Пошук несправностей у цифрових схемах

1. Несправності цифрових пристроїв.  Класифікація несправностей

2. Тести цифрових пристроїв. Класифікація тестів

3. Спеціалізовані вимірювальні пристрої

4. Метод половинного поділу та його застосування

1. Несправності цифрових пристроїв.  Класифікація несправностей

Призначенням  цифрових  пристроїв  є  перетворення й зберігання інформації в складі систем обробки даних і  керування. Сигнали на входах і виходах елементів  цифрових пристроїв можна характеризувати логічними значеннями. Під логічним значенням сигналу  розуміють деякий діапазон  рівнів напруги. Залежно  від  використовуваних електронних  компонентів: ТТЛ, ЕЗЛ, КМОН - логічному  0 і 1 зіставляють конкретні  значення діапазонів, у межах яких можуть перебувати рівні напруг 0 і 1. У пристроях із шинною організацією під логічним значенням розуміють також вихід елемента в стан високого імпедансу (z стан). Під параметричним значенням сигналу  розуміють типове, мінімальне  й максимальне значення:  рівнів напруги (U), струму (I), часу затримки сигналу при проходженні його через компонент.

Таблиця 1 –  Класифікація несправностей відповідно до їх ознак

Ознака несправності	Класи несправностей
Вплив на функціонування	Суттєві Несуттєві
Тип несправності	Константні Несправності логічних елементів Замикання з'єднань
Прояв у часі	Стійкі Нестійкі
Кількість   несправностей,  що одночасно присутні   у пристрої	Одиночні Кратні
Можливість розрізнення	Помітні Нерозрізнені

Під несправністю цифрового пристрою розуміють зміни в пристрої, що викликані дефектом.  На функціональному рівні  дефект проявляється, якщо замість очікуваного  0 на виході пристрою  з'являється 1 або замість  1 з'являється 0. Класифікація несправностей наведена в таблиці 1. З огляду на незалежність розподілу,  наведені класи несправностей можуть застосовуватися в різних сполученнях залежно від конкретних дефектів.  Кожний конкретний дефект характеризують набором  класів.

Суттєві несправності  змінюють  функціональну модель пристрою, несуттєві – не змінюють.

До константних несправностей відносять несправності,  обумовлені такими дефектами, як обрив друкованих провідників або  відсутність пайки  логічного контакту  мікросхеми, коротке замикання логічних кіл з колами живлення або землі.  Константні  несправності можуть бути несуттєвими.     Під несправністю  логічних елементів  розуміють зміна функції логічного  елемента.

Клас замикань  з'єднань обумовлений  таким дефектом,  як коротке замикання логічних  кіл. Цей клас  характеризується появою в логічній схемі нових елементів - монтажної логіки.

У результаті короткого замикання комбінаційна схема може перетворитися в елемент пам'яті.

До стійких  несправностей відносять  несправності, які з'являються не пізніше початку й зникають не раніше кінця діагностування. Нестійкі несправності можуть  з'являтися й/або  зникати пізніше початку й раніше кінця діагностування.

По кратності розрізняють одиночні й n-кратні  несправності.

Несправності, що приводять до логічно тотожних  схем, називають нерозрізненими.

2. Тести цифрових пристроїв. Класифікація тестів

     Однієї з  важливих завдань,  що розв'язується на  всіх етапах життєвого циклу цифрового пристрою (проектування, виготовлення, експлуатація) - є визначення  виду технічного стану  цифрового пристрою. Як правило, для одержання інформації про  технічний стан об'єкта використовують тести. Під тестом об'єкта розуміють сукупність вхідних впливів, що подаються на об'єкт у певному порядку  й відповідних впливах реакції справного об'єкта, що називаються  еталонами. Стосовно до цифрових пристроїв тестом називають послідовність  векторів (наборів) вхідних сигналів.

Тестовий експеримент полягає в подачі на пристрій, що перевіряється, вхідних впливів, отримання реакції і порівнянні його з еталоном. Під тестером розуміється пристрій від найпростішого вольтметра  до спеціалізованої робочої станції, оснащеної вбудованої  ЕОМ.

Несправність, що перевіряється, вважається наявною, якщо реакція на тест відрізняється від еталонної. Важливою характеристикою є повнота тесту, обумовлена як відношення числа  несправностей, що перевіряються тестом, до загального числа розглянутих несправностей. Звичайно повноту тесту вказують у відсотках.

Класифікація тестів, що застосовують  на практиці, наведена  в таблиці 2. Під функціональним тестуванням, на практиці, розуміють  використання тестера, що розрізняє тільки логічні значення сигналів на виходах пристрою, що перевіряється. Аналіз тільки логічних значень у ряді випадків  недостатній.  Щоб  за допомогою  функціонального тестера більш адекватно імітувати зовнішнє  середовище, його  ускладнюють, додаючи можливість зміни напруги  живлення при  тестуванні, а  також можливість зміни меж діапазонів  рівнів напруги для 0  і 1. Функціональне тестування необхідно при виготовленні й ремонті цифрового пристрою.

Таблиця 2. - Класифікація тестів

Об'єкт контролю	Вид класифікації	Найменування тесту
Цифровий пристрій	Вимір сигналів тестером	Функціональний Параметричний
	Частота подачі   тесту	Статичний Динамічний
	Завдання, розв'язуване   тестом	Перевірка Пошук дефекту
Проект	Виявлення помилок	Верифікації

При параметричному тестуванні використовують тестер, що робить аналогові виміри значень сигналів на виходах пристрою, що перевіряється. Проведення аналогових вимірів є  більше дорогим у порівнянні із проведенням цифрових вимірів і тому параметричне тестування економічно виправдане тільки при виготовленні (підготовці виробництва) компонентів.

Статичне тестування має на увазі, що тест подається на цифровий пристрій із частотою в кілька разів (на кілька  порядків)  меншої в порівнянні із частотою, на  яку розраховане пристрій, що перевіряється. Тестування на низьких частотах  обумовлено, по-перше, тим, що воно дозволяє на тесті з високою повнотою стійко виявляти більшість несправностей, по-друге, невисокою вартістю тестерів.

При динамічному тестуванні перевіряється пристрій, що,  стимулюється тестером на робочій частоті. Часто під динамічним тестом також розуміють спеціально організований тест, еталонна  реакція якого являє собою послідовний перебір  1 і 0 на тому самому виході. За  допомогою такого тесту  можна перевіряти параметричні значення сигналів, такі  як затримки сигналу при проходженні його через пристрій.  Динамічне тестування  дорожче, ніж  статичне, і тому, як правило, його виконують тільки при виготовленні (підготовці виробництва) БІС.

Тест пошуку дефекту, на відміну від перевіряючого, надає інформацію про місце несправності.

Тест верифікації використовують для виявлення помилок  проектування. Верифікаційне  тестування виконують  на математичній моделі  до виготовлення  цифрового  пристрою.

Тестер логічних мікросхем наведений на рисунку 1.  Логічна функція микросхеми, що перевіряється, дублюється аналогічною справною мікросхемою й потім порівнюються вихідні сигнали двох мікросхем.

Для порівняння використовується логічний елемент, що реалізує функцію виключне АБО. Якщо входи елементів однакові, на виході з'являється напруга низького рівня, а якщо входи розрізняються — на виході діє напруга високого рівня.

Сигнали від мікросхеми, що перевіряється, беруться за допомогою кліпси, що приєднується до тестера коротким кабелем через гнізда SK2 15-контактні роз’єми типу D. Лінії, на яких діють логічні сигнали (вони відповідають контактам 1-6 і 8-13), підведені до однополюсних тумблерів S1 -S13, за виключенням S7. Тумблери пронумеровані відповідно до номерів контактів мікросхеми. Тумблери S1-S13 (за винятком S7) спрощують з'єднання контактів мікросхеми, що перевіряється, з відповідними контактами еталонної мікросхеми, що вставляється в гніздо SK2. При звичайній роботі за допомогою тумблерів з'єднуються тільки вхідні контакти.

Вихідні сигнали, використовуються для порівняння, вибираються за допомогою перемикачів S14 (зовнішні) і S15 (внутрішні).  Результат порівняння відображає світлодіод D1, що світиться при напруги низького рівня на виході мікросхеми IC1. Така напруга виходить при ідентичних вхідних сигналах і показує, що обидві мікросхеми працюють однаково.

Рисунок 1 – Схема тестера логических микросхем

3. Спеціалізовані вимірювальні пристрої

Логічний пробник це прилад, що підключається до того ж джерела живлення, що й перевіряєма схема,  має загострений щуп, що використовується для тестування різних точок  схеми. Покази індикаторів логічного пробника зображені на рис 2.

Рисунок 2. – Покази індикаторів логічного пробника

Логічний імпульсний генератор призначений для подачі імпульсу на вхід схеми, у той час як логічний пробник відслідковує логічний стан виходу. Звичайно логічний імпульсний генератор використовується разом з логічним пробником і живиться від схеми тестування.

У складних цифрових схемах, особливо в мікрокомп'ютерних системах, необхідно знати зв'язок між багатьма різними сигналами. У цій ситуації форми напруги не так важливі, як логічні стани, що виникають у певні моменти часу. Логічний аналізатор - це прилад, що дозволяє одночасно збирати й зберігати інформацію про логічний стан  по багатьом каналам (48 і більше). Ці виміри виконуються через певні інтервали часу, які задаються внутрішніми джерелами тактових імпульсів або зовнішнім джерелом, що перебуває в схемі дослідження. Логічний аналізатор може бути з’єднаний з персональним комп'ютером. Він може представляти інформацію у вигляді часових діаграм або таблиці станів.

4. Метод половинного поділу та його застоування

Для пошуку несправностей у цифрових схемах використовують наступний підхід. Проводяться  вимірювання в тестових точках, що розташовуються у стратегічно важливих точках схеми. Ідеальним місцем для початку вимірювань у подібній ситуації є точка в середині блок-схеми, як показано на рисунку 3.

Рисунок 3. – Метод половинного розподілу

Якщо форма сигналу досить близька до наведеного в технічній документації, то можна виключити всю першу частину схеми. Цей процес варто повторювати, крім на кожному етапі половину схеми, що залишилася. Результатом такої процедури повинна стати локалізація несправності в якімсь конкретному блоці або модулі системи з відповідним вхідним сигналом і поганим вихідним.

Можна замінити весь модуль, якщо система побудована за модульним принципом. Це найбільш економічний спосіб рішення проблеми.

Потрібно розуміти, що пошук несправності рідко являє собою прямолінійний процес.

Приклад 1. Методика діагностики дешифратора 74138

Рис. 4 Дешифратор  74138

Процедура оцінки працездатності дешифратора при пошуку несправностей буде різної залежно від системи, у якій він задіяний. Якщо система постійно використовує входи дешифратора, то можна досить просто визначити, чи працює дешифратор. За допомогою логічного пробника переконаєтеся, що  входи дозвли роботи перебувають в активному стані. Для схеми 74138 G1 повинен мати високий рівень, G2A і G2B - низький рівень.

Потім за допомогою пробника визначте логічні рівні на входах А, В, С. Після цього за допомогою логічного пробника перевірте рівень на відповідному виході схеми. Цей процес можна повторити для кожного стану входів приладу.

Якщо який-небудь тест дав негативний результат, ви повинні визначити, чи виникла проблема в дешифраторі або в схемах, з якими він з'єднаний.

Варіанти:

1.   Мікросхема перебуває в панельці. У цьому випадку витягніть її, замкніть вивід того виходу, де передбачається проблема, і знову вставте мікросхему на місце. Потім перевірте вихідний сигнал на загнутому виводі. Якщо сигнал усе ще неправильний, замінить ІМС.

2.   Мікросхема припаяна. Для ізолювання виходу від інших схем можна або відрізати вивід, або перерізати фольгу на платі.

Багато цифрових систем не дають статичного набору вхідних сигналів на дешифратор. Завдання дешифратора полягає в тому, щоб чекати потрібного стану вхідних сигналів, що швидко змінюються, і реагувати тільки після цього. У цьому випадку, для одночасного спостереження всіх сигналів найкраще використовувати логічний аналізатор. Якщо якого-небудь сигналу немає, можна виконати деякі інші тести. Коли на виході не з'являється низький логічний рівень, це може бути наслідком трьох факторів:

· на входах не виникає необхідного стану, щоб вихід мав низький рівень;

· мікросхема несправна;

· розташовані на виході схеми завжди втримують вихід на високому рівні.

Щоб упевнитися в надходженні всіх вхідних сигналів, можна помістити справну мікросхему на досліджувану й відігнути вивід, що перевіряється, установленої зверху мікросхеми.  Рисунок 5 показує алгоритм  пошуку несправностей для локалізації проблем дешифратора.

Рисунок 5. – Алгоритм пошуку несправностей дешифратора

Приклад 2. Методика діагностики шифратора 74922.

Шифратори використовуються для генерації двійкового числа по якій-небудь одиночній події, наприклад натисканню клавіші. Деякі шифратори являють собою прості комбіновані логічні схеми, інші є дуже складними цифровими схемами, які сканують матрицю входів і виробляють двійковий вихідний сигнал, що відображає номер натиснутої клавіші. Схема 74922 належить до останнього типу. Вона використовує матрицю клавіатури 4x4, як показано на рисунку 6.

Схема 74922 являє собою генератор синхроімпульсів, лічильник і дешифратор, які сканують клавіатуру, визначають натиснуті клавіші й перетворюють цю подію у  двійковий код. Коли відбувається натискання клавіші,  мікросхема переводить лінію DAV у високий стан, показуючи, що надійшли дані.

Рисунок 6 –  Схема застосування шифратора 74922

Якщо на виході 74922 неправильний вихідний сигнал, це може бути наслідком:

· відсутності сигналу дозволу роботи;

· несправної схеми 74922;

· несправних периферійних компонентів;

· несправних схем, підключених до виходу.

На рисунку 7 представлені деякі етапи пошуку несправностей, зв'язаних зі схемою 74922. Метою є усунення можливих причин. Перевірка генератора визначає, чи працює С2 і дає можливість зрозуміти, що частина схеми функціонує.

Для перевірки генератора щуп осцилографа поміщають на конденсатор С2. Якщо генератор працює, конденсатор буде циклічно заряджатися й розряджатися. У противному випадку мікросхема або конденсатор несправні. Можна перевірити й конденсатор генератора й конденсатор захисту від тримтіння контактів С1 за допомогою омметра, а потім зашунтувати  його справним конденсатором. Якщо в конденсаторі обрив, схема почне працювати, тоді його варто замінити. Якщо генератор працює, а на лінії сканування не надходять сигнали, то  може бути несправна мікросхема.

Найважливішою передумовою локалізації несправностей є правильне розуміння ролі кожного компонента й змісту кожного сигналу.

Рисунок 7 – Алгоритм діагностики працездатності шифратора 74922

Завдання для самостійної роботи

На рисунку 8 зображена схема охоронної сигналізації. Кожним з входів керує реле, яке з'єднує вхід з “землею”, коли реле розмикається (змінюється стан входу з 0 в 1), що викликає появу сигналу тривоги. Світлодіоди відображають логічний стан на входів. На виході динамік випромінює звуковий сигнал. Припустимо, що схема охоронної сигналізації не видає звуковий сигнали поза залежності від стану на їх входах. Потрібно розробити алгоритм пошуку несправності.

Рисунок 8 – Схема охоронної сигналізації