Download
1 / 132
E N D
Neustále narůstající složitost a nezvyklý způsob zpracování, záznamu a prezentace informací číslicovou formou komplikoval kontrolu jakosti číslicových systémů již od počátku jejich vzniku. Snahy o automatizaci kontroly daly vzniknout nauce zvané technická diagnostika. Je to nauka o metodách ekonomického zjišťování technického stavu výrobků.Jezaložena na nedestruktivních metodách, ale jeodkázána jen na vnějšíprojevy, kterými se mohou maše informace o skutečném stavu výrobku jen nepřímo zprostředkovat.
Teoretické základy pro takovouto metodiku řešení lze najít v analýze problému "černé skříňky" známého z elektroniky a technické kybernetiky. Vzhledem k omezenému rozsahu textu lze probrat jen nejzákladnější informace.
Základní pojmy Testovaná jednotkaje libovolně velký celek v rámci celého systému - na příklad hradlo, procesor, zásuvná jednotka, počítač, počítačová síť. Základní úlohou je pak zjistit technický stav této testované jednotky. Podle toho jak je jednotka schopna splnit předepsanou funkci se rozlišují dva stavy -poruchový a bezporuchový stav. Porucha je pak definována tak, že je ukončena schopnost výrobku plnit funkci podle technických podmínek.
Je však třeba rozlišovat poruchu a chybu. Chyba je neshoda mezi správnou a skutečnou hodnotouproměnné v určitém místě obvodu. Jejím prostřednictvím pak poruchu obvykle odhalujeme. Obvykle odhalujeme znamená, že ne každá porucha musí vést k projevu chyby.Takovou poruchu pak označujeme za skrytou či latentní.
Rozlišení poruchového a bezporuchového stavu nazýváme detekcí poruchy - nejedná se o žádnou zcela konkrétní identifikaci závady či počtu závad, ale jen o stav který lze jednobitově vyjádřit pracuje, nepracuje. Pro potřeby případné následné opravy je pak třeba provést lokalizaci poruchy. Zde se hovoří o rozlišení skupin poruch a ne o rozlišení jednotlivých poruchových stavů, protože opravář provádí opravu způsobem výměny některého celku ve kterém se může vyskytnout více poruch ( například integrovaný obvod u něhož je vadné napájení a přitom obsahuje více hradel).
Je však nutno upozornit na to, , že automatická lokalizace poruch s přesností na jeden výměnný celek je velmi obtížná úloha a v praxi řešitelná za cenu velmi drahého testovacího zařízení. Proto v praxi nezbývá než upřesňovat diagnózu výměnou například jednotek. Nejčastější příčinou je to, že z hlediska odezvy vykazují některé poruchy přesně stejné chování, což nelze rozlišit žádným testem.
Diagnostické testy Výše uvedené základní úlohy se řeší pomocí diagnostických testů. Diagnostický test číslicového zařízení je množina vzájemně přiřazených dvojic vstupních a výstupních dat, t.j. vstupních dat a výstupních odezev. Každá takováto dvojice se nazývá krokem testu a počet kroků testu udává délku testu. Posloupnost vstupních dat se nazývá vstupní posloupnost testu a posloupnost odezev je výstupní posloupnost testu.
Velmi důležitým parametrem je diagnostické pokrytí, které udává absolutní či relativní pokrytí typu poruchy kterou sledujeme. Test který má 100% pokrytínazýváme úplným testem. Test lze i nadále rozšiřovat o další kroky, čímž se ale pokrytí již nezvětší. Při vypuštění některých kroků testu se musí dát pozor na úplnost testu.Test ze kterého nelze vypustit žádný krok bez ztráty úplnosti se nazývá neredundantní.
Úplný test s minimální délkou se nazývá minimální test. Těchto testů může být několik a často představuje extrémní případ, protože minimalizace může být složitá a drahá. Triviální test je takový test, při kterém se vyzkouší všechny možné funkce které má testovaný obvod realizovat. Pro n-vstupový kombinační logický obvod má délku 2n a skládá se ze všech kombinací hodnot n proměnných.
Vstupní i výstupní posloupnost je možno zaznamenat na paměťové médium a provádět testování obvodu takto či pomocí správně fungujícího obvodu. Tento test nazýváme test srovnání s etalonem nebo též komparační test. Diagnostický test se provádí po krocích při čemž po každém kroku se testuje odezva. Podle toho jakým způsobem se vybírá následující krok testu se dělí testy na závislé a nezávislé.V nezávislém testu je vstupní posloupnost určena pevně předem.Závislý test (adaptivní, sekvenční) je charakterizován výběrem dalšího kroku testu v závislosti na výsledku.
Testy (ověřování) mohou být prováděny : • ručně • automaticky • Oba tyto druhy testů lze dále rozdělit na : • výrobní • provozní (servisní)
Testované systémy mohou být sestaveny z následujících obvodů : • analogových • číslicových (digitálních) • analogo-číslicových • U všech uvedených systémů, se sledují následující parametry : • statické • dynamické
Ruční testy Ruční testování systémů zahrnuje diagnostické metody vyžadující většinou vysoce kvalifikovaného pracovníka s detailní znalostí testovaných obvodů a příslušným přístrojovým vybavením jako jsou: • osciloskopy • čítače • generátory funkcí • logické analyzátory atd
Pracovník pomocí přístrojů a výrobní dokumentace ověřuje parametry v důležitých sledovaných bodech systému. Konstrukční řešení ať již desek či bloků musí umožnit přístup k těmto měřícím bodům. Měřící body občas bývají vyvedeny na speciální měřící konektory pro různé diagnostické hladiny, to znamená na úrovni desek, jednotlivých bloků nebo celého systému.
U desek mohou být například důležité měřící body vyvedeny na speciální jednokolíkové měřící svorky. Ty bývají na desce označeny různými způsoby (vyleptáním značek, sítotiskem atd). Příslušné hodnoty signálu (U,I,f atd) v tomto bodě odpovídají správné funkci a jsou uvedeny v příslušné výrobní (servisní) dokumentaci. Ruční testování lze použít na všech úrovních systému. Obvykle se využívá v malosériové výrobě.
Automatické testy Automatické testy představují ověřování parametrů systémů, kde potřebné spouštění testovacích algoritmů probíhá automaticky. Vlastní diagnostický systém bývá zpravidla řízen buď počítačem, mikropočítačem, nebo konečným automatem. Konstrukční řešení testovaného systému musí předem s automatickým testováním počítat. Jedná se o vyvedení vybraných bodů v systému na vývody konektoru systému : • přes hlavní konektor desky • přes měřící konektor desky
Výrobní testy Výrobní diagnostika zahrnuje ověřování všech vstupních částí, ze kterých se systém skládá. Finální výrobce získává osvědčení o dodávaných částech od příslušných výrobců. Ověřování částí jednotlivých podsystémů i celého systému se provádí pokud je to třeba v jednotlivých fázích výroby a vždy u koncového výrobku. Někteří výrobci provádějí u náročnějších výrob ještě náhodné přejímací testy, kde se odebere určitý vzorek z dodávky a podrobí se kontrole.Pro extrémní použití se provádí ještě klimatické a další testy. Při hromadné výrobě a opakovaných zkouškách se využívá automatická diagnostika.
Provozní testy Provozní diagnostika zajišťuje ověřování parametrů a funkční způsobilost systému v provozních podmínkách. Možnosti provozní diagnostiky jsou velmi rozmanité. Příslušný diagnostický proces lze realizovat : • po spuštění systému (po připojení napájení) • v pravidelných intervalech za provozu systému • při odstavení systému • při zjištění poruchy
Testování statických parametrů Testování statických parametrů představuje měření hodnot sledovaných výstupních parametrů (U,I) v klidovém stavu a ověřování, zda hodnoty leží v předepsaných tolerancích. Toto testování se provádí převážně na úrovni desek a kabeláže. Je méně náročné na přístrojové vybavení a je ho možno provádět jak ručně, tak i automaticky. V případě, že je na desce oscilátor, je nezbytné příslušné obvody vyšetřovat dynamickými metodami.
Testování dynamických parametrů Testování dynamických parametrů představuje ověřování přechodových stavů hodnot napětí nebo proudů v určitých bodech jednotlivých objektů vyšetřovaného systému. Tatočinnost je náročná na přístrojové vybavení a postupy při měření. To z toho důvodu, že se musí vyhodnotit i děje, které v systému probíhají při přechodu z jednoho stavu do stavu druhého. Potřebné přístrojové vybavení se týká především osciloskopů (analogových, digitálních a to i paměťových), logických analyzátorů, signálních generátorů, registračních přístrojů a podobně.
Diagnostické hladiny testů Diagnostické hladiny testů se zavádějí za účelem zjednodušení celého procesu ověřování systémů. Při sestavování systémů se postupně provádí diagnostika na úrovni : • jednotlivých součástí jednotek • neosazených desek plošných spojů • sestavených jednotek (desek, modulů, bloků) • kabeláže systému • celého systému
Základy spolehlivosti systému Diagnostika souvisí se spolehlivostí a proto v této části probereme nejdůležitější pojmy z oblasti spolehlivosti. Názorným ukazatelem spolehlivosti je pravděpodobnost bezporuchového provozu - je to veličina značenáR(t) a je závislá na čase. Udává pravděpodobnost toho, že v čase sledování od okamžiku t nenastane ve výrobku porucha.
Průběh R(t) se zjišťuje statisticky sledováním určité skupiny x výrobků a stanovuje se jako poměr počtu neporušených výrobků v okamžiku t k celkovému počtu sledovaných výrobků. Veličina Q(t) = 1 - R(t) se označuje jako pravděpodobnost poruchy v době od 0 do t.Hustota pravděpodobnostiporuch f(t) se zkušebně stanovuje poměrem nově porušených výrobků za krátký čas vzhledem k celkovému počtu sledovaných výrobků.
Z výše uvedených vztahů se definuje intenzita poruch (t), která je definována (t) = f(t)/R(t). Další důležitý ukazatel spolehlivosti je střední doba mezi poruchami Ts. Střední doba mezi poruchami a střední doba poruchy se často označují jako střední doba bezporuchového chodu a platí pro ně vztah: Ts = R(t)dt Typický průběh hodnot (t) je vanová křivka složená ze 3 úseků :
I - období časných poruch - má sestupnou charakteristiku. Zde se projevují vady které unikly výstupní kontrole a proměnily se v poruchy. II - období normálního provozu - intenzita poruch je přibližně konstantní takže platí R(t) = e- lt a kde t je intenzita poruch. Tyto poruchy bývají označovány jako náhodné poruchy protože jejich vznik nelze předpovídat ani připsat žádnému nám známému vlivu.
III - období dožívání výrobku - poruchy, které se v tomto období vyskytnou se označují jako poruchy dožitím.Poruchy mají vzestupnou tendenci a použití výrobku je nehospodárné.
Vanová charakteristika Vztah který charakterizuje období normálního provozu se nazývá exponenciální zákon poruch a platí :
Konstantní hodnota se udává jako základní údaj o spolehlivosti součástky. Pro integrované obvody je intenzita poruch cca 10-6 až 10-7h-1 v závislost na stupni integrace, kvalitě výroby a provozních podmínkách.
Příklad výpočtu středního bezporuchového provozu Z obrázku vyplývá, že schema zapojení obsahuje 4 usměrňovací diody, elektrolytický kondenzátor, 2 rezistory, 2 keramické kondenzátory Zenerovu diodu a diodu LED. Konstanty neodpovídají skutečnosti a jsou zde uvedeny jen pro příklad výpočtu!
Příklad výpočtu střední bezporuchové doby provozu Z obrázku vyplývá, že schéma zapojení obsahuje 4 usměrňovací diody, elektrolytický kondenzátor, 2 rezistory, 2 keramické kondenzátory Zenerovu diodu a diodu LED. Konstanty neodpovídají skutečnosti a jsou zde uvedeny jen pro příklad výpočtu!
takže celková střední doba bezporuchové činnosti je rovna Ts = 1/8.10-5hod-1 = 12500 hodin
Diagnostika v analogových systémech Diagnostika v analogových systémechpředstavuje souhrn činností v rámci systému, které se zaměřují na ověřování funkcí analogových obvodů nebo celých systémů. Patří sem testy jak statických, tak i dynamických parametrů a též ruční i automatické postupy při testování. Ověřování statických parametrů probíhá v analogových systémech po připojení napájecího napětí a ustálení hodnot jak vstupních, tak i výstupních signálů. Ustálení hodnot lze na sledovaných místech kontrolovat osciloskopem a statické hodnoty pak dle dokumentace ověřovat multimetrem.
Diagnostika v analogových systémech Ověřování dynamických parametrů v analogových systémech představuje snímání průběhu sledovaných veličin v různých bodech analogových obvodů a jejich následné vyhodnocení. To vše ale vyžaduje použití měřících přístrojů s potřebnými parametry.
Při ověřování parametrů analogových systémů se musíme zpravidla obejít bez automatického testování. Takovéto automatické testování analogových systémů se realizuje většinou jen u výrobce zabývajícího se velkosériovou výrobou a je prováděno pomocí vnějšího mikropočítače. Ten realizuje připínání a odepínání vstupních signálů na jednotlivé vývody obvodů přes příslušné konektory nebo přípojné body.
Diagnostika v číslicových systémech Diagnostika v číslicových systémech představuje oblast s nejrozsáhlejším využitím diagnostiky ve všech možných formách, t.j. testování statických i dynamických parametrů, ruční i automatické postupy, výrobní i servisní testování. Ověřování statických parametrů probíhá po připojení napájecího napětí a ustálení hodnot jak vstupních proměnných (logických úrovní), tak i výstupních signálů.
Úroveň logických signálů v ustáleném stavu lze měřit multimetrem, nebo logickou sondou rozlišující povolená a zakázaná pásma napěťových signálů. Patří sem i logická zatížitelnost výstupů sledovaných obvodů včetně ověřování vstupů testovaných obvodů jako logických zátěží. Ověřování dynamických parametrů v číslicových systémech představuje snímání časových změn logických signálů v různých bodech vyšetřovaného obvodu. To ovšem vyžaduje jak kvalitní měřící přístroje, tak i při ručních testech vysoce kvalifikované odborníky s podrobnou dokumentací systému.
Automatická diagnostika číslicových systémů s mikroprocesorem využívá systémových testů, které jsou vygenerovány pro konkrétní mikropočítačový systém. Tyto systémové testy tvoří součást programového vybavenía jsou uloženy v diagnostické oblasti paměti programu. Do této oblasti zamíří procesor za předem stanovených podmínek a spustí systémový test. Může tak učinit :
příkazem na vnější podnět • automaticky v daných časových intervalech, nebo po RESETu, průchodu určitou adresou a podobně. Generování systémových testů je činnost náročná a vyžaduje podrobnou znalost hardware příslušného systému.
Poruchy v číslicových systémech Nejstarší model poruchy je prezentace trvalou nulou (t0) nebo trvalou jedničkou (t1). Trvalá nula vznikne přerušením vodiče přivádějícím signál do místa poruchy a náhradou zdrojem t0. Podobně trvalá jednička vznikne přerušením zdroje náhradou t1. Tento stav vzniká za předpokladu správné funkce logického členu a nesprávné funkce spojovacích vodičů.
Protože těmito poruchami typu t lze popsat většinu poruch, existujítéž poruchy u kterých se požaduje složitější model. To jsou například zkraty mezi signálními vodiči. Je všeobecně známo, že se v čase poruchy chovají obvody různě. Některá porucha se chová stále stejně a je přítomna nepřetržitě - stálá porucha. Jiné se nepravidelně objevují a mizí takže dávají zcela různé výsledky - nestálé nebo občasné poruchy. Vyčíslení různých poruch je v následující tabulce. Je však závislé na použité technologii a technologické kázni.
Postup při generování testů Test, který se specializuje na detekci označujeme jako strukturní a jeho sestavení je velmi náročné. Test který se zaměřuje jen na správnost funkce se nazývá funkční. Pro strukturní testy je základem sestavení citlivé cesty která zaručí přenos informace o poruše na výstup obvodu. Zcitlivění cesty je určeno pro generování testů kombinačních obvodů. Tato cesta je citlivá jen je-li schopna přenášet změny signálu z počátku na konec. Sestavuje se tak, aby přenášela informaci o poruše signálu na primární výstup pozorovatelný člověkem. Postup nalezení jednoho kroku testu je následující:
1) volba poruchy, která má být detekována 2) přivedení opačné hodnoty do místa výskytu poruchy 3) sestavení citlivé cesty na primární výstup 4) odvození hodnot proměnných na primárních vstupech 5) nalezení všech poruch pokrytých sestaveným krokem testu
Tento postup se opakuje až do doby dokud není nalezen úplný test - pokrytí všech poruch t0 a t1 na všech vodičích. Na počátku práce na testu je nutné definovat seznam poruch. Přivedením opačné hodnoty signálu do místa vzniku poruchy znamená, že jestliže se testuje porucha t0 použije se hodnota 1 a opačně. Z toho vyplývá, že má-li citlivá cesta procházet ze vstupu na výstup členu logického součinu (AND, NAND) je nutno na všechny ostatní vstupy přivést hodnotu 1.Pro logický součet (OR, NOR) je pak na všechny ostatní vstupy nutno přivést hodnotu 0. Invertorem a hradlem XOR prochází citlivá cesta vždy
Podmínka úplnosti testu je ta, že test pro kombinační obvod sestavený ze základních logických členů je úplný pro všechny poruchy typu t, jestliže detekuje poruchy primárních vstupů a poruchy všech větví za každým bodem větvení. Z toho vyplývá, že stačí sestavit test pouze pro primární vstupy a body za větvením. Takovéto testování nelze provádět u větších systémů ručně. Proto se používá číslicová či počítačová simulace.
