一种模拟滤波器组合故障模拟装置、故障模拟系统及其故障模拟方法

技术领域

本发明属于模拟滤波领域；具体涉及一种模拟滤波器组合故障模拟装置、故障模拟系统及其故障模拟方法。

背景技术

当今世界离不开各种各样的电子及电气设备，诸如模拟滤波器电路等在电气设备中应用广泛。模拟滤波器电路作为电路中信号处理的重要保障，其可靠性对于整体电路系统具有重大意义，是非常重要的模拟电路之一。实际使用中，模拟滤波器电路易产生电阻、电容的漂移故障，设计制作模拟滤波器的故障模拟装置对认识滤波器故障具有重要意义。而多数故障模拟器以仿真方法实现，实物平台也仅仅模拟了固定阻值的电阻或固定容值的电容漂移对模拟电路的影响，极大限制了故障模拟装置的灵活性。

发明内容

本发明提供一种模拟滤波器组合故障模拟装置、故障模拟系统及其故障模拟方法，用以解决现有的模拟滤波器电路多元故障类型的模拟类型不足的问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种模拟滤波器组合故障模拟装置，所述装置包括电源输入单元、电源保护单元、信号输入单元、信号输出单元、运算放大器单元和阻容漂移匹配单元；所述信号输入单元分别与运算放大器单元和阻容漂移匹配单元相连接，所述运算放大器单元和阻容漂移匹配单元相连接，所述电源输入单元和电源保护单元均与运算放大器单元和阻容漂移匹配单元相连接，所述运算放大器单元和阻容漂移匹配单元与相应输出相连接。

进一步的，所述阻容漂移匹配单元具体包括漂移电阻R1、漂移电阻R2、漂移电阻R3、漂移电阻R4、漂移电容C1和漂移电容C2，所述漂移电阻R1分别与漂移电阻R2、漂移电阻R3、漂移电阻R4、漂移电容C1和漂移电容C2一个或多个自由进行组合；所述漂移电阻R2分别与漂移电阻R1、漂移电阻R3、漂移电阻R4、漂移电容C1和漂移电容C2一个或多个自由进行组合；所述漂移电阻R3分别与漂移电阻R2、漂移电阻R1、漂移电阻R4、漂移电容C1和漂移电容C2一个或多个自由进行组合；所述漂移电阻R4分别与漂移电阻R2、漂移电阻R3、漂移电阻R1、漂移电容C1和漂移电容C2一个或多个自由进行组合；所述漂移电容C1分别与漂移电阻R2、漂移电阻R3、漂移电阻R4、漂移电阻R1和漂移电容C2一个或多个自由进行组合；所述漂移电容C2分别与漂移电阻R2、漂移电阻R3、漂移电阻R4、漂移电阻R1和漂移电容C1一个或多个自由进行组合。

一种模拟滤波器组合故障模拟系统，所述故障模拟系统包括电源输入单元、电源保护单元、信号输入单元、信号输出单元、漂移故障组合单元、运算放大器单元和阻容漂移匹配单元；所述信号输入单元将脉冲信号传输至运算放大器单元和阻容漂移匹配单元，所述电源输入单元为运算放大器单元和阻容漂移匹配单元提供电能，所述电源单元防止短路引起的大电流损坏电路，所述运算放大器单元和阻容漂移匹配单元相互之间传输信号，所述运算放大器单元和阻容漂移匹配单元均将信号传输至相应输出。

进一步的，所述阻容漂移匹配单元具体包括漂移电阻R1、漂移电阻R2、漂移电阻R3、漂移电阻R4、漂移电容C1和漂移电容C2，所述漂移电阻R1分别与漂移电阻R2、漂移电阻R3、漂移电阻R4、漂移电容C1和漂移电容C2一个或多个自由进行组合；所述漂移电阻R2分别与漂移电阻R1、漂移电阻R3、漂移电阻R4、漂移电容C1和漂移电容C2一个或多个自由进行组合；所述漂移电阻R3分别与漂移电阻R2、漂移电阻R1、漂移电阻R4、漂移电容C1和漂移电容C2一个或多个自由进行组合；所述漂移电阻R4分别与漂移电阻R2、漂移电阻R3、漂移电阻R1、漂移电容C1和漂移电容C2一个或多个自由进行组合；所述漂移电容C1分别与漂移电阻R2、漂移电阻R3、漂移电阻R4、漂移电阻R1和漂移电容C2一个或多个自由进行组合；所述漂移电容C2分别与漂移电阻R2、漂移电阻R3、漂移电阻R4、漂移电阻R1和漂移电容C1一个或多个自由进行组合。

进一步的，所述故障模拟方法包括以下步骤：

步骤1：将本系统组装后，接通直流电源；

步骤2：对系统设置信号源的输出；

步骤3：调整故障组合电阻与电容的漂移等级；

步骤4：将步骤2中的信号源中的信号输入至滤波器过滤；

步骤5：将步骤4经过滤波器的信号输入数字示波器显示。

一种模拟滤波器组合故障模拟系统的故障模拟方法，所述步骤1的直流电源选择同时输出正负电平的双端口直流稳压电源，所需电平为+15V至-15V。

进一步的，所述步骤2信号源的输出的波形为脉冲波，其参数设置：周期10ms以上，高电平/低电平5V/0V，脉宽10μs，偏置补偿1.25V，上升/下降时间100ns。

进一步的，所述步骤3调整故障组合电阻与电容的漂移等级具体为，初始时设定为无漂移的标准状态，逆时针旋转可设定该元件向负方向漂移，顺时针旋转可设定该元件向正方向漂移设置一元或多元电阻、电容漂移故障模式。

进一步的，所述模拟一元故障模式，首先确定漂移故障发生在电容还是电阻上，并确定具体的漂移元件，保持除漂移元件外的电阻电容旋钮在漂移等级0处保持不变，旋转漂移元件对应的故障模拟旋钮，即仅改变漂移元件的阻值或容值，不改变其他元件的属性，实现模拟滤波器电路一元故障漂移的模拟。

进一步的，所述多元故障模式，确定所模拟的故障为n元阻容漂移故障，并确定具体发生漂移的n个元件，保持除漂移元件外的6-n个电阻电容旋钮在漂移等级0处保持不变，依次旋转n个漂移元件对应的故障模拟旋钮至相应的漂移等级位置，即组合了所设定漂移元件的阻值和容值，而不改变其他元件的属性，实现模拟滤波器电路的多元故障组合模拟。

本发明的有益效果是：

本发明以模拟滤波器电路故障为研究对象，以旋钮选择的方式设定阻容漂移等级，并利用多组旋钮控制的不同电阻、电容漂移等级不同进行故障多元组合，大量模拟出模拟滤波器的常见多元故障状态。与现有单一模拟电路故障模拟装置相比，本发明能有效组合多个电阻、电容的漂移故障，故障模拟方法灵活。且本发明能模拟的故障模式多达366024种，远超过现有模拟电路故障模拟装置。通过数字示波器观察本发明的模拟故障波形，其波形平滑、稳定，无震荡，噪声干扰极小，使用阻容漂移旋钮选择不同的漂移等级，故障波形变化明显，本发明能较好的模拟出模拟电路的阻容漂移故障，具有非常强的实际应用意义。

附图说明

附图1是本发明的系统示意图。

附图2是本发明的阻容故障组合实现方法。

附图3是现有的阻容故障组合实现方法。

附图4是本发明的正常工作模式的模拟滤波器电路图。

附图5是本发明的阻容漂移故障的模拟滤波器电路图。

附图6是本发明的旋钮开关原理示意图，其中(a)为电阻旋钮开关原理示意图，(b)为电容旋钮开关原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种模拟滤波器组合故障模拟装置，所述装置包括电源输入单元、电源保护单元、信号输入单元、信号输出单元、运算放大器单元和阻容漂移匹配单元；所述信号输入单元分别与运算放大器单元和阻容漂移匹配单元相连接，所述运算放大器单元和阻容漂移匹配单元相连接，所述电源输入单元和电源保护单元均与运算放大器单元和阻容漂移匹配单元相连接，所述运算放大器单元和阻容漂移匹配单元与相应输出相连接。

进一步的，所述阻容漂移匹配单元具体包括漂移电阻R1、漂移电阻R2、漂移电阻R3、漂移电阻R4、漂移电容C1和漂移电容C2，所述漂移电阻R1分别与漂移电阻R2、漂移电阻R3、漂移电阻R4、漂移电容C1和漂移电容C2一个或多个自由进行组合(如R1+R2、R1+R3、R1+C1+C2或R1+R3+R4+C1等)；所述漂移电阻R2分别与漂移电阻R1、漂移电阻R3、漂移电阻R4、漂移电容C1和漂移电容C2一个或多个自由进行组合；所述漂移电阻R3分别与漂移电阻R2、漂移电阻R1、漂移电阻R4、漂移电容C1和漂移电容C2一个或多个自由进行组合；所述漂移电阻R4分别与漂移电阻R2、漂移电阻R3、漂移电阻R1、漂移电容C1和漂移电容C2一个或多个自由进行组合；所述漂移电容C1分别与漂移电阻R2、漂移电阻R3、漂移电阻R4、漂移电阻R1和漂移电容C2一个或多个自由进行组合；所述漂移电容C2分别与漂移电阻R2、漂移电阻R3、漂移电阻R4、漂移电阻R1和漂移电容C1一个或多个自由进行组合。

一种模拟滤波器组合故障模拟系统，所述故障模拟系统包括电源输入单元、电源保护单元、信号输入单元、信号输出单元、运算放大器单元和阻容漂移匹配单元；所述信号输入单元将脉冲信号传输至运算放大器单元和阻容漂移匹配单元，所述电源输入单元为运算放大器单元和阻容漂移匹配单元提供电能，所述电源保护单元防止短路引起的大电流损坏电路，所述运算放大器单元和阻容漂移匹配单元相互之间传输信号，所述运算放大器单元和阻容漂移匹配单元均将信号传输至相应输出。

进一步的，所述阻容漂移匹配单元具体包括漂移电阻R1、漂移电阻R2、漂移电阻R3、漂移电阻R4、漂移电容C1和漂移电容C2，所述漂移电阻R1分别与漂移电阻R2、漂移电阻R3、漂移电阻R4、漂移电容C1和漂移电容C2一个或多个自由进行组合(如R1+R2、R1+R3、R1+C1+C2或R1+R3+R4+C1等)；所述漂移电阻R2分别与漂移电阻R1、漂移电阻R3、漂移电阻R4、漂移电容C1和漂移电容C2一个或多个自由进行组合；所述漂移电阻R3分别与漂移电阻R2、漂移电阻R1、漂移电阻R4、漂移电容C1和漂移电容C2一个或多个自由进行组合；所述漂移电阻R4分别与漂移电阻R2、漂移电阻R3、漂移电阻R1、漂移电容C1和漂移电容C2一个或多个自由进行组合；所述漂移电容C1分别与漂移电阻R2、漂移电阻R3、漂移电阻R4、漂移电阻R1和漂移电容C2一个或多个自由进行组合；所述漂移电容C2分别与漂移电阻R2、漂移电阻R3、漂移电阻R4、漂移电阻R1和漂移电容C1一个或多个自由进行组合。

进一步的，所述故障模拟方法包括以下步骤

步骤1：将本系统组装后，接通直流电源；

步骤2：对系统设置信号源的输出；

步骤3：调整故障组合电阻与电容的漂移等级；

步骤4：将步骤2中的信号源中的信号输入至滤波器过滤；

步骤5：将步骤4经过滤波器的信号输入数字示波器显示。

一种模拟滤波器组合故障模拟系统的故障模拟方法，所述步骤1的直流电源选择同时输出正负电平的双端口直流稳压电源，所需电平为+15V至-15V。电源的输入接口比较灵活，可使用通用供电的大D型电源接口，若没有大D型电源接口可使用杜邦线连接至欧式端子为滤波器电路供电。

进一步的，所述步骤2信号源的输出的波形为脉冲波，其参数设置：周期10ms以上，高电平/低电平5V/0V，脉宽10μs，上升/下降时间100ns。

进一步的，所述步骤3调整故障组合电阻与电容的漂移等级具体为，初始时设定为无漂移的标准状态，逆时针旋转可设定该元件向负方向漂移，顺时针旋转可设定该元件向正方向漂移设置一元或多元电阻、电容漂移故障模式。

进一步的，所述模拟一元故障模式，首先确定漂移故障发生在电容还是电阻上，并确定具体的漂移元件，保持除漂移元件外的电阻电容旋钮在漂移等级0处保持不变，旋转漂移元件对应的故障模拟旋钮，即仅改变漂移元件的阻值或容值，不改变其他元件的属性，实现模拟滤波器电路一元故障漂移的模拟。

进一步的，所述多元故障模式，确定所模拟的故障为n元阻容漂移故障，并确定具体发生漂移的n个元件，保持除漂移元件外的6-n个电阻电容旋钮在漂移等级0处保持不变，依次旋转n个漂移元件对应的故障模拟旋钮至相应的漂移等级位置，即组合了所设定漂移元件的阻值和容值，而不改变其他元件的属性，实现模拟滤波器电路的多元故障组合模拟。

进一步的，所述步骤5具体为，通过波形确定电路所模拟的漂移故障模式。为防止大电压和大电流对滤波器电路造成的损坏，在模拟故障的同时也设置了电源保护单元，最大程度减小所设定环境外其他不可控因素的影响。

本发明能模拟模拟滤波器电路中由电阻或电容漂移引起的一种或多元故障模式。

不同漂移等级所对的容值及阻值如表1、表2所示。

表1旋钮开关档位对应电容容值及漂移等级

表2旋钮开关档位对应电阻阻值及漂移等级

由于本模拟装置可模拟的模拟滤波器电路漂移故障模式过多，无法全部列举说明，随机列举6种多元漂移故障的组合模式，并说明当前状态下模拟滤波器的电路漂移状态如表3所示。

表3多元阻容漂移故障旋钮开关档位及多元故障组合状态