Средства автоматизации – основные понятия, диагностика и методы поиска неисправностей

- диоды: наиболее часто встречающиеся неисправности: короткое замыкание и обрыв. При коротком замыкании имеет место резкое уменьшение сопротивления в обратном направлении. При обрыве сопротивление диода в обоих направлениях включения велико. Необходимо также учитывать наличие явления фотоэффекта у диодов с стеклянным корпусом, а также существенную нелинейную зависимость тока через диод от прикладываемого напряжения при измерениях.

- транзисторы: p-n переходы транзистора эмиттер-база и база-коллектор проверяются также как и диоды. Общее отношение обратного сопротивления к прямому должно быть не менее 30:1. Для проверки транзистора, включенного в схему и работающего в линейной области, необходимо измерить постоянные напряжения коллектор-эмиттер Uкэ и база-эмиттер Uбэ (рис.4.6). Напряжение Uкэ должно находиться в интервале между 0 и Uип -- напряжением источника питания. Напряжение Uбэ примерно +0,65В для n-p-n и -0,65В для p-n-p транзисторов (для германиевых ±0,3В). Если это напряжение равно нулю, переход закорочен (пробой), если он выше указанного значения, то имеет место обрыв.

Рис.4.6.Схема проверки транзисторов

Кроме того, в ряде транзисторов, имеющих распределенную структуру p-n переходов имеет место частичная потеря усилительных свойств. Для этого проверяют коэффициент усиления (в) (рис4.7).

Рис.4.7. Схема для проверки коэффициента усиления

- полевые транзисторы: пробой статическим электричеством между стоком и истоком. Замеряют сопротивление на пределах порядка 1 МОм, напряжение на щупах тестера при этом должно быть 3…5 В (максимум 15 В). Проверку на функционирование осуществляют путем нахождения коэффициента усиления по току. Он может существенно различаться: для высоковольтных ключевых -- около 10, для кремниевых -- 10…150, для составных -- 1000…1200.

- стабилитроны: сопротивление прямосмещенного стабилитрона должно быть мало и проверяется также, как у диода. Неисправности те же, что и у диодов.

- тиристоры: если тиристор не подключен к схеме, сопротивление между любой парой электродов (анодом, катодом и управляющим электродом) должно быть велико независимо от полярности, за исключением сопротивления управляющий электрод - катод, при включении положительного зажима омметра к управляющему электроду, а отрицательного к катоду. Для проверки обратного напряжения меняют полярность анода и катода и, увеличивая сопротивление R2 в 10 раз, проводят повторные испытания (рис.4.8).

Рис.4.8.Схема проверки тиристора

- электровакуумные устройства: конструкция электронно-лучевой трубки приведена на рис.4.9.

Рис.4.9.Конструкция ЭЛТ: ККР -- катушка кадровой развертки, КСР -- катушка строчной развертки

Люминофор (от лат. lumen -- свет и греч. phoros -- несущий) -- вещества, способные преобразовывать поглощаемую ими энергию в световое излучение. Для того, чтобы каждый луч попадал на свои люминофорные зерна во всех участках экрана, лучи должны пересекаться (сводиться) в плоскости теневой маски. Наиболее просто это достигается в центре экрана, для этого каждой из пушек придается небольшой угол наклона (примерно 1 градус) по отношению к оси. Вместе с тем в процессе производства возможны неточности в юстировке ЭОП. Для устранения этих неточностей в конструкцию электронно-лучевых трубок вводят, так называемые, элементы статического и динамического сведения. Одним из таких элементов конструкции является цилиндр сведения (рис.4.10).

Рис.4.10 Цилиндр сведения

Он состоит из внутренних экранов 1 и полюсных наконечников 5, каждая пара которых охватывает один из электронных лучей 4. Экраны устраняют взаимное влияние магнитов сведения. Напротив полюсных наконечников на горловине кинескопа 2 закреплены сердечники магнитопроводов регулятора сведения П-образной формы. Силовые линии этих магнитопроводов проходят через стекло кинескопа и создают в пространстве между полюсными наконечниками магнитное поле. В плоской части каждого сердечника имеется выемка, в которой закреплен цилидрический постоянный магнит 3, намагниченный по диаметру. Поворот этого магнита изменяет одновременно значение и направление магнитного потока между внутренними наконечниками. С помощью этих магнитов осуществляют, так называемое, статическое сведение, так как оно осуществляется в центре экрана и связано с совмещением неотклоненных от центра лучей. Обычно на горловине кинескопа между цоколем и цилиндром сведения и отклоняющей системой располагаются, так называемые, магниты чистоты цвета. Эти магниты имеют эллипсовидную форму и намагничены вдоль малой оси эллипса. Обычно эти магниты объединены в пары. Магнитное поле, создаваемое парой таких магнитов, будет минимальным, когда их магнитные поля направлены встречно друг другу. Помимо ассиметричного расположения электронных пушек относительно оси кинескопа причиной разведения лучей по мере их отклонения от центра экрана является несовпадение центра кривизны сферической поверхности экрана с центром отклонения. Пересечение лучей происходит раньше, чем они достигают плоскости теневой маски из-за чего лучи попадают на люминофорные точки, достаточно удаленные друг от друга. Для сохранения условий сходимости необходимо, чтобы углы, под которыми лучи выходили из электронных пушек по отношению к горизонтали и вертикали, не оставались постоянными, а изменялись по мере отклонения лучей от центра экрана. Эту задачу обычно выполняют при помощи строчных и кадровых дополнительных катушек (по 3 пары), размещенных на магнитопро-водах цилиндра сведения. Токи, протекающие через катушки, формируются из напряжений строчной и кадровой частоты, и позволяют осуществить, так называемое, динамическое сведение.

Основными причинами преждевременного старения и выхода из строя кинескопов является потеря эмиссии катодов и нарушение вакуума.

Эмиссия (лат. emissio -- испускание, излучение) -- испускание электрических частиц нагретыми телами. Как правило, в кинескопах применяют оксидные катоды, в которых источником электронов служит эмиссионное покрытие, нанесенное на никелевый колпачок с расположенной внутри него нитью накала с температурой порядка 850…880?С. Повышение напряжения накала свыше 6,3В±10% увеличивает скорость испарения вещества эмиссионного покрытия, в первую очередь, металлического бария. Испарившиеся с катода вещества осаждаются на изоляторах ЭОП, что приводит к увеличению токов утечки и пробоям между электродами. Понижение напряжения накала приводит к, так называемому, «отравлению» катода. Причем интенсивность этого процесса тем больше, чем ниже напряжение накала. Вызывается «отравление» катода взаимодействием остаточных газов, которые имеются в вакууме баллона кинескопа, с чистыми металлами и оксидами, входящими в состав эмиссионного покрытия. При проверке нельзя снимать напряжение накала при наличии напряжения на других электродах. Увеличение тока лучей может производить разогрев и необратимая деформация теневой маски, которая приводит к необратимым нарушениям чистоты цвета. Уменьшение тока эмиссии катодов приводит к понижению яркости и нарушению правильного цветовоспроизведения. Чаще всего износ катодов в цветных масочных кинескопах происходит неравномерно. Примерное ориентировочное представление об эмиссионной способности катодов дает измерение их сопротивления по отношению к модулятору в каждом ЭОП при соблюдении следующих условий. Без подачи всех напряжений, кроме напряжения подогревателя, производят измерения сопротивления на пределе 1…10кОм (не более 1,5В) при подключении вывода " + " омметра к катоду, а вывода " - " -- к модулятору. Сопротивление катод - модулятор не должно превышать 3,5±1кОм. Обычно при ухудшении эмиссии это сопротивление возрастает до 10…20кОм. Частично эмиссию катодов можно восстановить путем их тренировки повышением напряжения на подогревателе и подачей кратковременных импульсных напряжений между модулятором и катодом, что приводит к кратковременному токоотбору эмиссии с катода и разрушению запорного слоя на его поверхности.

- поиск неисправностей в дисплеях на полупроводниковых, жидкокристаллических и газоразрядных знакосинтезирующих индикаторах: многоразрядные дисплеи обычно работают в режиме динамической индикации со сканированием для уменьшения числа коммутационных элементов. Как правило при этом средний импульсный ток увеличен приблизительно во столько раз, во сколько увеличена разрядность по сравнению со статическим режимом работы. Если по каким-либо причинам сканирование прекращается, светодиодные сегменты могут выйти из строя. Газоразрядные устройства обычно требуют высоковольтных источников питания (от 24В до 120В). Для проверки таких устройств предусматривают одновременное включение всех элементов. Жидкокристаллические и газоразрядные устройства чувствительны к понижению температуры. Также эти устройства весьма чувствительны к повышению влажности. Поэтому нельзя производить очистки лицевых поверхностей различными жидкостями. В результате быстрого охлаждения при испарении жидкости, индикатор может дать трещину и привести к ухудшению электроизоляции.

- неисправности печатных плат: обрывы дорожек (трещины и сгорание дорожек), замыкания дорожек, большое сопротивление дорожек за счет подтравки по толщине при изготовлении. Для многослойных плат эти неисправности усугубляются недоступностью этих неисправностей. При покрытии печатных плат защитными лаками приходится при поиске неисправностей прилагать дополнительные усилия для обеспечения надежного контакта щупов измерительных устройств. Кроме перечисленных неисправностей существует резкое уменьшение сопротивления диэлектрика основы, за счет наличия в нем микротрещин заполненных продуктами коррозии, солями растворов электролитов, применяемых для изготовления печатных плат (травление, промывка, нанесение электролита). Для диагностики неисправностей печатных плат используют в промышленных условиях достаточно сложные измерительно-испытательные комплексы, которые осуществляют комплексную проверку печатных плат без доустановки на них электронных компонентов. В процессе поиска неисправностей на печатных платах желательно пользоваться для коммутации цепей специально предусмотренными в схеме сервисными коммутационными элементами. Основными видами элементарных неисправностей паяных соединений является явный и скрытый не-пропай и нарушение контакта в паяном соединении за счет электрохимической коррозии, которая особенно интенсивно протекает при неправильном подборе материалов покрытий (например, серебро - олово) при повышенных влажности и температуре, а также протекающих токах.

4.3 Методы поиска неисправностей в цифровых системах автоматизации.

4.3.1 Логический и сигнатурный анализ

При поиске неисправностей с непериодическими сигналами осциллографы находят весьма ограниченное применение. Напряжения в цифровых системах могут произвольно менять свои значения во времени, что не позволяет использовать их для запуска и синхронизации развертки. За исключением синхроимпульсов системы, единственными периодическими сигналами являются сигналы, полученные путем программирования микропроцессора на продолжительное время короткой циклической стандартной программы. Анализ цифровых данных в значительной степени облегчается применением логического и сигнатурного анализа [8].

Логические анализаторы (ЛА) представляют собой диагностические и контрольно-измерительные устройства для сбора и анализа данных о реальных условиях работы дискретных устройств. Они относятся к классу устройств осуществляющих динамическое диагностирование. ЛА выполняют функции многоканальной регистрации, запоминания и отображения информации о поведении устройств в моменты времени, предшествующие какому либо событию или следующему за ним. ЛА являются эквивалентом многоканального осциллографа специально приспособленным для работы с логическими устройствами. ЛА используют для отладки и диагностирования аппаратуры и программного обеспечения отдельных блоков. Разрядность, объем и быстродействие запоминающего устройства (ЗУ) блока регистра определяют главные технические характеристики ЛА -- число информационных каналов (порядка 32), длину последовательности логических состояний (1024 байт) и максимальную тактовую частоту (порядка 52МГц). Если тактовые сигналы вырабатываются внутренним генератором, то тогда ЛА работает в асинхронном режиме. Если ЛА тактируется контролируемой схемой -- тогда это синхронный режим. Режим регистрации продолжается до появления заданного оператором события, вызывающего запуск режима индикации. В качестве такого события может выступать: внешний сигнал, комбинация логических состояний на информационных и дополнительных входах (эти состояния называют квалификаторами запуска) или заданная последовательность таких комбинаций. При появлении сигнала запуска индикации, ЛА прекращает регистрацию данных в разные моменты в зависимости от выбранного оператором положения данных относительно запуска. Это положение определяется следующими режимами:

- данные предшествуют моменту запуска;

- данные симметричны относительно момента запуска;

- данные следуют за моментом запуска;

- данные следуют за моментом запуска с заданной задержкой.

В первом режиме регистрация прекращается через несколько тактов записи после появления условий запуска. При этом в ЗУ сохраняется последовательность слов логических состояний, предшествующих выбранному событию, слово, соответствующее самому моменту появления события и несколько слов после этого момента. В режиме индикации собранная информация выводится на индикатор в выбранном оператором формате. В режиме асинхронной регистрации для анализа временных соотношений между фронтами логических сигналов регистрируемого процесса, частота тактов записи должна превосходить максимальную регистрируемую частоту по меньшей мере на порядок. Погрешность в определении положения фронта импульса при асинхронной регистрации составляет период тактовых импульсов записи. Результаты синхронного анализа удобнее анализировать в табличной форме, а результаты асинхронного анализа в виде временных логических диаграмм.

По признаку максимального быстродействия ЗУ регистрации, ЛА делятся на два класса: анализаторы временных логических последовательностей (АВЛП) и анализаторы логических состояний (АЛС). АЛС фиксируют состояния контрольных точек проверяемой схемы во время тактовых сигналов, задаваемых проверяемым устройством, и записывают процесс изменения состояний синхронно с его работой (рис.4.11).

Рис.4.11 Схема применения АЛС

АВЛП фиксируют состояния контрольных точек проверяемой схемы в моменты времени, которые задаются независимо работающим внутренним тактовым генератором анализатора (рис.4.12).

Рис.4.12 Схема применения АВЛП

Частота АВЛП, как правило, превышает 50 МГц, что на порядок выше частоты большинства цифровых микросхем. Среди возможных режимов индикации АВЛП имеется режим отображения логических временных диаграмм. Кроме того АВЛП могут работать в синхронном режиме и представлять результаты измерений в виде таблиц, что позволяет их использовать в качестве АЛС. АЛС имеют максимальную частоту регистрации от 2 до 20 МГц. Преобладающий режим индикации -- таблицы логических состояний. АЛС ориентированы в первую очередь на отладку программного обеспечения. При отладке аппаратуры они могут помочь в отыскании только наиболее простых логических неисправностей, обрыв связей, короткие замыкания на «нуль», на «единицу», межразрядные замыкания в шинах. АВЛП позволяют обнаруживать сложные неисправности, аналоговые по своей природе: сбои аппаратуры, вызванные перекрестными помехами, ошибками синхронизации, шумами, недоброкачественными компонентами и т.п. У большинства АВЛП существует режим поиска кратковременных импульсных помех, длительность которых меньше максимального тактового интервала записи. Этот режим реализуется специальными схемами -- «ловушками», которые обнаруживают неоднократные изменения логического уровня сигнала внутри тактового интервала и воспроизводят импульс помехи в следующем такте. В режиме синхронной регистрации часто используется стробирование тактов записи с помощью комбинаций логических состояний информационных сигналов (ассоциативная регистрация) или дополнительных внешних сигналов -- квалификаторов (условная регистрация). Эти режимы позволяют более рационально использовать память ЛА и выделять нужную информацию. Так, с помощью ассоциативной регистрации можно регистрировать состояния шины данных только при наличии конкретного адреса на шине адресов и таким образом, контролировать все обращения к конкретной ячейке ОЗУ. Примером использования условной регистрации с помощью сигналов-квалификаторов такта записи является разделение информации, передаваемой различными устройствами по шине с тремя состояниями. Если выбрать в качестве квалификатора записи активный уровень сигнала разрешения выдачи информации на шину некоторым устройством, то ЛА зарегистрирует на шине только данные, переданные этим устройством и игнорирует все другие данные.

Входной информационный сигнал, стробированный синхроимпульсами, записывается в память и сравнивается в компараторе с заранее установленным запускающим словом (ЗС), которое хранится в устройстве распознавания слов. По мере записи каждого слова, счетчик адресов памяти получает приращение. Когда поступающие данные совпадают с записанными в устройстве распознавания запускающим словом, в соответствии с предварительным выбором положения переключателя решается вопрос, будет ли этот адрес запоминающего устройства с произвольной выборкой (ОЗУ) отображен первым или последним. Часть ЛА, осуществляющая ввод данных, содержит компаратор уровней входных сигналов и преобразует в случае необходимости входные сигналы в ТТЛ уровни. Полное сопротивление входа по постоянному току велико (больше 1 МОм, емкость 5…10пФ). При этом вход не оказывает заметного влияния на цифровые системы с частотой синхронизации ниже 5 МГц. Информация стробируется при помощи внутреннего генератора с частотой не ниже 20МГц. Эта частота должна не менее чем в три раза превышать частоту сигналов анализируемой системы. Запускающее слово поступает с коммутационной панели на схему распознавания слов. Во время дискретизации входных данных синхроимпульсами внутреннего генератора, информация запоминается в последовательных ячейках памяти.

Существуют три наиболее часто используемые формы представления данных на экране дисплея логических анализаторов в виде:

- временных диаграмм;

- карт;

- индикации состояния в двоичном, восьмеричном и шестнадцатиричном формате.

ЛА различают по объектам, для которых они используются: для микропроцессорных систем (МПС), для программного обеспечения. Основные требования, которые предъявляются к микропроцессорным анализаторам (МА), -- это обеспечение возможности отладки не только аппаратных средств, но и возможности отладки программных средств. При отладке программных средств необходим одновременный контроль состояний на шинах адресов и данных . Следует учесть, что для проверки правильности работы системы может возникнуть необходимость контроля линий управления. В зависимости от целевого назначения МА можно разделить на специализированные и специальные. Специализированные анализаторы применяют для диагностики шин адресов и данных, соединяющих процессор с другими узлами системы. Поэтому для специализируемых анализаторов наиболее удобен способ подключения посредством разъемов - клипс. Для реализации возможности контролирования других точек системы в специализированных МА предусмотрены несколько дополнительных каналов. Универсальные анализаторы предназначены для отладки различных узлов микропроцессорных систем. Они должны обеспечивать возможность подключения к различным точкам системы. Поэтому в них используют соединительные кабели с переходными головками.

Аппаратные средства МПС действуют под управлением программных средств. Выбор нужного участка программы в потоке адресов и данных, и регистрация в памяти анализатора возможны по появлению определенной пользователем комбинации входных сигналов - кодовому слову. В последнее время для расширения возможностей запуска используют задержку начала регистрации или на определенное пользователем число тактов регистрации, или на число появлений запускаемого слова. Развязность кодового слова может быть увеличена с помощью квалификатора запуска. Под квалификатором подразумевают дополнительный сигнал, который не регистрируется в памяти анализатора, но адекватность его заданному пользователем необходима для начала регистрации.

Для нормальной работы анализатора необходимо ввести следующие начальные данные: вид индикации, код запускающего слова, режим работы, величину цифровой задержки, величину задержки запуска, код входа признаков, величину уровня компарирования и т.д. В последних моделях анализаторов, где применяются встроенные алфавитно-цифровые дисплеи, используют ввод начальных данных с клавиатуры.

Варьируя выбором запускающего слова, цифровой задержкой и особенно выбором тактового импульса, можно всегда найти прием, которым будет возможно проверить правильность работы как части, так и всей схемы в целом.

Сигнатурный анализ основан на преобразовании длинных последовательностей двоичных сигналов в двоичное число, которое называется сигнатурой. Измеряемые двоичные последовательности возбуждаются в контрольных точках цифровых систем под действием специальных аппаратных и программных средств. Сигнатуры контрольных точек измеряются на заведомо работоспособной системе и указываются на принципиальной схеме подобно тому, как на схемах аналоговых устройств указываются осциллограммы. При поиске неисправностей в цифровой системе достаточно установить режим задания тестовых воздействий и, прослеживая сигнатуры в контрольных точках схемы от выходов к входам, найти элемент, у которого входные сигнатуры верны, а выходные нет. В этом элементе или его выходной цепи и заключена неисправность. Для удобства двоичная сигнатура представляется, как правило, в виде нескольких шестнадцатиричных цифр. Существуют следующие способы сжатия двоичных последовательностей в сигнатуры:

- подсчет числа логических переключений;

- подсчет числа единиц;

- определение контрольных сумм по различным модулям.

Однако наиболее эффективным является метод, основанный на преобразовании с помощью сдвигового регистра с линейными обратными связями (рис.4.13).

Рис.4.13.Преобразование с помощью сдвигового регистра

Сдвиговый регистр с сумматором по модулю 2 является линейной системой и для него справедлив принцип суперпозиции: реакция регистра на сумму двух входных воздействий равна сумме реакций на каждое из этих воздействий. Если входной сигнал регистра рассматривать как сумму по модулю 2 двух двоичных последовательностей (исходной и ошибок), то полученная сигнатура будет равна сумме по модулю 2 сигнатур каждой из этих последовательностей. Чтобы по окончательной сигнатуре можно было выявить наличие ошибок, необходимо, чтобы сигнатура последовательности ошибок была отлична от нулевой. При использовании 16-разрядного регистра сигнатура последовательности ошибок не может быть нулевой для последовательности длиной m < 16, содержащей хотя бы одну 1, потому что первая 1, попавшая в регистр, не успеет выйти из него до окончания формирования сигнатуры и не может быть уничтожена из-за сложения с битом обратной связи. При длине входной последовательности m = 17 одна из возможных последовательностей может быть упущена, а именно последовательность, начинающаяся с 1 и содержащая 1 во всех разрядах, соответствующих отводам обратной связи в сдвиговом регистре. Сигнатура такой последовательности будет равна 0.

Среди последовательностей длиной m=18 таких «невидимых» последовательностей может быть 3. В общем случае вероятность обнаружения ошибки в последовательности длиной m при использовании регистра длиной n выражается формулой:

P=1-(2^(m-n)-1)/(2^m-1)

для всех m > n.

При m < n вероятность обнаружения ошибки P = 1. Как правило, в цифровые системы, в процессе их разработки вносят определенные средства, позволяющие производить сигнатурный анализ наиболее простыми и дешевыми приборами и повышать эффективность контроля. Прежде всего, это средства, позволяющие разрывать в режиме контроля цепи обратной связи в контролируемой схеме. Когда выходит из строя один из элементов, входящих в контур с обратной связью, локализовать неисправность внутри этого контура с помощью СА не удается. Важным условием пригодности схемы для СА является наличие схем, вырабатывающих сигналы «пуск» и «стоп», которые необходимы сигнатурному анализатору для выработки интервала времени, в течении которого осуществляется подача сигнатуры. Также необходимо иметь аппаратные и программные средства, обеспечивающие тестовые воздействия. Вместе с тем необходимо отметить, что сигнатурный анализ разработан на основе двух применяемых ранее способов контроля ошибок:

- способ проверки логических узлов в цифровой системе (счет ошибок);

- способ контроля ошибок (циклический избыточный контроль).

Сигнатурный анализ моделирует первый способ, но действует аналогично второму способу. Счет переходов и СА предназначены для контроля аппаратных средств и поэтому необходимо рассмотреть виды сигналов в цифровых системах. Периодический сигнал синхронизации синхронных и асинхронных цифровых схем характеризуется такими параметрами как частота повторения и коэффициент заполнения. Коэффициент заполнения показывает, сколько времени сигнал находится в состоянии логической «1» по сравнению со временем нахождения его в состоянии «0». Частота повторения импульсов цифрового сигнала обратна интервалу времени между соседними положительными фронтами (или отрицательными) и характеризует только периодические сигналы. Нестационарность сигналов цифровых систем приводит к невозможности использования для их идентификации статистические методы. Причинами нерегулярной природы цифровых сигналов в сложных цифровых системах являются следующие факторы. Любой отдельный узел в логической схеме, оперирующий данными в параллельном формате, содержит только часть информации, находящейся в системе в каждый момент времени. Эта часть изменяется почти случайным образом при изменении передаваемых внутри системы совокупностей сигналов. В обычных рабочих условиях охарактеризовать сигнал в отдельном узле невозможно из-за воздействия неожиданных событий. Если узел стимулировать известным периодическим тест-набором, то сигнал в узле можно считать псевдослучайной двоичной последовательностью, которая на коротких интервалах выглядит случайной, но повторяется на большем масштабе времени. Широко применяется простой способ контроля, который заключается в том, чтобы подсчитать переходы сигнала из одного состояния в другое и использовать полученное число в качестве идентификатора узла.

В циклическом избыточном контроле входной двоичный набор подается в линейную последовательную схему, которая осуществляет деление двоичного потока на некоторые характеристический полином, и в регистре сдвига образуется остаток от деления. Обычно остаток добавляется к передаваемому двоичному потоку в качестве кода, обнаруживающего ошибки. Если вместо добавления остатка к двоичному потоку вывести его на индикацию, это значение будет уникальным для входного двоичного набора. Имея запоминающие элементы, схема учитывает все прошлые и текущие события и может обрабатывать очень длинные потоки данных. Уникальный остаток для конкретного входа может служить для данного набора его идентификатором. Зависимость остатка от входного двоичного потока привела к термину «сигнатура» (подпись). Для получения наилучших результатов при применении способа регистра сдвига требуется последовательность максимальной длины, что приводит к широкому классу схем, называемых генераторами псевдослучайных последовательностей.

Сигнатурный анализатор регистрирует только те события, которые синхронны с сигналом синхронизации, используемым для получения сигнатур от узлов системы. Однако некоторые события происходят асинхронно с системной синхронизацией и их нельзя проанализировать с помощью СА. Когда много микросхем осуществляют вывод на общую шину и появляется неправильная сигнатура, СА не может указать в какой именно микросхеме возник отказ. Усовершенствованной формой сигнатурного анализа является так называемый трассовый анализ, который локализует отказ в окне пуска - останова. Сигнатурный трассовый анализатор программируется (обычно вручную) на последовательность промежуточных сигнатур и их моменты появления во временном окне. При работе прибора первое несовпадение измеренных данных с хранимой информацией заставляет СА останавливаться и индицировать момент появления ошибки. После этого отказ можно подозревать в той микросхеме, которая работала в момент его появления. Правильные данные для сигнатурного трассового анализа, как и сигнатуры, необходимо получить от заведомо исправной системы и задокументировать их. При этом сигнатуры разделяются на короткие секции с соответствующим увеличением объема документируемой информации. Основным достоинством сигнатурного анализа является то, что он доступен даже неопытным специалистам и позволяет выявить дефект до узла. В то же время СА -- это довольно длительный процесс обнаружения неисправности. Другим недостатком является необходимость иметь в наличии все тестовые программы и сигнатуры перед процедурой проведения СА.

Сигнатурный анализ (СА) используется для поиска дефектов в дискретных устройствах методом последовательного контроля отдельных точек схемы по принципу «годен - не годен». Измеряя одну сигнатуру, можно проверить работу некоторой логической структуры, содержащей большое количество микросхем и эквипотенциальных точек. При неправильной сигнатуре в определенном узле схемы поиск неисправной микросхемы зависит от логической структуры устройства и его тестируемости. Для комбинационной логики без обратных связей локализация неисправностей заключается в простом сравнении измеряемых и заранее известных для данной платы эталонных сигнатур. Если обнаружена сигнатура, отличная от эталонной, то проверяются сигнатуры узлов более низкого порядка до тех пор, пока не будет обнаружена компонента с правильной сигнатурой на входе, но с неправильной на выходе. Для автоматизированных систем тестирования, средствами доступа для которых является зонд или управляемый щуп, алгоритм прослеживания можно построить на основе таблиц поиска, отражающих топологию схемы. Прослеживание может быть также основано на последовательном разделении схемы пополам, проверка всех сигнатур при прямом проходе от входа к выходу и при обратном прослеживании от выхода к входу. Локализация неисправностей на уровне компонент схемных плат с обратными связями зависит от аппаратных и подпрограммных возможностей разрыва линий обратных связей. Эти соображения относятся к системе тестирования и к проверяемой плате. Например, часто используемая петля на микропроцессорных платах, связывающая процессор, адресную шину, элементы памяти и шину данных, может быть разорвана установкой на шину данных перемычки, являющейся принадлежностью схемы. Проверку платы при сборке можно вести до установки этой перемычки. После того как ядро схемы проверено при автономном стимулировании, система тестирования обеспечивает дополнительную проверку с установленной перемычкой. Обратные связи могут быть также разорваны электрически, если при разработке схемы предусмотреть наличие на тристабильных шинах специальных буферов, управляемых по командам от системы тестирования. Но это вызывает некоторое увеличение стоимости платы и изделия в целом и обуславливает необходимость проверки состояний этих буферов. Измеряя сигнатуры в момент нахождения на линиях обратной связи константных значений 0 и 1, обнаруживают неисправности в цепях обратных связей. Этого достигают разработкой программного обеспечения моделирования таким образом, чтобы подаваемые на схему последовательности обеспечивали постоянные значения на линиях обратных связей. В некоторых случаях интегральные схемы могут допускать закорачивание отдельных цепей на землю на период измерения сигнатур для установки на линиях обратных связей нулевых величин.

Объектом диагностирования полупроводниковых запоминающих устройств (ЗУ) методом СА являются одно- и многоразрядные микросхемы. В них проверяются следующие классы неисправностей: разорванные и закороченные связи, неверная дешифрация и адресация, кратная запись, чувствительность к наборам, медленный выбор и восстановление записи, утечка тока, паразитные межразрядные связи. Для диагностирования формируют стимулирующие воздействия, в качестве которых используют полный перебор входных данных, линейные тесты маршевого типа, диагональный перебор, а также другие типы тестов для ЗУ. При аппаратной реализации стимулятора используют различные типы счетчиков в сочетании с дешифраторами. В качестве анализатора применяются параллельные (для многоразрядных БИС) и последовательные СА. Применение параллельного СА уменьшает длительность прохождения теста в k раз (k -- число разрядов БИС).

Рис.4.14 Схема аппаратной реализации проверки БИС ОЗУ

На рис.4.14 изображена схема аппаратной реализации проверки БИС ОЗУ, где СА -- сигнатурный анализатор; СТ -- стимулятор; ДС -- дешифратор.

В схеме учитывается то обстоятельство, что для многоразрядных БИС ОЗУ, как правило , характерно наличие общих мультиплексных выводов корпуса, являющихся входами при записи и выходами при чтении. Поэтому эти входы постоянно соединены со входами СА, а соответствующие схемы по сигналу «запись - чтение» обеспечивают подключение к этим выходам счетчика - стимулятора, либо их отключение.

Организация диагностирования микропроцессорных комплексов (МПК) методом СА требует:

- устройства для сигнатурного анализа;

- дополнительной аппаратуры, вводимой в МПК, которая необходима для организации поиска неисправностей методом СА;

- системы контрольных точек для подключения СА;

- системы тестовых последовательностей СА;

- системы документации, необходимой для проверки.

Для МПК используют стратегию расширяющихся областей, при которой выделяют и проверяют часть оборудования (ядро). Затем стимуляцию оставшихся частей МПК производят с помощью ядра, либо отдельным генератором, или комбинированно. Анализ выходных реакций производят с помощью СА сравнением с заранее рассчитанными эталонными сигнатурами. Современные БИС характеризуются наличием на их выходе трех состояний: логического 0, логической 1 и состояния высокого импеданса, которое является промежуточным между 0 и 1. Для обеспечения возможности работы с третьим состоянием используют специальные компараторы, которые выделяют эти состояния, преобразуют в логический уровень, равный единице, а для последующего анализа применяют либо отдельную схему СА, либо от компаратора вводят соответствующее управление с последующей корректировкой состояния основного СА.

Устройства с многими выводами можно проверять несколькими способами:

- перекоммутацией выходных реакций на вход анализатора и повторением процедуры тестирования;

- использованием нескольких одноканальных анализаторов;

- использованием многоканальных анализаторов.

При первом способе увеличивается время контроля, при втором -- объем оборудования. Наиболее рациональным является применение многоканальных сигнатурных анализаторов.

4.3.2 Поиск неисправностей в микропроцессорных системах

Центральную часть микропроцессорной системы, в которую входит центральный процессор, ПЗУ, ОЗУ, системный генератор синхронизации, шина управления, шины данных и адресов и которая окружена периферийными устройствами, называют системным ядром. Если в МПС предусмотрены конструктивные особенности, которые позволяют разорвать шины данных и адресов и вводить в ЦП последовательности и отдельные команды, то возможно проведение тестирования МПС в режиме «свободного счета» [7]. Обычно в ЦП вводят, так называемые, «холостые» команды, например NOP (нет операции) или MOV A, A. При просмотре сигналов в каждой линии шины адреса можно установить факт ее отказа, проявляющийся в замыкании на общий провод или на питание, в обрыве линии или в замыкании на другую линию шины адреса. Отказ в системном генераторе синхронизации или неисправность линии шины управления почти всегда не дадут правильной работы системы в режиме свободного счета, т.е. работы МПС с разорванной шиной данных. При проведении любого теста с применением сигнатурного анализа необходимо решить, какие сигналы от проверяемой МПС следует использовать в качестве сигналов пуска, останова и синхронизации. Предположим, что исследуется система с 8-битным МП, который имеет 16-битную шину адреса. В цикле свободного счета на шине адреса возникают все двоичные наборы, которые циклически повторяются. На старшей линии шины адреса А15 действует низкий уровень для одной половины всех адресов и высокий уровень -- для другой половины. Поэтому, между соседними нарастающими фронтами сигнала на линии А15 находится один полный цикл шины адреса. Сигнал с этой линии можно поэтому использовать как сигналы пуска и останова сигнатурного анализатора. Первый из них осуществляет запуск, а второй -- останов. Остаток, образованный в регистре сдвига между этими событиями, подается на индикатор в качестве сигнатуры проверяемого узла. В режиме «свободного счета» все команды осуществляют считывание из памяти и сигналы для анализатора можно взять с линии READ. Анализатор настраивается на нарастающие фронты входов пуска, останова и синхронизации, поэтому данные синхронно проходят через регистр сдвига по заднему фронту сигнала READ в течении одного полного цикла шины адреса. Вместе с тем, в режиме свободного счета, при сканировании всего адресного пространства, будут проанализированы не все микросхемы, входящие в МПС, т.к. МП выполняет только операции считывания из памяти. Например, входные порты не разрешаются, и получить от них значения сигнатур невозможно. Шина данных отключена от процессора и также не дает значимых сигнатур.

Тестирование ПЗУ в режиме свободного счета: несмотря на то, что режим свободного счета чаще всего применяется для проверки системного ядра, он может быть применен и для контроля ПЗУ. Подаваемая в ЦП холостая команда заставляет его выполнять операции считывания по каждому адресу. ПЗУ содержит только фиксированные команды, которые в режиме свободного счета последовательно выдаются на шину данных. Используя линию разрешения кристалла (СЕ) ПЗУ как сигнал пуска и останова, а управляющую линию READ для сигнала синхронизации СА можно проверить любые системные ПЗУ. Анализатор регистрирует только данные, относящиеся к проверяемому ПЗУ, хотя процессор сканирует все адресное пространство. Аналогичный тест для ЗУПВ применять нельзя, так как их содержимое не зафиксировано. Поскольку ЦП выполняет только операции считывания из памяти, невозможно проверить каналы ВВ, информация на которых непостоянна, особенно в том случае, если ВВ отображен на адресное пространство. Входные порты в системе с ВВ, отображенные на адресное пространство памяти, в режиме «свободного счета» проверить можно, так как ЦП считает обращения к ним операциями считывания из памяти. При этом необходимо управлять входами в порты, для чего обычно применяется тестовый прибор с возможностью задания известных двоичных наборов. Для проверки выходных портов потребуется операция записи, которой в режиме «свободного счета» нет. Для проверки тех частей МПС, которые недоступны режиму свободного счета, необходимо написать и выполнять специальные программы. Каждая из них предназначена для проверки одной части системы, и обычно состоит из нескольких строк ассемблерного кода. Также тест-программы сигнатурного анализа обычно помещаются в ПЗУ, которое находится в системе, но при нормальной работе не используется. Тест ПЗУ приводится в действие либо переключением линии СЕ от первого системного ПЗУ с последующим сбросом системы, либо вводом в процессор команды RESTAR и размещением тест ПЗУ по адресу рестарта. Тест-программа обычно организует цикл работы МПС, который периодически выполняется при включении тест ПЗУ в работу. Если микросхема ПЗУ находится на со-кете, можно заменить системное ПЗУ на тест ПЗУ. Тест программы сигнатурного анализа МПС выполняются как последовательность коротких фрагментов, следующих друг за другом. По окончании последовательности ЦП переходит к началу, образуя полный тест-цикл. Для локализации отказов в МПС при проверке отдельных компонентов обычно требуются свои сигналы пуска и останова.

Большинство сигналов уже имеются в МПС. Например, каждое ПЗУ можно проверить, подключив к управляющим линиям пуска и останова конкретный сигнал выбора кристалла от дешифратора адреса. ЗУПВ обычно проверяется путем выполнения первоначальной последовательности операций записи в результате чего во всех ячейках ЗУПВ будет храниться известный двоичный набор (например, все «1», затем «0»). Операции записи контролируют линии шины адреса, подключенные к ЗУПВ, и линии шины управления, разрешающие работу микросхемы. Убедившись в функционировании этих линий, можно выполнить последовательность операций записи, которые контролируют линии подключения шины данных и проверяемого ЗУПВ. Любые сигналы, используемые в качестве сигналов пуска и останова СА, должны быть проверены предыдущими фрагментами тест-программы. В идеальном случае все тесты должны опираться на результаты предыдущих тестов, контролирующих систему по частям. Режим свободного счета проверяет системное ядро, а работоспособное ядро обеспечивает работу подлежащих дальнейшей проверке частей МПС. МПС с шинной структурой можно считать замкнутой системой с обратной связью, в которой по шине адреса осуществляется запрос данных, а реакция вводится с шины данных. Проблема в такой структуре заключается в том, что отказ распространяется по всей петле, вызывая появление кажущихся плохих сигнатур в тех местах, где отказ отсутствует. Сигнатурный анализ не показывает, в каком месте временного окна впервые возникает отказ, что можно было бы использовать для локализации неисправного элемента. Плохая сигнатура по истечении временного окна не показывает «историю» появления отказа. Поэтому, когда много микросхем, осуществляют вывод на общую шину и появляется неправильная сигнатура, невозможно определить неисправную микросхему.

Усовершенствованной формой СА является трассовый анализ, который локализует отказ в окне пуска-останова. Сигнатурный трассовый анализатор программируется (обычно вручную) на последовательность промежуточных сигнатур и их моменты появления во временном окне. При работе прибора первое несовпадение измеренных данных с хранимой информацией заставляет СТА остановиться и индицировать момент появления ошибки. После этого отказ можно подозревать в той микросхеме, которая работала в момент появления ошибки.

Эмуляция -- процесс, в котором одна система используется для копирования (замены) действия другой системы. Имеется несколько уровней эмуляции:

- моделирование -- низкий уровень эмуляции (упрощенная модель);

- полное копирование (замена) (полная модель).

На практике предпочли использовать некоторую систему, которая находится между рассмотренными уровнями. Моделирование удобно для разработки программного обеспечения. Возможность управлять действиями тестируемой системы из рабочей среды другой системы называют внутрисхемной эмуляцией. Этот термин введен фирмой INTEL, которая применила этот метод как средство проектирования МС. Приборы, в которых реализованы некоторые возможности систем проектирования для диагностики аппаратных отказов, называются автономными эмуляторами.

Внутрисхемная эмуляция как средство поиска неисправностей: с точки зрения специалиста, занимающегося обслуживанием цифровых систем, внутрисхемная эмуляция представляет собой метод принятия управления тестируемым устройством и подачи тестовых или стимулирующих запрограммированных воздействий на испытываемое устройство. Это имеет важное значение в ситуациях, когда тестируемое устройство не реагирует на обычные воздействия, которые имеют место при штатной работе.

Тестирование -- регистрация программных событий в хронологическом порядке. Конструктивно внутрисхемные эмуляторы могут быть выполнены различным образом. Обычно различают внутрисхемные эмуляторы по емкости и объему ЗУПВ и реализуемым видам трассировки, среди которых наиболее информативной является трассировка в реальном времени. Управление современными эмуляторами осуществляется через интерфейс RS-232 с использованием либо дисплея, либо в микроЭВМ, снабженной соответствующим портом. Желательно иметь в программном обеспечении эмулятора строковый ассемблер, который удобно применять для небольших программ и для осуществления вставок в более крупные программы. Метод внутрисхемной эмуляции был впервые применен фирмой INTEL в ее системах проектирования микропроцессорных систем (СПМС) в качестве средства отладки аппаратуры и программ в ходе их проектирования. Введение в состав системы проектирования внутрисхемных эмуляторов позволило уменьшить затраты времени на устранение неисправностей. Обычно аппаратные средства автономных эмуляторов используются в составе систем проектирования МПС, которые представляют собой микроЭВМ, оснащенную средствами разработки как аппаратных, так и программных средств. Для разработки программных средств предусматривается совокупность программ, называемых инструментальной операционной системой. Типовая такая система должна иметь в своем составе как минимум: редактор текстов, менеджер файлов, редактор связей/загрузчик, ассемблер, компилятор, менеджер памяти, отладчик, драйверы работы устройств ввода-вывода, анализатор реального времени, программатор ППЗУ. В реальных системах некоторые из этих программ могут быть названы по другому, а также могут быть объединены. Чтобы осуществить эмуляцию проверяемой системы ее нужно подключить к внутрисхемному эмулятору с помощью переходника эмулятора. Микропроцессор проверяемой системы вынимается из сокета и помещается в переходник. Все сигналы микропроцессора через буферы подаются в систему проектирования, которая может также управлять микропроцессором с помощью задания сигналов на его шине управления. Информация воспринимается с шин проверяемой системы и запоминается в памяти внутрисхемного эмулятора. Одной из главных задач любого эмулятора является согласование быстродействия проверяемой системы с ВСЭ. Переходник как относительно длинная линия связи увеличивает индуктивность и емкость сигнальных трактов, что может привести к временным перекосам сигналов в обеих системах.

По мере усложнения цифровых систем автоматизации первостепенное значение приобретает необходимость разработки как аппаратных так и программных средств встроенного самоконтроля. Правильно разработанная МПС при включении должна осуществлять самоконтроль и не продолжать свою работу по управлению оборудованием при обнаружении отказа. Она должна также указать подозрительную секцию системы, чтобы ее можно было оперативно (быстро) заменить и минимизировать время простоя. В больших цифровых системах (МПС ЧПУ, управляющие мини ЭВМ) самоконтроль необходимо проводить только до уровня подсистем с проверкой общих функций по принципу «проходит - не проходит» функциональный сигнал. Для каждой элементарной функции (функционального сигнала) необходимо предусмотреть какой-либо простой индикатор, например светодиод, показывающий ее состояние. Однако подсистемы ввода-вывода, особенно те, которые постоянно подключены к другому оборудованию, проверить без испытаний линий ВВ почти невозможно. Осуществление тестирования может привести к выходу из строя управляемого оборудования. Такие системы обычно проверяются с применением имитаторов управляемого оборудования. К программам самоконтроля относятся те программы, которые инициируются при включении электропитания системы и контролируют ее в естественной рабочей среде. В них обычно не входят тесты функционирования ВВ, т.к. сами тесты ВВ могут быть причинами опасных для управляемого оборудования ситуаций. В программах самоконтроля при включении питания обычно предполагается работоспособность системного ядра, в противном случае, они не работоспособны. В основном программы самоконтроля проверяют микросхемы памяти ПЗУ, ОЗУ и ЗУПВ. Если эти тесты проходят, также считаются работоспособными схемы дешифрации адресов и шины данных. ПЗУ, которое содержит программы самоконтроля, также должно функционировать правильно. Все тест-программы должны быть короткими и предельно простыми.

Вместо попытки охватить сразу несколько микросхем следует написать короткую отдельную программу для отдельной проверяемой микросхемы. Основная причина такого подхода заключается в том, что в короткой программе больше гарантий отсутствия ошибки и на нее можно более уверенно полагаться во время тестирования.

Тестирование ПЗУ: простейшим тестом микросхем ПЗУ является вычисление контрольной суммы, т.е. суммирование содержимого всех ячеек ПЗУ. Последняя ячейка ПЗУ не участвует в сложении и предназначена для хранения результата сложения. В конце теста контрольной суммы, полученная сумма сравнивается с содержимым последней ячейки. Если они совпадают, предполагают, что ПЗУ полностью исправно, в случае расхождения, имеет место отказ.

Имеются разновидности этого способа тестирования, когда контрольные суммы хранятся в отдельной микросхеме ПЗУ. В системе с большим числом микросхем ПЗУ такой вариант предпочтителен, так как при этом не нужно предусматривать для каждой микросхемы ПЗУ команду перехода, для «обхода» ячейки контрольной суммы.

Пример программы теста ПЗУ

START: LD A,00 ;ЗАПИСАТЬ В А 00

LD B, A ;ЗАПИСАТЬ В В 00

LD HL, ROMTOP ;ЗАПИСАТЬ В HL И DE НАЧАЛЬНЫЙ

LD DE, ROMBOT ;И КОНЕЧНЫЙ АДРЕС ПЗУ

ROMLOOP:DEC HL ;СЧИТАТЬ СОДЕРЖИМОЕ ПЗУ

LD A, (HL);

ADD B ;ПРИБАВИТЬ СУММУ ИЗ РЕГИСТРА В

LD B, A ;ПЕРЕДАТЬ СУММУ В РЕГИСТР В

XOR A, A ;СБРОСИТЬ ФЛАГ ПЕРЕНОСА

SBC HL, DE ;СРАВНИТЬ АДРЕСА

JP NZ, ROMLOOP ;ЗАЦИКЛИТЬ

LD HL, ROMTOP ;ЗАПИСАТЬ АДРЕС КОНТРОЛЬНОЙ СУММЫ В

;HL

LD A, B ;ЗАПИСАТЬ ПОЛУЧЕННУЮСУММУ В А

CP (HL) ;СРАВНИТЬ ИТОГ С КОНТРОЛЬНОЙ СУММОЙ

JP NZ, ROMFAULT ;ЕСЛИ РАЗЛИЧАЕТСЯ, ПЕРЕЙТИ К

;ПОДПРОГРАММЕ ОБРАБОТКИ ДЕЙСТВИЯ ПО ;ОШИБКЕ

Тестирование ЗУПВ: основной тест ЗУПВ заключается в записи двоичного кода 55(16) или АА(16) («тяжелый» код) в каждую ячейку и последующего считывания. Если содержимое какой либо ячейки отличается от записанного кода, считается, что возник отказ. Иногда вместо «тяжелых» кодов записывается код 00(16).

Считается, что содержимое ЗУПВ при включении питания произвольно, поэтому вероятность установки ячеек в состояние 55(16) и АА(16) и 00(16) одинакова.