романович. Романович Ж.А. Диагностирование, ремонт и техническое обслуживан. Учебник 3е издание
 Скачать 4.17 Mb.
|
|
Глава 5 ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 5.1 Постановка задачи внутрисхемного диагностирования Современные системы управления являются электронной аппаратурой, сердцевину которой составляют сложные печат- ные узлы (платы) с высокой плотностью монтажа, например такие, как показаны на рисунке 5.1. Многополюсная электри- ческая цепь (МЭЦ) — схема системы управления образуется соединением между собой отдельных компонентов: резисто- ров, конденсаторов, катушек индуктивности, трансформато- ров, диодов, тиристоров, симисторов, транзисторов, микросхем (рисунок 5.2). Рисунок 5.1 — Печатные узлы 121 Рисунок 5.2 — Компоненты печатных узлов Каждый компонент (радиоэлемент) характеризуется сово- купностью параметров, значения которых должны находиться в пределах определенных норм, т. е. в диапазоне, ограниченном предельно допустимыми, граничными значениями (уставка- ми). Топология МЭЦ, т. е. схема соединения компонентов, опи- сывается моделью с множеством полюсов P = {p i } i = 1, 2, …, n (точек соединения радиоэлементов между собой) и множеством со- единяющих их цепей Z = {z ij } i = 1, 2, …, n; j =1, 2, …, n; i ≠ j , где i и j — поряд- ковые номера полюсов, общее количество которых n. Ограниченный электрический доступ к контрольным точкам печатного узла с высокой плотностью монтажа и ми- ниатюрными компонентами создает серьезные проблемы в применении традиционных методов контроля. Определение параметров цепей для целей диагностирования не может быть проведено обычными приборами, предназначенными для кон- троля радиоэлементов, так как реакция многополюсной элект- рической цепи (МЭЦ) на тестовое энергетическое воздействие определяется всей МЭЦ, а не отдельными ее элементами. Возрастающие сложность схем, плотность компоновки и миниатюризация компонентов, все более расширяющееся применение микросхем еще боле усложняют задачу диагнос- тирования и заставляют непрерывно улучшать контрольно- измерительную и диагностическую аппаратуру, искать новые и совершенствовать известные методы и средства количест- венной и качественной оценки параметров. С другой стороны, 122 развитие и совершенствование электроники, достижения мик- роэлектроники, информационно-измерительной и вычисли- тельной техники открывают новые возможности построения контрольно-диагностической аппаратуры и служат основой ее постоянного совершенствования. Интенсивно разрабатываются методы функционального и структурного диагностирования, основанные на тестировании под рабочим напряжением систем управления и их функцио- нальных узлов. Наибольше успехи достигнуты в диагностиро- вании цифровой аппаратуры, поддающейся описанию метода- ми математической логики. Однако функциональный контроль обеспечивает информацию, только подтверждающую пра- вильность работы объекта и позволяет принимать решение о годности изделия. При исследовании технического состояния аналоговых схем, являющихся неотъемлемой частью систем управления, этих методов недостаточно для обеспечения тре- буемой глубины локализации места появления дефекта. Проблема поиска неисправностей при ремонте дополни- тельно усложняется тем, что в процессе замены неисправного компонента возможны нарушения топологии (разрывы соеди- нений или короткие замыкания), появление нелогичных неис- правностей (неправильно установленные радиоэлементы, от- сутствие элементов), а также появление вторичных дефектов при подаче рабочего напряжения. В таких условиях методы структурного диагностирования и традиционные методы кон- троля параметров электрических сигналов и цепей имеют ог- раниченное применение и недостаточно эффективны из-за от- сутствия достоверной информации о топологии схемы. Наиболее результативный метод поиска дефектов при ре- монте систем управления — проведение проверок каждого компонента или фрагмента схемы при условиях исключения влияния внешних по отношению к нему элементов и неповреж- дающего характера тестовых воздействий. Метод получил на- звание внутрисхемной (in-circuit), или поэлементной, оценки. При поиске дефектов в процессе эксплуатации и ремонта поэ- лементное диагностирование дополняет структурное и способс- 123 твует увеличению глубины локализации дефектов. Контроль под напряжением применяется для предварительной локализа- ции места отказа. Внутрисхемное диагностирование использу- ется на последнем этапе для нахождения конкретного несправ- ного компонента или нарушения топологии, что заметно снижает стоимость ремонта — достаточно заменить дефектную деталь. При внутрисхемном диагностировании определение всей совокупности параметров, характеризующих исправность от- дельного компонента практически невозможно, вследствие со- единения компонентов между собой. Этого и не требуется, так как полный контроль параметров проводится после изготов- ления компонента. Перед монтажом на плате обычно осущест- вляется проверка работоспособности. Интервал времени меж- ду контролем элементов до монтажа и после него, как правило, достаточно мал. Вследствие этого постепенный отказ произой- ти не может, а резкий отказ вызывает ошибку функционирова- ния, а не ухудшение отдельных параметров. Для локализации места отказа аппаратуры в процессе ее эксплуатации также достаточно проверки функционирования компонентов. Таким образом, для решения большинства задач внутрисхемного диа- гностирования достаточно контроля функционирования ком- понентов в составе платы. 5.2 Систематизация задач диагностирования электрических цепей Контроль функционирования электронных компонентов осуществляется путем проведения измерительного экспери- мента. Для корректной постановки эксперимента диагностиру- емая цепь должна быть представлена моделью, учитывающей параметры функционирования и неинформативные факторы, влияющие на результат. Эти параметры для электрических цепей различных типов и даже внутри одного типа весьма раз- нообразны и разнородны. В связи с этим возможность оценки их стандартными методами с помощью одной универсальной системы контроля представляется достаточно проблематичной. 124 Для определения минимально необходимого набора методов и реализующих их функциональных элементов, совместимых в единой системе, проведем систематизацию параметров (рису- нок 5.3), используемых для диагностирования электрических цепей аппаратуры. Описание объекта Топология модели Характеристики элементов Линейные Нелинейные Наличие источников энергии Микромодель Макромодель Двухполюсная Многополюсная Пассивные Активные Автономные Зависимые Рисунок 5.3 — Систематизация параметров электрических цепей Описание электрических цепей аппаратуры возможно на уровнях макро- и микромоделей. Макромодель характеризует- ся множеством обобщенных параметров П x = {п ij } i = 1, 2, …, n; j = 1, 2, …, n , описывающих связь между независимыми активными величи- нами А 01 , A 02 , …, A 0n (напряжениями между парами полюсов i, j или контурными токами), определяющими тестовое энергети- ческое воздействие, и зависимыми активными величинами А x1 , A x2 , …, A xn , определяющими реакцию цепи: 125 Параметры п ij могут представлять собой амплитудно-фа- зовые частотные характеристики, временные характеристики, матричные параметры многополюсника, включая параметры внутренних источников сигналов, разнообразные функцио- нальные зависимости и т. д. Обобщенные параметры позволя- ют судить о свойствах электрической цепи в целом как о еди- ном объекте. Микромодель характеризуется схемой соединения и пара- метрами X = {x i } i = 1, 2, …, m; m ≥ n образующих схему элементов. При таком подходе МЭЦ уже не рассматривают как многомерный объект, а описывают множеством независимых уравнений: , где K i — коэффициент преобразования, а параметры x i ха- рактеризуют свойства только одного элемента, включенного в стандартную измерительную схему. Применение обобщенных параметров макромодели п xij на- иболее естественно для контроля функциональных узлов на этапе настройки и испытания аппаратуры. Те же параметры, определенные для отдельного компонента в стандартной испы- тательной схеме, следует считать параметрами микромодели, так как они характеризуют функционирование конкретного исследуемого элемента. В первую очередь это относится к мно- гополюсным компонентам, таким как транзисторы, микросхе- мы, некоторые моточные и электромеханические изделия и т. д. При контроле двухполюсных элементов (резисторов, кон- денсаторов, диодов и т. п.), соединенных между собой в аппара- туре, грань между макро- и микромоделью зависит от внутрен- ней структуры МЭЦ. В общем случае возможность оценки параметров компо- нентов в схеме (измеряемость) обеспечивается, если число не- зависимых уравнений, описывающих связи между доступными ′ 126 для наблюдения переменными, больше или равно количеству параметров компонента. В зависимости от топологии схемы объекта диагностирования и поставленных задач условия из- меряемости могут быть конкретизированы. Определение параметров компонентов по макромодели возможно с помощью совокупных и совместных оценок путем математической обработки измерительной информации. Для нахождения параметров модели при этом могут быть использо- ваны все виды оценок параметров, включая прямые и косвен- ные. В большинстве случаев оценки обобщенных параметров условия измеряемости параметров отдельного компонента не выполняются. Микромодель должна удовлетворять условиям измеряе- мости и идентифицируемости. Она имеет однозначно разреши- мую относительно параметров компонентов схему, состоящую из идеализированных радиоэлементов. Значению каждого па- раметра микромодели соответствует значение параметра оп- ределенного элемента. То есть микромодель наиболее прием- лема для внутрисхемной оценки исправности компонентов. На основе микромодели возможно определение пара- метров элементов методами прямых и косвенных оценок. Это не исключает возможности применения любых видов оценок, включая совокупные и совместные, для нахождения парамет- ров модели, поскольку оценка параметров модели является задачей более низкого уровня по отношению к задаче оценки параметров печатного узла в целом. В зависимости от числа полюсов, к которым подключает- ся измерительная аппаратура на соответствующей операции, схема модели может быть двухполюсной (ДЭЦ) и многополюс- ной. В схеме модели могут быть внутренние полюсы, недоступ- ные для подключения измерительной аппаратуры. Двухполюсная модель характерна для пассивных компо- нентов (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, диодов и т. д.), не соединенных между собой или соединенных параллельно. Такую модель можно использовать для описа- ния двухполюсных радиоэлементов, соединенных в схеме с 127 цепями, влияние которых на оценку может быть пренебрежи- мо мало за счет выбора параметров тестовых воздействий или применения специальных методов измерения. Под измерением в широком смысле этого слова понимается количественная или качественная оценка параметров объекта. Например, влияние транзистора на результат оценки параметров резисторов или конденсаторов может быть устранено при выборе тестового воздействия меньше уровня открывания переходов транзис- тора. Влиянием соединенных с ДЭЦ микросхем в ряде случаев можно пренебречь, если питание на последние не подается. Мо- дели микросхем, транзисторов, трансформаторов, коммутаци- онных электромеханических элементов и т. п. принципиально должны быть многополюсными. В зависимости от типа вольт-амперных характеристик элементов модели подразделяют на линейные и нелинейные. Значения параметров линейной модели не зависят от интен- сивности электрических сигналов. У нелинейной модели интен- сивность сигналов сказывается на значениях хотя бы одного из параметров. Линейной моделью обычно представляются резис- торы, конденсаторы, в ряде случаев катушки индуктивности, транзисторы, аналоговые интегральные схемы в режиме уси- ления и т. д. Нелинейная модель характерна для полупровод- никовых элементов, образованных p-n переходами, катушек индуктивности с сердечниками и т. п. В зависимости от наличия внутреннего источника элект- рической энергии модель может быть пассивной или активной. В свою очередь источник энергии бывает зависимым, если на значения параметров, характеризующих его энергию, влияют сигналы на полюсах элемента, и автономным (независимым). Использование модели с зависимым источником характерно для схем с транзисторами и интегральными схемами, диагнос- тируемыми при включенном напряжении питания. Информацию об автономных источниках можно получить из пассивного измерительного эксперимента без подачи тес- тового энергетического воздействия, путем измерения напря- жений между полюсами и токов, протекающих через цепи из- 128 мерительной аппаратуры, подключенные к полюсам элемента. Получение информации о пассивных элементах модели объек- та с автономными источниками энергии также возможно путем пассивного эксперимента, например в опытах холостого хода и короткого замыкания. Оценка параметров модели, не содержа- щей автономных источников энергии, возможна только в ходе активного измерительного эксперимента при использовании внешнего источника энергетического воздействия на объект диагностирования. Пассивные элементы способны либо рассеивать электромаг- нитную энергию, либо запасать ее в электрическом и магнитном полях. Описание реакции пассивной ДЭЦ на приложенную к ней электрическую энергию основано на законе Ома. В общем случае используют операторную форму, устанавливающую связь меж- ду изображениями по Лапласу напряжения U(p), приложенного к цепи, и протекающего через нее тока I(p): U(p) = Z(p) I(p), или I(p) = Y(p) U(p), где Z(p) и Y(p) — соответственно операторное сопротивление и проводимость; p — оператор Лапласа. Математическое выражение для операторных сопротив- ления Z(p) и проводимости Y(p) имеет вид дробно-рациональ- ной функции. Вид операторной функции обусловлен схемой соединения элементов, образующих цепь. Значения активного сопротивления R, емкости C, индуктивности L и взаимоиндук- тивности M элементов схемы задаются частотно независимыми коэффициентами функции и подлежат определению в процес- се измерительного эксперимента. Существует взаимно одно- значное соответствие между электрической схемой модели и операторным сопротивлением или проводимостью. Если зна- чениям параметров R, C, L, M можно поставить в соответствие определенные значение параметров компонентов, то схема со- ответствует микромодели. Обобщенной характеристикой пассивной двухполюсной электрической цепи служит иммитанс — комплексное сопро- 129 тивление (импеданс) или проводимость (адмиттанс) — ко- торый описывает реакцию цепи на гармоническое синусои- дальное воздействие u 0 (t) = U 0 sin ω 0 t, где U 0 и ω 0 — соответственно, амплитуда и частота напряже- ния. Иммитанс аналитически можно представить в функции от своих параметров. Наиболее часто используют четыре формы представления: , (5.1) где z и ϕ — модуль и аргумент ; и — активная и реактивная со- ставляющие соответственно; — тангенс угла потерь; —добротность. Выбор формы представления определяют исходя из ре- шаемой задачи. Например, модуль z и аргумент ϕхарактери- зуют роль, которую цепь исполняет в общей схеме. Эти пара- метры используют при диагностировании цепей аппаратуры в тех случаях, когда частота воздействия при оценке параметров близка к рабочей частоте объекта диагностирования. Оценка активной и реактивной составляющих позволяет приблизиться к поэлементному контролю. Оценка одной из со- ставляющей и потерь, или добротности, наиболее удобна для контроля реактивных радиоэлементов, таких как конденсато- ры или катушки индуктивности. Иммитанс и его параметры частотно зависимы и в общем случае являются характеристиками макромодели. В случае двухэлементной микромодели между параметрами иммитанса и параметрами модели существует взаимно однозначное соот- ветствие. Частотная функция импеданса, т. е. зависимость его 130 параметров от частоты ω 0 может быть использована для иден- тификации и синтеза многоэлементной схемы микромодели. 5.3 Обобщенная структурная схема системы контроля и диагностирования В аппаратуре для внутрисхемного контроля и диагности- рования необходимо реализовать ряд специальных функций, не свойственных обычным измерительным приборам в полной мере. Рассмотрим обобщенную структурную схему автомати- ческой системы контроля и диагностирования (АСКД) элект- ронной аппаратуры (рисунок 5.4), особенности построения ко- торой характерны также для автоматизированных и ручных тестеров внутрисхемного контроля. В общем случае в АСКД входят устройство контактиро- вания УК с объектом диагностирования, коммутатор К, узел фиксации неисправностей УФН, программирующее устройст- во ПУ и узлы измерительной подсистемы: преобразователь па- раметр — унифицированный сигнал ППС, узел сравнения УС, формирователь опорных сигналов ФОС. ОД УК ПУ К ППС УС ФОС УФН Измерительная подсистема Рисунок 5.4 — Структура автоматической системы контроля и диагностирования Устройство контактирования обеспечивает электрический контакт с контрольными точками (полюсами) объекта диагнос- 131 тирования ОД. Коммутатор служит для выбора на каждой кон- трольной операции контрольных точек ОД и подключения их к ППС в соответствии с программой диагностирования. ППС осу- ществляет восприятие разнообразных контролируемых величин x i и преобразование их к единому виду A xi , удобному для срав- нения в УС с граничным значением A гi , сформированным в ФОС. Результат сравнения поступает в узел фиксации неисправностей УФН. УФН в зависимости от результата сравнения принимает решение о принадлежности контролируемого параметра к одной из качественно различных областей состояния: “годен”, т. е. зна- чение параметра в норме, “значение параметра больше нормы”, “значение параметра меньше нормы”, “брак исправимый”, “брак неисправимый” и т. п. Программирующее устройство ПУ осу- ществляет управление работой всей АСКД. Оно задает номера и последовательность точек, подключаемых к ППС через УК и К, режим работы ППС, значение опорного сигнала, формируемого ФОС, логику работы УФН. Программа диагностирования может модифицироваться в зависимости от результатов выполнения от- дельных операций, зафиксированных УФН. В ручных диагностических тестерах коммутатор и про- граммирующее устройство обычно не используются, выбор контрольных точек и порядок их подключения определяются оператором. Принятие решения о соответствии параметра нор- ме, как правило, возлагается на оператора. Технические характеристики АСКД зависят от вариантов исполнения основных узлов. Рассмотрим их. В автоматизированных системах используются три ос- новных варианта исполнения узла контактирования. На ри- сунке 5.5 схематично показана конструкция традиционного контактрона типа “ложе из гвоздей”, представляющего собой матрицу подпружиненных контактирующих штифтов (зон- дов), с наконечниками специальной формы, обеспечивающими контакт с печатным узлом в точках припайки компонентов. Основным недостатком рассмотренного типа контактиру- ющего устройства являются невозможность обеспечения двух- стороннего контактирования с печатным узлом. Кроме того, 132 использование десятков тысяч контактирующих штифтов при- водит к необходимости обеспечения давление прессовой платы, достигающего нескольких тонн. Наличие большого числа зон- дов ведет также к значительному усложнению коммутатора и кабеля, соединяющего его с контактами. Паразитные пара- метры кабеля, такие как распределенные межпроводниковые емкости, сопротивление и индуктивность проводников, значи- тельно увеличивают время контрольных операций и вызывают искажения тестовых и контролируемых сигналов. Тенденцией развития печатных узлов является примене- ние многослойных печатных плат с двухсторонним поверхност- ным монтажом, уменьшение размеров компонентов и тестовых контактов. Для таких узлов могут применяться контактроны с роботизированными (управляемыми) зондами. На рисунке 5.6 схематично показана конструкция контактрона с управляемы- ми зондами, а на рисунке 5.7 — общий вид одного из промыш- ленных контактронов. Используют от четырех до восьми зондов. Зондовые голо- вки имеют возможность перемещения по программе по трем Прессовая плата Контролируемый печатный узел Базовая сетка Направляющая матрица Зонды к АСКД Шаблон Рисунок 5.5 — Схема контактрона “ложе из гвоздей” 133 координатам X, Y и Z с шагом менее 1 мм. В некоторых моди- фикациях одновременно может перемещаться на транспор- тере сам диагностируемый печатный узел. Контактирование осуществляется в моменты остановок. Таким образом после- довательно зондируются все контрольные точки. Зонды могут контактировать не только с контрольными точками, но и с вы- водами компонентов, соединителями, перемычками. Недостатками контактронов с управляемыми зондами яв- ляется снижение производительности и наработки на отказ из- Зонды к АСКД Контролируемый печатный узел Зонды Манипулятор Манипулятор Манипулятор Манипулятор Зондодержатели Зондодержатели Рисунок 5.6 — Схема контактрона с управляемыми зондами Рисунок 5.7 — Вид контактрона с управляемыми зондами 134 за наличия движущихся частей по сравнению с ранее рассмот- ренным вариантом. Компромиссным вариантом, сочетающим достоинства ра- нее рассмотренных конструкций, является использование “ле- тающих матриц” (рисунок 5.8). Зонды к АСКД Контролируемый печатный узел Зонды Матрицы зондов Матрицы зондов Манипулятор Манипулятор Манипулятор Манипулятор Рисунок 5.8 — Схема контактрона с “летающими матрицами” В четырех матрицах сгруппированы зонды, имеющие соле- ноидный привод перемещения по вертикали и расположенные со сравнительно большим шагом до 25 мм. Матрицы располага- ются по обе стороны от диагностируемого печатного узла и име- ют возможность перемещения по программе по координатам X и Y c шагом менее 1 мм. Обычно с каждой стороны располагаются большая матрица, содержащая до 300 зондов, и малая — с 50- 100 зондами. Такой контактрон позволяет проводить контроль одновременно нескольких цепей печатного узла. Для изменения точек контактирования требуется сравнительно небольшое пе- ремещение матриц, которое производится с высокой скоростью. В ручных тестерах для контактирования применяют щупы (рисунок 5.9), специальные захватики, навесные контактные приспособления типа “клипса” (рисунок 5.10), которые надева- ются сверху на микросхему, обеспечивая контактирование со всеми ее выводами, и т. п. Для построения коммутаторов используются транзистор- ные матрицы ключей. Их важнейшие характеристики — со- 135 противление открытого и закрытого ключа. Сопротивления до- стигают, соответственно, от десятых до сотых долей Ома и от сотен кОм до десятков МОм. Рисунок 5.9 — Контактные щупы для ручных средств диагнострования Рисунок 5.10 — Контактное приспособления типа “клипса” В качестве программирующего устройства применяются персональные и промышленные компьютеры или микроконт- роллеры. Для фиксации неисправностей могут использоваться все типы памяти, индикаторные панели или монитор. В состав ППС входят источник воздействий ИВ на объ- ект диагностирования, измерительная схема ИС, в которой 136 под действием электрической энергии ИВ происходит преоб- разование пассивных контролируемых величин в активные, и унифицирующие преобразователи УП активных величин к виду, удобному для последующего сравнения с опорными сиг- налами ФОС. Метрологические характеристики АСКД в значительной степени определяются принципом построения и узлами изме- рительной подсистемы, включающей в себя ППС, УС и ФОС. Возможны четыре варианта построения измерительной под- системы, отличающиеся тем, в каком виде — аналоговом или цифровом — задаются значения норм в ФОС и происходит сравнение действительного и заданного значений контролиру- емых величин в УС (рисунок 5.11). АСКД со сравнением в ана- логовом виде в дальнейшем будем называть аналоговыми, а со сравнением в цифровом виде — цифровыми. а) б) в) г) Рисунок 5.11 — Структуры измерительных подсистем АСКД В АСКД с заданием норм в аналоговом виде (рисунки 5.11, а и б) в качестве ФОС может использоваться: 137 1) заведомо исправное изделие (блок или печатный узел), идентичное проверяемому; 2) узел, изготовленный из прецизионных элементов той же физической природы, что и контролируемые; 3) узел, в котором контролируемые цепи моделируют с по- мощью прецизионных элементов одной физической природы, чаще всего резисторами. Заведомо исправное изделие применялось в качестве ФОС в ранних конструкциях АСКД. В таких системах УС сравнива- ет реакции объекта диагностирования и аналогового задатчика норм ЗН, предварительно преобразованные унифицирующи- ми преобразователями УП в величину, удобную для сравнения. Достаточно часто в качестве унифицирующих используются аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Тогда УС пред- ставляет собой цифровой компаратор ЦК (рисунок 5.11, б). В целом, рассматриваемый вариант нельзя признать удач- ным для диагностирования аналоговых схем, так как значения параметров цепей заведомо исправного изделия могут лежать на границе зоны допустимых значений. Контроль относительно них как номинальных может привести к грубым ошибкам и общему снижению достоверности результата. В современных АСКД срав- нение с заведомо исправным изделием применяют для контроля сложных цифровых схем, таких как память, микропроцессоры и т. п. Причем тестовое воздействие часто задают случайным обра- зом, поскольку полная программа контроля подобных схем может потребовать слишком больших затрат времени. Схемы измерительных подсистем, использующих в ФОС прецизионные элементы той же физической природы, что и контролируемые, соответствуют схемам мостов переменного тока, обладающих высокой точностью измерения параметров иммитанса. Однако в современных АСКД этот вариант прак- тически не применяется из-за сложности изготовления таких прецизионных элементов, как конденсаторы и катушки индук- тивности, и практической невозможности изготовления пре- цизионных нелинейных элементов. Кроме того, конструкция и, следовательно, значения паразитных параметров схемы 138 из прецизионных элементов, как правило, значительно отли- чаются от соответствующих параметров ОД, что снижает до- стоверность контроля. В силу указанных выше причин АСКД с подобными ФОС характеризуются низкой достоверностью результатов контроля аналоговых схем, малой универсальнос- тью и громоздкостью. В специализированных и полууниверсальных АСКД, предназначенных для контроля однотипных изделий со срав- нительно небольшим количеством цепей, нашел применение третий вариант построения ФОС. Как правило, такие АСКД используют сравнение в аналоговом виде. С увеличением коли- чества контролируемых цепей происходит резкое усложнение ФОС, и применение метода затруднительно. В универсальных АСКД, контролирующих широкую но- менклатуру изделий с большим числом разнообразных цепей, применяют цифровые задатчики норм (ЦЗН). При этом воз- можно сравнение как в цифровом виде (рисунок 5.11, в) с ис- пользованием цифрового компаратора ЦК и АЦП в составе ППС, так и в аналоговом (рисунок 5.11, г), характерном для сис- тем допускового контроля. В последнем варианте в состав ФОС включается цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Сопоставление аналогового и цифрового вариантов пост- роения АСКД проведем по информационному критерию. Коли- чество информации, которое получают в аналоговых системах для определения принадлежности контролируемой величины x к одной из n качественно различных областей, может быть найдено по формуле , (5.2) где p(x) — плотность вероятности распределения x в диапазо- не возможных значений x min ≤ x ≤ x max ; и для i = 1, 2, …, n — границы i-й области. Аналого-цифровое преобразование величины x с шагом квантования Δx к обеспечивает получение количества инфор- мации 139 , (5.3) где — число участков квантования в этом диа- пазоне (число возможных градаций значений x); x j–1 и x j , для j = 1, 2, …, N — граничные значения x на j-м участке квантования. Для упрощения расчетов примем, что граничные значения кратны Δx к , тогда выражение (5.3) можно представить в виде . (5.4) Избыточное количество информации, получаемое в циф- ровых АСКД при допусковом контроле величины x, можно найти как разность выражений (5.2) и (5.4): Для наиболее распространенных случаев равномерного и нормального законов распределения величины x количество информации, получаемое в цифровых системах, превышает минимально необходимое для допускового контроля в 5 −30 раз в зависимости от соотношения значений n и N. Информационная избыточность цифровых АСКД объяс- няется тем, что при допусковом контроле важно обеспечить максимальную точность сравнения контролируемой величины x с уставкой x г в том случае, когда значение x ≈ x г находится на границе допуска. В такой ситуации велик риск появления 140 ошибки диагностирования, т. е. принятия решения о прина- длежности x, значение которого соответствует одной из облас- тей состояния, к другой качественно отличной области. По мере удаления значения x от предельно допустимого точность сравнения может быть снижена без риска повышения вероятности ошибки диагностирования. Минимально необхо- димому для допускового контроля количеству информации со- ответствует показанный на рисунке 5.12 закон распределения по диапазону x min − x max абсолютной погрешности сравнения, т. е. минимального значения разности Δx = x − x г , приводящего к появлению ошибки диагностирования. Рисунок 5.12 — Оптимальное распределение погрешности сравнения значения контролируемого параметра с уставкой При таком характере распределения погрешности вероят- ность появления ошибки диагностирования одинакова во всем диапазоне значений x. При аналого-цифровом преобразовании контролируемой величины x вероятность появления ошибки диагностирования уменьшается по мере отклонения значения x от предельно допустимого. Получаемое количество информа- ции возрастает и становится избыточным. Минимизация количества получаемой информации в ана- логовых системах допускового контроля без промежуточно- го аналого-цифрового преобразования наиболее просто может быть использована для повышения быстродействия. Много- 141 кратное сравнение с мерой, характерное для аналого-цифрового преобразования, в аналоговых системах заменяется однократ- ным сравнением с граничным значением. Запас быстродействия может быть так же обменен на повышение точности контроля, например, путем усреднения нескольких результатов. Преимущества аналоговых систем можно реализовать в случае, когда величина A x , непосредственно воспринимаемая измерительным преобразователем, однозначно связана с конт- ролируемым параметром объекта x диагностирования A x = f(x). В тех случаях, когда величины, непосредственно восприни- маемые измерительными преобразователями, являются функ- цией нескольких контролируемых величин A x = f(x 1 , x 2 , …, x n ), перед проведением допускового контроля необходимо вычис- ление действительного значения x. Эта операция может быть выполнена с использованием функциональных аналоговых пре- образователей или в цифровом виде. Последний вариант харак- терен для современных систем с микроконтроллерами и ЭВМ. При контроле совокупности свойств объекта x 1 , x 2 , …, x n , связанных с непосредственно воспринимаемыми величинами системой уравнений , возможен непосредственный допусковый контроль параметров x 1 , x 2 , …, x n по величинам . Однако при этом воз- никает методическая погрешность, вызванная несовпадением конфигураций областей допустимых значений x 1 , x 2 , …, x n и величин . Неконтролируемое отклонение в пре- делах диапазона допустимых значений величины x i вызывает погрешность допускового контроля x j . Устранение этой погреш- ности возможно при вычислении действительного значения x j До недавнего времени использование сравнения в анало- говом виде позволяло существенно упростить схемотехнику 142 АСКД за счет применения простейших ИС с нелинейной фун- кцией преобразования и исключения из системы сравнитель- но сложных узлов АЦП. Влияние нелинейности ИС достаточно просто устранялось путем учета фактической функции преоб- разования при расчете границ зоны допустимых значений. С развитием средств вычислительной техники и расширя- ющимся применением микроконтроллеров различия в слож- ности между аналоговыми и цифровыми АСКД нивелирова- лись. Более того, учитывая низкую цену микроконтроллеров, в состав которых уже входят узлы АЦП и ЦАП, удобство и простоту исполнения программирующего устройства на основе того же контроллера и возможности цифровых методов изме- рения параметров электрических цепей и напряжений, на сов- ременном этапе цифровые АСКД имеют неоспоримые преиму- щества. Они оказываются более дешевыми за счет совмещения нескольких функций в одной интегральной схеме, более уни- версальными и более простыми при разработке и эксплуата- ции, особенно для контроля параметров, косвенно связанных с непосредственно воспринимаемыми величинами и для контро- ля совокупности параметров. На современном уровне развития электронной техники применение сравнения в аналоговом виде целесообразно в слу- чае экстремальных требований к быстродействию или точнос- ти, а также в простых специализированных ручных тестерах для внутрисхемного контроля. Контрольные вопросы 1. Какое диагностирование называют внутрисхемным? 2. Что представляет собой печатный узел? 3. Какие виды электрических цепей встречаются при диа- гностировании печатных узлов? 4. Как варианты конструкций контактронов вы знаете”? 5. В чем преимущества АСКД со сравнением величин в аналоговом виде? 6. В каких случаях применение таких систем затруднено? 7. В каких единицах измеряется количество информации? |