受學(xué)習(xí)型轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾魈骄啃蛠斫鉀Q高頻電路實驗故障問題，以及采用怎樣的教學(xué)方法提高學(xué)生綜合分析解決復(fù)雜問題的能力就成為高頻電路實驗教學(xué)的一個重大課題。

隨著故障診斷理論技術(shù)的發(fā)展，故障樹分析方法的應(yīng)用越來越廣，既可用于分析各種復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性問題，也可用于分析復(fù)雜系統(tǒng)的故障原因[2－3]。從最初應(yīng)用于航天航空、軍事裝備和核電等領(lǐng)域，到逐步應(yīng)用于汽車、交通、電子、軟件開發(fā)與測試、民用設(shè)備維修等領(lǐng)域[4－5]，而這些領(lǐng)域與電子信息類相關(guān)專業(yè)息息相關(guān)。為了達(dá)到學(xué)校人才培養(yǎng)與用人單位需求之間的無縫銜接，本文將故障樹分析法(fault tree analysis，F(xiàn)TA)首次引入到高頻電路實驗教學(xué)中，利用該方法幫助學(xué)生層次分明地梳理知識，把復(fù)雜問題簡單化，提高學(xué)生分析問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生良好的邏輯思維方式，進(jìn)而提高高頻電路實驗教學(xué)效率和質(zhì)量，為學(xué)生畢業(yè)后進(jìn)入相關(guān)行業(yè)奠定必備的工程素質(zhì)基礎(chǔ)。

1 故障樹分析法介紹

故障樹分析是以某個特定的不希望發(fā)生的故障作為頂事件向原因方面進(jìn)行深入分析，自上而下地尋找頂事件發(fā)生的所有可能原因(中間事件)，循序漸進(jìn)地一層層直到追蹤到基本原因(基本事件)為止，并用樹形邏輯圖體現(xiàn)這些事件之間的邏輯關(guān)系[5]。故障樹分析法不僅可以分析復(fù)雜系統(tǒng)的具體部件錯誤或部件性能惡化導(dǎo)致的錯誤，還可以分析軟件錯誤、控制錯誤、人員操作錯誤和環(huán)境應(yīng)力等引起的故障[6]。

故障樹分析分定性分析和定量分析。定性分析是指找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的全部可能的故障模式，即求出故障的全部最小割集。一個最小割集是指系統(tǒng)的一種故障模式，全部最小割集是指所有的系統(tǒng)故障譜。定量分析是指根據(jù)系統(tǒng)基本事件的失效概率計算出系統(tǒng)失效概率以及對基本事件進(jìn)行重要度分析等[5－7]。高頻電路實驗教學(xué)只需從邏輯上明確故障發(fā)生的過程和原因進(jìn)而分析定位解決問題，不需要定量計算事件發(fā)生的概率，這樣只需引入故障樹定性分析法。

2 故障樹分析高頻實驗故障的實例

相位鑒頻器實驗是高頻電路實驗中復(fù)雜而重要的一個實驗。本文將以相位鑒頻器實驗中學(xué)生經(jīng)常遇到的問題(故障)為例，來說明故障樹分析法在高頻電路實驗中的應(yīng)用方法。

2.1 相位鑒頻器實驗原理

鑒頻的目的是從調(diào)頻波中檢出低頻調(diào)制信號。相位鑒頻器是將調(diào)頻波信號輸入到線性移相網(wǎng)絡(luò)，變換成相位與瞬時頻率成正比的調(diào)相—調(diào)頻波，再與原調(diào)頻波分別輸入到相位檢波器進(jìn)行鑒相進(jìn)而達(dá)到鑒頻的目的[8]。該實驗是在高頻電路實驗箱上完成的，具體的實驗原理框圖如圖1所示。實驗時，由低頻信號源模塊產(chǎn)生的fΩ＝5 kHz正弦波信號，作為調(diào)制信號輸入到高頻信號源模塊變?nèi)荻O管控制電壓的輸入端；高頻信號源模塊中的LC調(diào)頻振蕩器產(chǎn)生fc＝10.7 MHz的高頻振蕩，由調(diào)制信號控制變?nèi)荻O管進(jìn)行線性調(diào)頻后產(chǎn)生調(diào)頻波；該調(diào)頻波再輸入到檢波鑒頻乘法器模塊進(jìn)行鑒頻，解調(diào)出原始信號。實驗箱上的檢波鑒頻乘法器模塊是用模擬相乘器MC1496芯片構(gòu)成的乘積型相位鑒頻器電路。

圖1 相位鑒頻器實驗原理框圖

2.2 故障樹分析相位鑒頻器實驗故障實例

在相位鑒頻器實驗中學(xué)生遇到最多的問題是沒有解調(diào)出原始信號(調(diào)制信號)?，F(xiàn)以該問題作為頂事件來進(jìn)行故障樹分析過程說明。在導(dǎo)線、電源、各模塊供電都正常的前提下，根據(jù)圖1中的功能模塊構(gòu)成、各功能模塊的輸入與輸出端口、前后級之間的聯(lián)系、信號走向與實驗箱實際電路情況等建立相位鑒頻器沒有解調(diào)出原始信號的故障樹[9]，如圖2所示。考慮到實驗箱是集成化批量生產(chǎn)的，所以故障樹并沒有展開實驗箱各模塊電路設(shè)計方面的錯誤和電路元器件的錯誤。

圖2中，用T表示頂事件，用A1、A2、B1、B2、B3、C1、C2、C3表示中間事件，用X1～X16表示16個基本事件。

故障樹建立后，可以根據(jù)故障樹采用邏輯推理診斷法或最小割集診斷法定位實驗故障問題點[10]。必要時可采用目光感測法、分割檢測法、信號分析法和替換分析法[9]等故障診斷方法來輔助判定。

圖2 相位鑒頻器故障樹分析實例圖

2.2.1 邏輯推理診斷法

根據(jù)故障樹的邏輯關(guān)系，從上到下采取合理的驗證方法逐層判斷每個事件是否發(fā)生，如果發(fā)生則再進(jìn)行該事件的下一層測試，否則不展開，這樣可以逐步縮短每層調(diào)查范圍直到找到真正發(fā)生的基本事件[10]?；诠收蠘浯_定頂事件發(fā)生的一種原因的遍歷過程 (yes:事件發(fā)生，no:事件未發(fā)生)如圖3所示，最終找到導(dǎo)致頂事件T發(fā)生的原因為X11基本事件 (并聯(lián)諧振回路諧振頻率不是10.7 MHz)。

圖3 遍歷測試驗證過程實例

2.2.2 最小割集診斷法

圖2所示的故障樹采用的全部是邏輯或門，根據(jù)下行法[11]求故障樹的最小割集集合為{X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15，X16}。逐個測試驗證最小割集是否發(fā)生，直到找到發(fā)生的最小割集，從而定位問題。

3 故障樹分析法在高頻電路實驗教學(xué)中的實施管理辦法

為了在高頻電路實驗教學(xué)中充分發(fā)揮故障樹分析法的特點和優(yōu)勢，從而提高實驗教學(xué)質(zhì)量，并且使這種方法具有可執(zhí)行性和實用性，必須制定合理的實施過程和管理辦法。具體包括以下5個方面。

1)每學(xué)期第一節(jié)高頻電路實驗課，給學(xué)生講授故障樹分析法基本原理以及在高頻電路實驗中如何使用。并不要求學(xué)生必須在課堂上就能畫出故障樹，但是需要采用故障樹分析的思維過程進(jìn)行分析，要求學(xué)生課后在實驗報告中體現(xiàn)故障樹分析實驗故障的過程。

2)每節(jié)實驗課，遇到問題先要求學(xué)生按照故障樹分析法自行進(jìn)行分析。如有困難請教指導(dǎo)老師，教師啟發(fā)或引導(dǎo)學(xué)生以故障樹分析法的思維方式進(jìn)行分析，而不是直接告訴問題點，引導(dǎo)學(xué)生建立實驗故障的故障樹。教師通過課堂或?qū)嶒瀳蟾媸占看螌嶒炚n的故障樹分析實例，確定故障種類，歸類完善后整理存檔。

3)每學(xué)期結(jié)束后，教師歸納各個實驗中所有故障種類的故障樹，形成各個實驗的故障譜，做成 “高頻電路實驗故障樹分析指南”，作為高頻電路實驗室的技術(shù)資產(chǎn)留存，圖形化的資料形象直觀，便于以后學(xué)習(xí)的學(xué)生查閱和使用。

4)在實驗課上學(xué)生遇到問題自行解決不了時，可以查閱 “高頻電路實驗故障樹分析指南”尋求解決方法；學(xué)生學(xué)會使用既有技術(shù)資產(chǎn)自主探究解決問題，獲得寶貴的實踐經(jīng)驗，與企業(yè)開發(fā)人員的工作模式接軌。如果還是無法解決再向老師尋求幫助。

5)另外，為提示學(xué)生，“高頻電路實驗故障樹分析指南”中各故障譜可以標(biāo)注每個事件可以采取的測試驗證方法。

需要強調(diào)的是，由于學(xué)生構(gòu)造故障樹的完整與否取決于對理論知識和實驗原理的理解程度，驗證事件是否發(fā)生取決于學(xué)生對儀器的操作水平與測試方法的選取等，學(xué)生通過建立故障樹對實驗故障進(jìn)行診斷時很容易出現(xiàn)漏診的情況[12]，所以在高頻電路實驗教學(xué)中實施故障樹分析法，教師的啟發(fā)引導(dǎo)和完善歸納整理至關(guān)重要。

4 結(jié)束語

在高頻電路實驗教學(xué)環(huán)節(jié)引入故障樹分析法，學(xué)生通過建立故障樹的過程，由表及里、層次分明地梳理實驗過程與原理，再經(jīng)過分析、驗證、定位與解決問題，理論知識的掌握更加深刻，學(xué)生實驗的積極性更加高漲，解決復(fù)雜問題的經(jīng)驗也更加豐富。故障樹分析法在高頻電路實驗教學(xué)中的實施管理辦法能夠確保這種分析方法在實驗教學(xué)中發(fā)揮巨大的作用。

故障樹分析法也可應(yīng)用到其他實驗教學(xué)中。筆者在應(yīng)用故障樹分析法的實踐教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，對于同一門實驗，一般從第一節(jié)實驗到最后一節(jié)實驗越來越復(fù)雜，綜合性越來越強，但從課堂效果來看，學(xué)生使用故障樹分析法越來越得心應(yīng)手，找老師尋求幫助的問題數(shù)量成減小趨勢，逐步從被動接受學(xué)習(xí)向自主探究學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，并且在后續(xù)的相關(guān)課程實驗中也明顯釋放了很多老師指導(dǎo)的時間，值得各高校各種實驗借鑒和推廣。在實踐教學(xué)中溶入與前沿實際應(yīng)用相關(guān)的工程分析方法，達(dá)到專業(yè)實踐技能培養(yǎng)與工程分析思維培養(yǎng)的完美結(jié)合，為電子信息類學(xué)生畢業(yè)后從事科研或投入相關(guān)行業(yè)工作奠定了良好的基礎(chǔ)，使人才培養(yǎng)與社會需求直接接軌。

[1]孫俊卿，羅云林，黃建宇.虛擬高頻電路實驗教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32(20):107－109.

[2]于嵩，敖長林，陳紅光.遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性仿真研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，43(11):129－132.

[3]趙燕滔，權(quán)力，許仕君，等.可靠性分析在實驗室儀器設(shè)備管理中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2014，33(10):291－293.

[4]吳志良.船舶電站可靠性建模及故障樹分析法研究[D].大連:大連海事大學(xué)，2015.

[5]任穎，李華偉，張杰.基于故障樹分析法的軟件測試技術(shù)[J].實驗室研究與探索，2011，30(8):78－80.

[6]柳衛(wèi)東.汽車制動系統(tǒng)FTA法的故障診斷研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[7]郭永晉，孫麗萍.基于矩陣的故障樹分析方法[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2016，37(7):896－900.

[8]曾興雯，劉乃安，陳健，等.高頻電子線路[M].3版.北京:高等教育出版社，2016.

[9]鄭宗亞.電子線路的故障分析[J].實驗室研究與探索，1998，17(6):99－101.

[10]邵延峰，薛紅軍.故障樹分析法在系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用[J].機械設(shè)計與制造工程，2007，36(1):72－74.

[11]朱偉.坦克液壓系統(tǒng)可靠性維修及決策模型研究[D].西安:西安電子科技大學(xué)，2014.

[12]韋家增.故障樹分析和模糊理論在機械故障診斷中的應(yīng)用研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2002.