Презентация_ТЕХ.ДИАГНОСТИКА_2. Конспект лекций по курсу "техническая диагностика" Ю. В. Малышенко введение
 Скачать 0.81 Mb.
|
|
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ "ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА” Ю.В. Малышенко КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ "ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА” Ю.В. Малышенко ВВЕДЕНИЕ При современном уровне сложности радиоэлектронной и вычислительной техники знание основ технической диагностики становится обязательным для специалистов в области разработки и эксплуатации такой техники. Применение методов и средств технической диагностики является эффективным способом обеспечения высокой надежности изделий, позволяет сократить сроки их изготовления и ремонта Число и сложность выпускаемых промышленностью электронных изделий растут так стремительно, что трудно представить разумное решение подготовки специалистов по наладке и технической диагностике, которые справились бы со своими задачами, имея на вооружении лишь ручные и интуитивные методы обнаружения и поиска неисправностей. Выход из сложившегося положения - формализация и разработка строгих методов решения задач технической диагностики с последующей их автоматизацией на базе современной измерительной и вычислительной техники. Настоящий курс лекций имеет цель дать студентам основы знаний по технической диагностике электронной и вычислительной техники. В процессе подготовки учебного пособия использовалась следующая литература.
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАДАЧИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ Диагностика в переводе с греческого "диагнозис" означает распознавание, определение. Согласно ГОСТ 20911-89 техническая диагностика определяется как "область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов.” Объект, состояние которого определяется, называют объектом диагностирования (ОД). Диагностирование представляет собой процесс исследования ОД. Характерными примерами результатов диагностировния состояния технического объекта являются заключения вида: ОД исправен, неисправен, в объекте имеется такая-то неисправность. В стандартах исправное, неисправное, работоспособное и неработоспособное технические состояния определяются следующим образом. Исправное состояние - состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и конструкторской документации. Неисправное состояние - состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) конструкторской документации. Работоспособное состояние- состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации. Неработоспособное состояние- состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации. В процессе производства, эксплуатации и хранении объектов в них могут появляться и накапливаться неисправности. Некоторые из них приводят к тому, что объект перестает отвечать предъявляемым к нему техническим требованиям. Перед использованием объекта по назначению необходимо знать, есть ли в нем неисправности, которые могут явиться причиной нарушения его нормальной работы. С ответом на этот вопрос связан процесс обнаружения неисправности. Он детализируется в зависимости от режима и особенностей использования объекта и, в соответствии с этим, выделяются следующие задачи обнаружения неисправности: 1) проверка исправности, целью которой является разбраковка, позволяющая отделить исправные изделия от неисправных. ОД исправен, если он удовлетворяет всем техническим требованиям; 2) проверка работоспособности, целью которой является выяснение, будет ли объект выполнять те функции, для реализации которых он создан; 3) проверка правильности функционирования, целью которой является обнаружение неисправностей, которые нарушают правильную работу объекта, применяемого по назначению, в данный момент времени. Если объект неисправен, то для замены или ремонта неисправных компонентов необходимо установить место неисправности. Поиск неисправности осуществляется путем выполнения диагностического эксперимента над объектом и дешифрирования его результатов. Диагностический эксперимент в общем случае состоит из отдельных частей, каждая из которых связана с подачей на объект входного воздействия (тестового или рабочего) и измерением выходной реакции объекта. Такие части диагностического эксперимента называют элементарными проверками. Дешифрирование результатов диагностического эксперимента направлено на определение неисправностей, наличие каждой из которых в объекте не противоречит его реальному поведению в процессе выполнения диагностического эксперимента. Такие неисправности включаются в список подозреваемых неисправностей (СПН). Исправное и все неисправные технические состояния образуют множество технических состояний ОД. Рис. 1.1 иллюстрирует характер разбиения множества технических состояний при решении различных задач технического диагностирования (0 - исправное и х - неисправное техническое состояние). Рис.1.1, а), б), в) и г) соответствуют задачам проверки исправности, работоспособности, правильности функционирования и поиска неисправностей. Диагностирование осуществляется с помощью тех или иных средств диагностирования (СД). Выделяют встроенные и внешние СД. Встроенное средство диагностирования (контроля) – средство диагностирования (контроля), являющееся составной частью объекта. Внешнее средство диагностирования – средство диагностирования (контроля), выполненное конструктивно отдельно от объекта. Взаимодействующие между собой ОД и СД образуют систему диагностирования. Процесс диагностирования, в общем случае, представляет собой многократную подачу на ОД определенных воздействий (входных сигналов) , многократных измерений и анализа ответов на них. Воздействия могут формироваться СД либо определяться непосредственно алгоритмом функционирования ОД. Различают системы тестового и функционального диагностирования. Особенность первых состоит в возможности подачи на ОД специально организованных (тестовых) воздействий от средств ОД. В системах второго типа диагностирование ведется на рабочих воздействиях, предусмотренных рабочим алгоритмом функционирования ОД. На рис.1.2, а) и б) приведены обобщенные функциональные схемы систем тестового и функционального диагностирования соответственно. Системы функционального диагностирования обычно обеспечивают контроль ОД в процессе его применения по назначению, тестового - при производстве и ремонте. Как уже говорилось, процесс диагностирования обычно можно разбить на части, каждая из которых характеризуется подаваемым на объект тестовым или рабочим воздействием и снимаемым с ОД ответом. Такие части называют проверками. Ответы объекта могут сниматься с основных выходов ОД, т.е. с выходов, необходимых для применения ОД по назначению, так и с дополнительных выходов, организованных специально для организации диагностирования. Основные и дополнительные выходы обычно называют контрольными точками (КТ) или контролируемыми выходами. Измеряемые на них параметры называют контролируемыми или диагностическими параметрами. В одной КТ может измеряться несколько параметров. Например, при контроле сигнала синусоидальной формы часто измеряют одновременно частоту и амплитуду сигнала. Реализация процесса диагностирования требует источников тестового воздействия, измерительных устройств и устройств связи источников воздействий и измерительных устройств с объектом. Для управления средствами диагностирования и анализа реакции ОД применяют вычислительные устройства. В современных системах для этого зачастую применяются микропроцессоры. При большом объеме контрольно-диагностических операций (например, в условиях серийного производства или на специализированных предприятиях по ремонту) используемые системы тестового диагностирования обычно управляются от ПЭВМ. Основные составляющие таких систем показаны на рис.1.3. Для работы систем диагностирования необходимо заранее подготовить некоторые данные (информационное обеспечение). Их качественное и быстрое получение невозможно без использования вычислительной техники и программных средств моделирования. Современные системы автоматизации проектирования включают специальные подсистемы подготовки информации для диагностирования. Среди показателей качества продукции важное место отводится свойству "надежность". Надежность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств. По ГОСТ они определяются следующим образом. Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта. Сохраняемость - свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования. Неполнота обнаружения и неточность в определении места неисправности ухудшает фактические показатели всех вышеуказанных свойств надежности. Достижения высоких показателей надежности современных электронных устройств невозможно без применения методов и средств технической диагностики. В частности, в связи с быстро растущей сложностью ОД активно развиваются методы проектирования схем, обеспечивающие хорошую контролепригодность. Контролепригодность (приспособленность объекта к диагностированию) - свойство объекта, характеризующее его пригодность к проведению диагностирования (контроля) заданными средствами диагностирования (контроля). Если ОД хорошо приспособлен для диагностирования, то существенно упрощается построение тестов и поиск места неисправности, снижается время диагностирования. В технической диагностике электронных устройств различают аналоговые (непрерывные), цифровые и аналого-цифровые (гибридные) ОД. В аналоговых ОД сигналы характеризуются континуальным множеством значений, в цифровых - логическими уровнями ( обычно "лог.1" и "лог.0"), в аналого-цифровых - имеются сигналы обеих типов. Очевидно, что используемые в системах диагностирования СД и средства подготовки информационного обеспечения зависят от вида ОД. 2. МОДЕЛИ ОБЪЕКТОВ И НЕИСПРАВНОСТЕЙ Формальное исследование задач диагностирования предполагает наличие формального описания (модели) ОД. При этом многие постановки и решения важнейших задач технической диагностики предполагают задание множества допустимых неисправностей и их модели. Обычно под неисправностью понимают некоторую модель физических дефектов в ОД. Как правило каждой неисправности можно поставить в соответствие некоторое изменение связей или параметров элементов электрической схемы ОД. Например, часто в качестве допустимых рассматриваются неисправности типа обрывов и коротких замыканий, выход коэффициента усиления усилителя за пределы заданного допуска, наличие постоянно уровня логической единицы или нуля на выводе цифровой микросхемы и т.д. Обычно модель неисправности зависит от элементной базы ОД, а также от используемой модели ОД. Так для ОД, содержащих резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы и т. п., в качестве неисправностей рассматривают обрывы и короткие замыкания резисторов, конденсаторов, пробои и закоротки полупроводниковых переходов, отклонения параметров элементов схемы за пределы установленных допусков и т. п. В одной из методик построения тестов микропроцессорных устройств (с использованием функциональной модели ОД) при неисправности механизма выборки регистра происходит перенос данных от источника не в заданный регистр, а в некоторое произвольное множество регистров; неисправности механизма адресации приводят к пропаданию, сдвигу во времени, а также к выработке неправильных управляющих сигналов и т. п. Математическая модель ОД может быть задана в явном или неявном виде. Явная модель ОД представляет собой совокупность формальных описаний исправного объекта и всех (точнее, каждой из рассматриваемых) его неисправных модификаций. Для удобства обработки все указанные описания желательно иметь в одной и той же форме. Неявная модель ОД содержит какое-либо одно формальное описание объекта, математические модели его физических неисправностей и правила получения по этим данным всех других интересующих нас описаний. Чаще всего заданной является математическая модель исправного объекта, по которой можно построить модели его неисправных модификаций. Общие требования к моделям исправного объекта, а также к моделям неисправностей состоят в том, что они должны с требуемой точностью описывать представляемые ими объекты и их неисправности. В неявных моделях объектов диагностирования модели неисправностей, кроме того, должны удовлетворять требованию удобства их “сопряжения” с имеющимся описанием объекта и тем самым обеспечить достаточно простые правила получения других описаний объекта. Исправный или неисправный объект может быть представлен как динамическая система, состояние которой в каждый момент t определяется значениями входных, внутренних и выходных координат. Частным является случай, когда состояние объекта не зависит от времени. Объекты, все сигналы которых могут принимать значения из континуальных множеств значений, отнесем к классу аналоговых (непрерывных) объектов. К классу дискретных объектов причислим ОД, значения сигналов которых задаются на конечных множествах, а время отсчитывается дискретно. Если значения части контролируемых параметров ОД заданы на континуальных, а значения других – на конечных множествах, то объект является аналого-цифровым (гибридным). Объекты называют комбинационными или объектами без памяти, если значения их выходов однозначно определяются только значениями их входов. Последовательностными, или объектами с памятью, называют объекты, у которых наблюдается зависимость значений их выходов не только от значений входов, но и от времени. Принято различать одиночные и кратные неисправности. Под одиночной понимается неисправность, принимаемая в качестве элементарной, т. е. такой, которая не может быть представлена совокупностью нескольких других, более “мелких” неисправностей. Кратная неисправность является совокупностью одновременно существующих двух или большего числа одиночных неисправностей. Неисправности бывают устойчивые и неустойчивые. Среди неустойчивых выделяют, в частности, сбой и перемежающийся отказ. Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. Сбой – самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора. Перемежающийся отказ - многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера. Внезапный отказ - отказ, характеризующийся скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров объекта. Постепенный отказ - отказ, возникающий в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров объекта. Наиболее часто неисправности возникают из-за обрывов соединений и образования "ложных" перемычек при пайке. Эти дефекты практически не зависят от характеристик элементов и нарушают топологию схемы. Они должны выявляться и устраняться на первых этапах диагностирования. Дефекты, вызванные неисправными элементами, составляют небольшую долю. Это обусловлено, прежде всего, организацией надежного входного контроля комплектующих изделий. Необходимость входного контроля определяется тем, что современные печатные узлы содержат значительное число компонентов. Чем больше число компонентов, тем больше вероятность брака печатного узла по причине их неисправности. Например, пусть при изготовлении платы транзисторного приемника на предприятии осуществляется выборочный входной контроль транзисторов, обеспечивающий поступление на сборку не более 1% бракованных транзисторов. Если каждый приемник содержит по 10 транзисторов, то вероятность нахождения на плате хотя бы одного неисправного транзистора равна 0.1, и можно ожидать, что по крайней мере 9 изделий из 10 будут работоспособны. Если узел содержит 100 компонентов, то при тех же условиях, после сборки вероятность наличия хотя бы одного работоспособного устройства близка к нулю. Таким образом, ясно, что наличие большого числа компонентов на плате вызывает необходимость надежного входного контроля. Аналогичная ситуация возникает при сборке узлов РЭА, состоящих из нескольких печатных плат. Их настройка и испытание, поиск и устранение неисправностей - наиболее трудоемкие работы. При среднем выходе годных плат 75% и отсутствии их контроля, даже при изготовлении сравнительно простого узла, состоящего из семи плат, девять из десяти изделий, поступающих на настройку, могут оказаться неработоспособными. Зависимость выхода годных изделий от их сложности при различном проценте выхода годных плат показана на рис.2.1. С увеличением сложности ОД резко растут расходы на диагностирование. Так статистика показывает, что обнаружение места неисправности на печатной плате "стоит" в 100 раз дешевле, чем ее обнаружение при пуске у пользователя устройства из нескольких печатных плат. Наиболее проработаны вопросы формирования множества допустимых неисправностей для ОД, выполняемых на цифровых интегральных схемах. Пусть имеется цифровой элемент, реализующий функцию f(x1,...,xm), где m - число входов элемента; x1,..., xm - входные переменные элемента, принимающие значения 0 или 1. При i-ой неисправности элемент реализует функцию fi(x1,...,xm). Будем говорить, что неисправности si и sj элемента различимы, если fi(x1,...,xm) fj(x1,...,xm) . Число различимых функций от m двоичных аргументов равно . Следовательно, число возможных различимых неисправностей m-входового цифрового элемента не может превышать - 1, а общее число одиночных неисправностей схемы не может превышать , где k- число элементов схемы, mi - число входов i-го элемента схемы. Однако, как правило, число реальных различимых неисправностей элемента существенно меньше - 1. Были выполнены исследования поведения цифровых элементов при наличии в них неисправностей катастрофического типа (обрыв или короткое замыкание отдельных компонентов схемы элемента). Исследования показали, что наличие в элементе таких неисправностей эквивалентно, как правило, тому, что определенная комбинация переменных функций элемента зафиксирована константами 0 или 1. В качестве иллюстрации рассмотрим элемент НЕ-ИЛИ, принципиальная и логическая схема которого представлены на рис.2.2. Пусть возможными физическими неисправностями элемента являются: 1) обрыв цепи эмиттера; 2) обрыв цепи базы; 3) обрыв цепи коллектора; 4) обрыв цепи резистора R4; 5) обрыв цепи резистора R5; 6) короткое замыкание между эмиттером и коллектором; 7) короткое замыкание между эмиттером и базой; 8) короткое замыкание между базой и коллектором; 9) обрыв цепи резистора R1; 10) обрыв цепи резистора R2 ; 11) обрыв цепи резистора R3. Анализ функционирования элемента показывает, что наличие каждой неисправности 1, 2, 3 и 7 эквивалентно тому, что выход элемента зафиксирован константой 1; при каждой неисправности 4, 5, 6 и 8 - константой 0. Неисправности 9, 10 и 11 эквивалентны фиксации константой 0 входов a, b и c, соответственно. Неисправности, при которых функционирование цифрового элемента можно описать, фиксируя в значениях 0 и 1 переменные функции исправного элемента, называют неисправностями "константного типа". Некоторые неисправности могут приводить к таким нарушениям в схемах, при которых существенно усложняется поиск их места. Например, в схеме на рис.2.3 при неисправности "короткое замыкание" диода d11 элемента D1 она будет проявляться по выходу элемента D2, а не D1. При этом в исправной схеме Y1 = ab и Y2 = bc, а в неисправной схеме Y1 = ab и Y2 = abc. В схеме на рис.2.4 короткое замыкание диода d31 элемента D3 приведет к образованию обратной связи, т.е. превращению схемы из комбинационной в последовательностную. Рис. 2.3 |