романович. Романович Ж.А. Диагностирование, ремонт и техническое обслуживан. Учебник 3е издание
 Скачать 4.17 Mb.
|
К553УД1А и 140УД1. Правильность установки операционно- го усилителя К553УД1А (рисунок 7.25) в корпусе DIP (рису- нок 7.26)можно проверить по сопротивлению между вывода- ми 6 и 9. Оно определяется последовательным соединением резисторов R 12 , R 14 и должно быть в диапазоне 7 −8 кОм. Для его проверки выбор полярности напряжения воздействия дол- жен обеспечивать закрытое состояние перехода база-эмиттер 229 транзистора VT 12 . Значение этого напряжения должно быть не более 0,5 В, для того чтобы не вызвать открывания переходов транзисторов схем, соединенных с проверяемой МС. Ключ Рисунок 7.25 — Схема усилителя К553УД1А Рисунок 7.26 — Корпус DIP При неправильной установке МС ключом в противополож- ную сторону место выводов 6 и 9 займут выводы 2 и 13. Они не задействованы, и сопротивление между ними — сопротивле- ние изоляции платы и корпуса МС. Правильность установки также может быть проверена по сопротивлению R 6 между вы- водами 11 и 12. При установке МС 140УД1 (рисунок 7.27) в корпусе Т0100 (рисунок 7.28) возможно смещение по кругу выводов. Для ис- ключения ошибок целесообразен контроль нескольких цепей, например проверка сопротивления соединения резисторов R 11 230 и R 12 между выводами 1 и 5, а также сопротивления R 8 между выводами 7 и 12 (см. рис. 7.27). Рисунок 7.27 — Схема усилителя 140УД1 Рисунок 7.28 — Корпус Т0100 Для проверки правильности установки цифровых ТТЛ микросхем можно воспользоваться измерением прямого и об- ратного сопротивлений защитного диода во входной цепи. Пра- вильность установки МС со связанными эмиттерами проверя- ют по сопротивлению цепи из p-n перехода и резистора одного из входных транзисторов и т. д. Поверка отсутствия коротких замыканий цепей МС и локализация места их появления является одной из наиболее сложных задач. Появление коротких замыканий возможно как внутри МС вследствие ее выхода из строя, так и во внешних цепях, например, из-за случайного замыкания токоведущих проводников при ремонте. Во всех случаях появление корот- кого замыкания препятствует проведению диагностирования всех компонентов печатного узла, электрически связанных с 231 точкой замыкания, и может привести к появлению вторичных дефектов. Появление короткого замыкания цепи питания внутри МС может быть обнаружено путем оценки потребляемого тока. Та- кая оценка одновременно позволяет обнаружить появление второй типовой неисправности — обрыва цепи питания. Для решения задачи целесообразно воспользоваться методами из- мерения параметров МЭЦ (рисунок 7.29). Объект диагностирования Рисунок 7.29 — Схема для измерения тока питания микросхемы Печатный узел можно рассматривать как многополюсную электрическую цепь. Микросхема МС x , ток которой измеряет- ся, соединена с остальными компонентами по цепи питания че- рез сопротивления R д1 участка дорожки шины питания (ШП) и R д2 участка дорожки общей шины (ОШ). Специфика задачи за- ключается в том, что эти сопротивления очень малы и состав- ляют тысячные доли Ома. Проверку целесообразно проводить при минимально возможном для обеспечения функционирова- ния исправной ИС напряжении питания, вырабатываемом ис- 232 точником воздействия ИВ. Для уменьшения влияния соседних МС на результат измерения необходимо свести к минимуму ток, ответвляющийся в R д1 , и, следовательно, разность потен- циалов на его концах между точками подключения контактных зондов (см. выражение 7.2). Этого достигают при использовании в качестве повторителя напряжения астатической следящей системы АСС. ИВ через измеритель тока ИТ и зонды З 1 , З 3 подключает- ся к точкам соединения (пайкам) МС x с шинами ШП и ОШ. К зонду З 1 подключен также вход АСС, содержащей дифферен- циальный усилитель ДУ, интегратор Инт и регулируемый ис- точник напряжения ИН. Выход ИН через зонд З 2 подключается к точке соединения с ШП (пайке) ближайшей к зонду З 1 мик- росхемы МС 1 . Следящая система устанавливает равной нулю разность потенциалов на концах участка R д1 шины питания между З 1 и З 2 не зависимо от токов, потребляемых остальными МС печатного узла. Погрешность измерения тока зависит от точности подде- ржания равенства потенциалов на концах участка R д1 шины питания, на что в свою очередь влияют контактные сопротив- ления и разность потенциалов зондов. Реально возможно под- держание разности потенциалов с погрешностью 1 −5 мкВ. При этом погрешность оценки тока потребления составляет 2 −10 мА. Этого достаточно для обнаружения короткого замыкания. Погрешность измерения тока зависит от конструкции и силы прижима зондов к плате. Для устранения этого недостатка можно использовать схему подключения (рисунок 7.30) с раз- делением токовых и потенциальных цепей. В ней контактные сопротивления дополнительных зондов З 4 и З 5 , через которые измеряют разность потенциалов на участке R д1 , включены пос- ледовательно с высоким входным сопротивлением ДУ и прак- тически не влияют на работу системы независимо от качества контактирования. Погрешность измерения тока при тех же ап- паратных средствах может быть снижена до 0,2 −1 мА. Дальнейшего повышения точности измерения можно до- стичь за счет исключения влияния на результат измерения 233 контактной разности потенциалов и напряжений дрейфа и смещения нуля ДУ при использовании дополнительного тес- тового воздействия переменного тока. Структурная схема измерителя при этом существенно не изменяется, просто на напряжение, вырабатываемое ИВ, накладывается неболь- шая переменная составляющая, которая служит тестовым сигналом. Объект диагностирования Рисунок 7.30 — Схема для измерения тока с разделением токовых и потенциальных цепей В реальной схеме компоненты могут быть включены парал- лельно по цепи питания по обе стороны от проверяемой микро- схемы МС x . В этом случае необходимо учитывать то, что кон- тактные сопротивления зондов намного больше сопротивления ШП между точками их подключения. В силу этого использова- ние внешних по отношению к печатному узлу перемычек для объединения точек подключения компенсирующего сигнала ИН по обе стороны от проверяемой МС x в одну неэффективно. Необходимо применение двух АСС. 234 Для локализации места короткого замыкания на общую шину какого-либо проводника объекта диагностирования тока можно применять процедуру последовательного поиска неис- правностей с помощью упрощенной схемы (рисунок 7.31). Пусть, например, обнаружено короткое замыкание на ОШ в точке “0”, к которой подключены три МС. Для локализации места замыкания сначала зонды З 1 −З 5 подключают к печатно- му проводнику, соединяющему точку “0” с МС 1 . Через зонды З 1 и З 6 подается тестовое воздействие от источника переменного тока I 0 . Узел сравнения УС сравнивает падения напряжений на участках проводника между зондами З 2 −З 3 и зондами З 4 −З 5 . Ре- зультат сравнения позволяет определить, с какой стороны от зонда З 1 находится место короткого замыкания, со стороны МС 1 или одной из двух оставшихся микросхем. В последнем случае процедуру продолжают при подключении зондов между точ- кой “0” и одной из оставшихся МС. При использовании тесто- вого сигнала частотой порядка нескольких десятков килогерц для подключения можно использовать емкостные контакты с проводниками печатного узла. Объект диагностирования Рисунок 7.31 — Схема для локализации места короткого замыкания Проверка функционирования МС проводится под рабо- чим напряжением. Цифровые МС поверяются путем оценки 235 реакции на входные тестовые двоичные последовательности, синтез которых представляет собой самостоятельную зада- чу. Специфика внутрисхемного контроля проявляется в том, что на входах проверяемой МС присутствуют сигналы с дру- гих элементов печатного узла. Проблема задания необходи- мых тестов решается за счет применения источников тестовых сигналов с малым внутренним сопротивлением, существенно меньшим выходного сопротивления собственных источников сигналов проверяемой аппаратуры. Источник тестового сиг- нала замыкает на себя собственные сигналы аппаратуры и ус- танавливает на входах проверяемой МС требуемую двоичную последовательность. Для исключения возможности перегрузки и выхода из строя предшествующих МС средняя мощность тес- товых сигналов должна быть ограничена за счет длительности. Однако обеспечить малую длительность импульса в ряде слу- чаев не удается из-за паразитных реактивностей схемы и воз- никающих переходных процессов. Увеличение длительности тестового импульса становится возможным при питании схемы пониженным напряжением, для ТТЛ логики 2 −2,5 В. Снижение уровня напряжения питания приводит к изменению режима работы транзисторов МС. Открытые транзисторы выходят из состояния насыщения. Их внутренне сопротивление возраста- ет, что приводит к уменьшению тока от выходных транзисто- ров предшествующей МС. Аналоговые МС весьма разнообразны. Рассмотрим осо- бенности контроля наиболее представительного класса анало- говых МС — операционных усилителей. При работе ОУ в ли- нейной области без ограничения сигналов абсолютное значение напряжения U вхд между прямым и инвертирующим входами ОУ не превышает предельно допустимого для данного типа ОУ значения U см напряжения смещения нуля: . (7.3) Примерно в 80% случаев полярность sgn(U вхд ) этого напря- жения соответствует полярности sgn(U вых ) выходного напря- жения: 236 sgn(U вхд ) = sgn(U вхп − U вхи ) = sgn(U вых ). (7.4) где U вхп , U вхи — напряжения соответственно на прямом и инвертирующем входах. В схемах, где ОУ работает с ограничением входного сигна- ла при максимально допустимых входных напряжениях нера- венство (7.3) не соблюдается. Равенство (7.4) всегда соблюдаются у исправных ОУ, а у неисправных — случайным образом. Зна- чения напряжений U j на j-х выводах промежуточных каскадов, предназначенных для подключения внешних цепей частотной коррекции и балансировки нуля, у исправных ОУ могут изме- няться в пределах достаточно небольшого диапазона значений U jд . Ширина диапазона зависит от уровня входного напряжения ОУ, напряжения питания и режима работы — в линейной облас- ти без ограничения входного сигнала или в нелинейной области с ограничением сигнала. В качестве примера в таблице 7.1 при- ведены границы диапазонов допустимых значений напряжений для некоторых типов ОУ при напряжении питания ±15 В. Таблица 7.1 Диапазоны допустимых значений напряжений на выводах ОУ Тип ОУ Вывод Границы диапазона допустимых значений напряжений на выводах ОУ, [В] при U вх = 0 в линейной области в нелинейной области max min max min max min К553УД1 3 +10,17 +9,89 +10,37 +9,69 +11,27 +8,39 9 -14,33 -14,18 -14,53 -13,98 -14,97 -13,38 12 +11,03 +10,71 +11,33 +10,41 +14,97 +9,11 К553УД2 3 -13,83 -13,44 -13,83 -13,44 -14,84 -12,14 9 -13,87 -13,54 -13,87 -13,54 -14,37 -13,04 К140УД6 1, 5 -14,91 -14,82 -14,95 -14,89 -14,84 -14,95 К544УД1 1, 8 +14,86 +14,79 +14,86 +14,79 +14,95 +14,75 Изложенные соображения положены в основу алгоритма внутрисхемного диагностирования ОУ (рис. 7.32): 237 1. Проверяется соответствие напряжений U j диапазону до- пустимых значений U jд ; 2. Выделяется входной дифференциальный сигнал U вхд и проверяется выполнение условия (7.3); 3. При несоблюдении условия (7.3) проверяется выполне- ние условия (7.4); 4. В случае невыполнения условий п. 1 или одновременного невыполнения условий п. 2 и п. 3 принимается решение “Отказ”; 5. При выполнения условий п. 1 и п. 2, или п. 1 и п. 3 прини- мается решение “Годен”. При реализации алгоритма диагностирования следует учесть, что в том случае, когда в рабочей схеме на входе ОУ присутствует сравнительно высокочастотное напряжение, из- за фазовых искажений и задержки сигналов в исправном уси- лителе возможно в отдельные моменты времени нарушение условия (7.4). Для исключения возможности вследствие этого Рисунок 7.32 — Алгоритм внутрисхемного диагностирования ОУ 238 неправильного диагноза в устройство для диагностирования (рисунок 7.33) вводят фильтры низкой частоты ФНЧ 1 и ФНЧ 2 Фильтр ФНЧ 2 выделяет постоянную составляющую вход- ного дифференциального сигнала, сформированного в узле вычитания УВ, подключенном непосредственно к входам кон- тролируемого ОУ. ФНЧ 1 выделяет постоянную составляющую выходного сигнала. В двухпороговом компараторе ДК 2 проис- ходит проверка условия (7.3) путем сравнения U вхд с положи- тельным и отрицательным значением U см . Так как предельно допустимое значение напряжения смещения нуля ОУ зависит от напряжения питания ОУ, то пороговые напряжения форми- руются из напряжений E 1 и E 2 питания ОУ с помощью делителя напряжения ДН. При выполнении условия (7.3) сигнал с выхода 2 ДК 2 посту- пает на управление узлом сравнения полярностей УСП. На вы- ходе последнего вырабатывается сигнал “Годен”. Если условие не выполняется, то на выходе 1 ДК 2 появляется напряжение, полярность которого соответствует полярности входного диф- ференциального сигнала sgn(U вхд ). В УСП это напряжение срав- нивается с выходным напряжением ФНЧ 1 , полярность которо- го соответствует полярности выходного сигнала ОУ sgn(U вых ). В зависимости от выполнения условия (7.4) УСП вырабатывает сигналы “Годен” или “Отказ”. Компаратор ДК 1 сравнивает на- пряжения на выводах промежуточных каскадов U J с предель- но допустимыми значениями, сформированными в ДН, и фор- мирует сигналы “Годен” или “Отказ”. Схема & вырабатывает сигнал “Годен” только в случае одновременного присутствия аналогичных сигналов на выходах ДК 1 и УСП. При контроле ОУ, имеющих выводы для подключения вне- шнего балансировочного потенциометра, например серии 544, возможно при неправильной установке потенциометра значи- тельное смещения нуля. Вследствие этого исправный ОУ может быть забракован. Для исключения ошибки следует замыкать накоротко выводы балансировки с помощью дополнительного ключа. 239 Достоверность контроля исправности ОУ, работающих в линейном режиме, рассмотренным методом не менее 0,99, а в нелинейном с ограничением сигналов — 0,95. Достоверность контроля исправности ОУ, не имеющих промежуточных выво- дов, не превосходит 0,8. Для повышения достоверности необходим переход к оценке параметров ОУ с использованием модели с зависимым источ- ником энергии. На собранной плате невозможно включить ОУ в стандартную схему, предусмотренную нормативными докумен- тами для измерения его параметров вне схемы. Этому препятс- твуют соединенные с усилителем компоненты печатного узла. Усилитель в составе печатного узла можно проверить, охваты- вая его дополнительной резистивной обратной связью (на рисун- ке 7.34 через R 1 и R 2 ). О работоспособности ОУ судят по выделен- ной пиковым детектором ПД реакции на тестовый импульсный сигнал, вырабатываемый генератором импульсов ГИ. Возможности такого метода контроля ограничены. Во- первых, практически невозможно точно задать коэффициент усиления схемы, в которую включен проверяемый ОУ, из-за разброса параметров элементов рабочей схемы, параллельно которым включают дополнительную обратную связь, и огра- Объект диагностирования Годен Отказ УСП Рисунок 7.33 — Схема для внутрисхемного диагностирования ОУ 240 ничений, накладываемых предельно допустимой нагрузочной способностью активных элементов ОД на минимальные значе- ния сопротивления резисторов R 1 и R 2 . Во-вторых, достаточно сложно выделить реакцию ОУ на импульсный тестовый сигнал на фоне возможных рабочих сигналов. Гораздо большие возможности для диагностирования ОУ открывает сочетание стандартного метода измерения коэффи- циента K x усиления ОУ с заданием непосредственно на вход ОУ тестового воздействия, аналогичного воздействию, подава- емому при контроле цифровых МС. Специфика контроля ко- эффициента усиления K x заключается в том, что значения K x велики (до 10 6 ) и могут различаться на несколько порядков у исправных усилителей. Отсюда следует, что амплитуда тесто- вого воздействия не может быть постоянной, а должна выби- раться автоматически в процессе диагностирования. Этого достигают за счет охвата контролируемого ОУ отрица- тельной обратной связью через дополнительный дифференциаль- ный усилитель ДУ (рисунок 7.35). На прямой вход ДУ поступает тестовый сигнал U 0 . С выхода ДУ сигнал подается непосредствен- но на входы контролируемого усилителя. Коэффициент усиления K x может быть рассчитан исходя из значения тестового сигнала и результата измерения напряжения U ОУ на выходе ОУ: Объект диагностирования Рисунок 7.34 — Схема для оценки коэффициента усиления ОУ 241 При большом коэффициенте K x усиления U ОУ ≈ U 0 , и фор- мулу можно представить в виде То есть для измерения K x достаточно измерить разность напряжений на входе ДУ. Следует отметить некоторые особенности реализации ме- тода, обусловленные спецификой внутрисхемного контроля: 1. При диагностировании ОУ, в отличие от цифровых МС, нет ограничений на длительность тестового сигнала, так как в корректно спроектированной схеме номиналы сопротивле- ний элементов связи между микросхемами выбирают исходя из допустимой нагрузочной способности МС. Вследствие этого замыкание входов проверяемого ОУ источником тестового воз- действия не должно приводить к перегрузкам предшествую- щих схем. 2. Режим работы ОУ по постоянному току задан рабочей схемой объекта диагностирования, и дополнительного задания режима через элементы схемы контроля не требуется. Более того, гальваническое разделение входов и выходов ДУ позво- ляет включать его выходы непосредственно между входами ОУ. Благодаря этому возможно применение единой диагнос- тической схемы с тестовым синусоидальным сигналом U 0 , для проверки ОУ в различных схемах включения, так как в любом Объект диагностирования Рисунок 7.35 — Схема для измерения коэффициента усиления ОУ 242 варианте исключена опасность короткого замыкания выхода ДУ через общую шину. 3. Желательно подключаться к входам ОУ через раздели- тельный конденсатор большой емкости. Такое исполнение поз- воляет расширить область применения метода. Например, в схе- ме на рисунке 7.36 исключается возможность перегрузки ОУ по постоянному току через выходное сопротивление ДУ и индук- тивность L, соединенную с неинвертирующим входом ОУ. 4. K ДУ используется как масштабный множитель для разных пределов измерения. С уменьшением значения K ДУ увеличива- ется разность напряжений U 0 − U ОУ , т. е. снижаются требования к точности измерения напряжения U ОУ . Исходя из изложенного, можно рекомендовать применение в качестве ДУ делителя на- пряжения с малым выходным сопротивлением или обычного по- нижающего трансформатора напряжения (рисунок 7.36). Объект диагностирования Рисунок 7.36 — Реализация схемы для измерения коэффициента усиления ОУ 7.4 Диагностирование цепей в процессе функционирования объекта В функционирующем объекте электрические цепи находят- ся под действием рабочих сигналов. Для диагностирования необ- ходимо выделить из общего сигнала составляющие, однозначно 243 характеризующие состояние цепи, и измерить их параметры. Контроль цепей возможен как при функциональном диагнос- тировании с использованием только рабочих сигналов объекта, так и при тестовом, когда к рабочим сигналам объекта диагнос- тирования подмешивается тестовое воздействие, не влияющее на функционирование. Во всех случаях решить проблему можно с привлечением методов цифрового спектрального оценивания и регрессионного анализа для аппроксимации временных рядов отсчетов сигналов, получаемых с помощью АЦП. Отсчеты используются в авторегрессионном уравнении, которое описывает их линейную аппроксимацию: , где p ≤ i ≤ N – 1; p — порядок аппроксимирующего полинома (модели); a m — коэффициенты регрессии. Из решения уравнения находят коэффициенты линейной регрессии. Если число отсчетов больше, чем минимально необ- ходимо для расчета коэффициентов линейной регрессии N > p, то последние могут быть определены с помощью процедуры МНК. Для этого составляется система из p уравнений: , где отсчеты и коэффициенты регрессии a m являются дейс- твительными числами. Решение системы удобно представить в матричной форме: , 244 где верхний индекс T означает транспонирование; — матрица отсче- тов размернос- ти (N − p) × p; — вектор коэффициентов регрессии (p × 1). Полученные коэффициенты a m используются для нахожде- ния параметров аппроксимирующего полинома совпадающего в точках отсчета с линейной аппроксимацией, в котором a 0 = 1. Наиболее приемлема для решаемой задачи аппроксима- ция с использованием детерминированной модели в виде ли- нейной комбинации комплексных экспоненциальных функций (затухающих синусоид): Она известная как “метод наименьших квадратов Прони” и применяется для цифрового спектрального оценивания сигналов, представленных временными рядами отсчетов. Отличительной особенностью метода Прони является возможность получения спектральной оценки функций, представленных ограниченным числом выборочных данных, существенно более точной по срав- нению с широко известным методом дискретного преобразования Фурье. Повышение точности достигается за счет использования для подгонки аппроксимирующих функций к отсчетам, кроме частоты, амплитуды и начальной фазы гармонических колеба- ний, дополнительного параметра — коэффициента затухания. В модифицированном методе Прони используется аппрок- симирующий полином, состоящий из незатухающих комплек- ′ 245 сных синусоид, когда коэффициент затухания α m = 0. Порядок модели 2p — четный, и аппроксимирующая функция имеет вид В общем случае в процедуре Прони находят параметры ап- проксимирующего полинома , представляющего собой ли- нейную комбинацию комплексных экспоненциальных функций , где 0 ≤ i ≤ N − 1; p — число комплексных экспонент, используемых для ап- проксимации; A m , α m , f m , θ m — соответственно, амплитуда, коэффициент затухания, частота и начальная фаза m-го экспоненциального колебания; — комплексная амплитуда; — комплексная экспонента. Процедура Прони включает в себя три основных этапа. На первом этапе находят коэффициенты линейной регрессии a m На втором этапе формируют полином, подставляя полученные на первом этапе коэффициенты a m регрессии в характеристи- ческое уравнение , где a 0 = 1. Решение характеристического уравнения позволяет по его комплексно сопряженным корням определить частоты и ко- эффициенты затухания аппроксимирующих колебаний На третьем этапе повторно применяют МНК. С исполь- зованием полученных значений f m и α m составляется система уравнений (6.23), из решения которой находят амплитуды и на- чальные фазы аппроксимирующих колебаний. 246 Применение процедуры Прони позволяет в сигнале, дейс- твующем в объекте диагностирования, выделить синусоидаль- ные колебания и измерить их параметры — частоту, амплитуду и начальную фазу. Таким образом, обеспечивается измерение параметров цепей на точно известной частоте синусоидально- го сигнала и исключается влияние на погрешность измерения формы сигнала. В общем случае требуется измерение параметров гармони- ческого колебания на фоне случайной шумовой помехи общего вида с неизвестной интенсивностью и смеси сигналов, представ- ляющих собой, с точки зрения измерения, квазидетерминиро- ванную нестационарную помеху с неизвестной и переменной структурой, изменяющейся случайным образом от измерения к измерению. Продолжительность измерения должна состав- лять не менее десяти периодов самого низкочастотного колеба- ния, действующего в объекте диагностирования. Для определения амплитуды, начальной фазы и частоты гармонической составляющей сигналов, действующих в объек- те, по которым рассчитываются параметры диагностируемой цепи, аппроксимирующая модель должна быть при нерезонан- сном сопротивлении цепи не ниже третьего порядка (p ≥ 3), а при резонансном — пятого (p ≥ 5). Априори точно задать по- рядок аппроксимирующего полинома невозможно. Занижение порядка ведет к резкому снижению точности измерения за счет влияния на результат неучтенных компонент сигналов. Неоправданное увеличение порядка приводит к усложнению вычислений, увеличению необходимого для них времени и, что самое главное, к возможности расщепления результатов при использовании большого количества отсчетов, т. е. к аппрокси- мации измеряемого колебания несколькими. При этом резуль- тат измерения может быть искажен в несколько раз. Порядок модели можно определить, сравнивая относи- тельные значения сингулярных чисел составленной из отсче- тов матрицы с элементами для i = 0, …, N, m = 0, …, p − 1 и k= 0, …, p − 1. Резкое уменьшение 247 значений последовательных сингулярных чисел характерно для перехода к аппроксимации нормального шума. В тех случа- ях, когда уровень шума низок, такой подход дает положитель- ный результат. Однако при малых отношениях сигнал-шум и в случае присутствия в сигнале быстро затухающих экспонент результат оказывается неточным. Коэффициент подавления белого шума при использовании процедуры Прони для измерения параметров гармонического колебания равен . Влияние квазидетерминированной по- мехи, связанной с остальными компонентами сигналов объек- та, практически ограничивается уменьшением динамического диапазона АЦП, приходящегося на измеряемое колебание. Повышение помехоустойчивости возможно за счет разби- ения интервала измерения на ряд подынтервалов с последую- щим усреднением результатов, полученных на подынтервалах. Это требует существенного увеличения массива обрабатывае- мых данных, т. е. увеличения количества отсчетов, что при ог- раниченном быстродействии АЦП приводит к увеличению об- щего времени измерения. В случае тестового диагностирования (там, где это возмож- но без нарушения функционирования объекта диагностирова- ния) повышение помехоустойчивости достигается за счет ис- пользования априорной информации о тестовом воздействии. Для этого аппроксимирующий полином представляется в виде произведения двух полиномов , где c q = 1 и b p-q = 1. Первый полином степени q связан с тестовым сигналом, спектр частот которого известен априори. Его степень q равна удвоенному числу гармоник сигнала воздействия (для общего случая воздействия несколькими частотами). Второй полином пониженного порядка образован оставшимися компонентами модели, обусловленными помехами и шумами. Коэффициен- ты c k первого полинома используют для фильтрации исходной 248 последовательности отсчетов . Полученную таким образом новую последовательность обрабатывают по обычной процедуре Прони для получения значений частот и коэффициентов затухания корней характе- ристического уравнения пониженного порядка На третьем этапе процедуры Прони известные априори q корней и найденные p-q корней подставляют в систему уравне- ний (6.23), из решения которой определяют по формулам (6.22) амплитуды и начальные фазы гармонических составляющих реакции объекта диагностирования на тестовое воздействие. При таком подходе исключена опасность расщепления ре- зультатов, связанных с измеряемыми компонентами сигнала. Порядок модели и используемое количество отсчетов ограни- чены только техническими возможностями аппаратуры. Пог- решности измерения не отличаются от приведенных в разде- ле 6.5 (на стр. 189) для случая измерения параметров сигналов известной частоты с использованием аппроксимации комплек- сными экспонентами и мало зависят от числа гармонических составляющих и соотношения их частот, разнесенных не менее чем на 30%. Коэффициент подавления шума равен . За счет использования априорной информации о частотах тестового воздействия появляется возможность измерения параметров в условиях сильных шумов. Даже при отношении сигнал-шум, равном единице, использование ста отсчетов обеспечивает дис- персию результатов измерений не более 0,08. Возможности метода проиллюстрированы временной диа- граммой сигналов, действующих в объекте диагностирования, (рисунок 7.37). Сплошной тонкой линией показан полный сиг- нал в объекте, сплошной жирной линией — измеряемый ин- формативный компонент сигнала, определяемый вынужден- ной реакцией объекта на тестовое воздействие, а пунктирными 249 линиями — неинформативные составляющие полного сигнала: напряжения переходных процессов объекта, гармонические со- ставляющие рабоцих сигналов объекта и шумовой компонент. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Y0,5 0 0,5 1 Рисунок 7.37 — Временная диаграмма сигналов, действующих в объекте диагностирования 7.5 Пример построения измерительного блока АСКД для внутрисхемного диагностирования В качестве иллюстрации принципов построения диагнос- тической системы рассмотрим выпускаемый АО “НИИ Конт- рольприбор” (г. Пенза) тестер внутрисхемного контроля элек- трорадиоизделий АМЦ 15204 (рисунок 7.38). Его основные технические характеристики приведены в таблице 7.2. Тестер предназначен для измерения параметров R, L, C элементов, контроля диодов, стабилитронов, биполярных и по- левых транзисторов, операционных усилителей без выпаива- ния их из платы и без нарушения внутрисхемных соединений, а также для измерения напряжения постоянного тока. Он мо- жет применяться как автономно для контроля отдельных ра- диоэлементов, установленных на платах, так и в составе АСКД для диагностирования печатных узлов в целом. В последнем случае совместно с тестером должна использоваться внешняя управляющая ЭВМ и контактрон. ′ 250 Рисунок 7.38 — Внешний вид тестера внутрисхемного контроля Таблица 7.2 Основные технические характеристики тестера № Параметр Значение 1 Диапазон измерения: 1.1 – сопротивления резисторов, Ом 10 −10 7 1.2 – емкости конденсаторов, Ф 10 -10 −10 -4 1.3 – индуктивности, Гн 10 -2 −1 1.4 – постоянного напряжения, В 0 −20 1.5 – напряжения стабилизации стабилитронов, В 0,5 −15 2 Предел допускаемой основной относительной погрешности измерения: 2.1 – R, L, C параметров отдельных элементов, % 5 2.2 – постоянного напряжения, % 3 3 Модуль сопротивления шунтирующих цепей: 3.1 – не менее, Ом 50 3.2 – не менее, % от измеряемого сопротивления 5 4 Предел допускаемой дополнительной относительной погрешности от влияния шунтирующих цепей, % 5 5 Достоверность контроля диодов 0,95 6 Достоверность контроля транзисторов 0,95 7 Достоверность контроля операционных усилителей 0,9 8 Напряжение питания 50 Гц, В 220±22 251 В тестере оригинально решена задача унификации изме- рительных преобразователей для диагностирования широкой номенклатуры параметров. Прибор имеет общую аналоговую шину (рисунок 7.39). Необходимая измерительная конфигура- ция, реализующая рассмотренные выше методы диагностиро- вания, образуется из минимально необходимого состава узлов с помощью коммутационной матрицы, управляемой микропро- цессором. Для уменьшения влияния сопротивления ключей, обеспечивающих соединение отдельных элементов с общей аналоговой шиной, все подключения реализуются по двухпро- водной схеме с использованием повторителей напряжения на операционных усилителях, включенных так же, как ОУ 2 и ОУ 3 в схеме на рисунке 7.7. В состав прибора входят: коммутационная матрица, состо- ящая из восьми аналоговых шин для подключения объекта диа- гностирования и узлов тестера, образующих измерительную схему; два программируемых источника напряжения постоян- ного тока U 1 и U 2 , соединенных последовательно с программи- руемыми калиброванными резисторами R 01 и R 02 ; программи- руемый генератор U синусоидальных и импульсных сигналов, выполненный на базе цифро-аналогового преобразователя ЦАП; усилитель измерительный; аналого-цифровой преобра- зователь АЦП; центральный процессор ЦП; память, состоящая из ОЗУ и ПЗУ; панель управления; индикатор и интерфейс для подключения внешней управляющей ЭВМ. Необходимый режим работы может задаваться на панели управления, с помощью типового меню, или от внешней ЭВМ. В соответствии с программой, хранящейся в ПЗУ, происходит коммутация узлов в необходимую измерительную конфигура- цию и формирование тестовых воздействий. Восемь аналого- вых шин позволяют организовать двухпроводное подключение к четырем точкам проверяемой платы. Для контроля параметров R, L, C элементов применена ак- тивная ИС (см. рисунок 7.7). Предел измерения (номинал резис- тора R 01 на рис. 7.39) выбирается автоматически или задается программно. Мгновенные значения выходного напряжения из- 252 8 шин на объект контроля Усилитель измерительный Рисунок 7.39 — Структурная схема тестера внутрисхемного контроля 253 мерительной схемы преобразуются с помощью АЦП в десяти- разрядный двоичный код и вводятся в процессор, где выполня- ется расчет значений параметров и их допусковая оценка. Контроль диодов и стабилитронов производится стандар- тными методами, используя для исключения влияния шунти- рующих цепей метод эквипотенциального разделения цепей. Контроль транзисторов можно проводить по токам переходов на основе схемы рисунка 7.9. и по коэффициенту усиления тока на основе схемы рисунка 7.23. Контроль интегральных опера- ционных усилителей можно проводить в соответствии с алго- ритмом рисунка 7.32 и по коэффициенту усиления в соответс- твии со схемой рисунка 7.34. На индикаторы прибора выводятся значение измеряе- мой величины, ее размерность и режим измерения; результат проверки “Годен — Брак”; номера шин, к которым подключен объект контроля на данной операции; состояние прибора по ре- зультатам самоконтроля. Контрольные вопросы 1. От чего зависит возможность измерения параметров элементов МЭЦ? 2. На чем основан метод эквипотенциального разделения ветвей МЭЦ? 3. Что используют для уменьшения влияния контактного сопротивления зондов при контроле МЭЦ? 4. Какие критерии используются для внутрисхемного диа- гностирования транзисторов? 5. Как проверяются на платах цифровые интегральные схемы? 6. Какие методы используются для диагностирования на платах операционных усилителей? Список литературы Автоматический контроль радиоэлектронного и электро- технического оборудования / Под общ. ред. В. М. Шляндина и А. И. Мартяшина. — М.: Энергия, 1872. 254 Байда Н. П. Микропроцессорные системы поэлементного диагностирования РЭА / Н. П. Байда, И. В. Кузьмин, В. Т. Шпи- левой. — М.: Радио и связь, 1987. Волгин Л. И. Аналоговые операционные преобразователи для измерительных приборов и систем. — М.: Энергоатомиз- дат, 1983. Волгин Л. И. Линейные электрические преобразователи для измерительных приборов и систем. — М.: Сов. радио, 1971. Городов В. А. Электрический контроль печатных плат и узлов. // Электроника НТБ. 2004. № 7. Диагностика измерительно-вычислительных и управля- ющих систем: Учебн. пособие / Ю. М. Крысин, В. А. Мишин, Б. В. Цыпин, В. В. Шишкин, Н. Г. Ярушкина. — Ульяновск: изд- во УлГТУ, 2005. Добровинский И. Р. Проектирование ИИС для измере- ния параметров электрических цепей / И. Р. Добровинский, Е. А. Ломтев. — М.: Энергоатомиздат, 1997. Кнеллер В. Ю. Определение параметров многоэлементных двухполюсников / В.Ю. Кнеллер, Л.П. Боровских.– М.: Энерго- атомиздат, 1986. Лихтциндер Б. Я. Многомерные измерительные устройс- тва / Б. Я. Лихтциндер, С. М. Широков. — М.: Энергия, 1978. Марпл.-мл. С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения / Пер. с англ. — М.: Мир, 1990. Мартяшин А. И. Преобразователи параметров многоэле- ментных электрических цепей / А. И. Мартяшин, Л. В. Орлова, В. М. Шляндин. — М.: Энергоиздат, 1981. Основы инвариантного преобразования параметров элект- рических цепей / А. И. Мартяшин, К. Л. Куликовский, С. К. Ку- роедов, Л. В. Орлова . — М.: Энергоатоиздат, 1990. Цыпин Б. В. Измерение импедансов системами с ЭВМ. — Пенза: Гос. ун-т, 2001. Цыпин Б. В. Методы диагностики и измерительные преоб- разователи для приборов и систем контроля узлов электронной аппаратуры: Учебн. пособие / А. И. Мартяшин, Б. В. Цыпин. — Пенза: Политехн. ин-т, 1989. |