Nachádzate sa tu
Diagnostika integrovaných obvodov
19. DIAGNOSTIKA INTERGOVANÝCH OBVODOV
19.1 Úvod
Táto kapitola sa zaoberá problematikou testovania číslicových zariadení a techník používaných na ich diagnostiku.
Obr. 19.1. Objekt diagnostiky
Cena testovania sa dramaticky zvyšuje, ak poruchová časť je lokalizovaná na najvyššej úrovni integrácie (IO › komponent na doske › doska › systém). Diagnostika - diagnosis: "dia" = skr; "gnosis" = poznanie [14].
Skúsený technický inžinier musí mať na diagnostiku hĺbkové znalosti elektroniky a elektronických obvodov. Odstránenie chyby zariadenia sa riadi nasledovnými krokmi:
Krok 1: Diagnostika (diagnose)
Týmto krokom sa zisťuje, či technický problém naozaj existuje. Na overenie musí technik zhromaždiť všetky potrebné informácie o systéme, obvode alebo súčiastke, a na základe toho diagnostikovať problém.
Krok 2: Izolovanie (isolate)
Druhým krokom je aplikovanie logických a sekvenčných postupností na presné určenie problému. V tomto kroku bude technik poruchové zariadenie testovať použitím poruchových techník a izoluje nefunkčné bloky zariadenia.
Krok 3: Oprava (repair)
Posledným krokom je samotná oprava chyby zariadenia a vykonanie kontrolného testu na zariadení.
Definíciu diagnostiky môžeme formulovať nasledovne. Je to proces, pri ktorom sa lokalizuje a určí porucha v zariadení systematickým kontrolovaním a analýzou zariadenia [2].
Charakteristika porúch:
- úplná porucha - porucha, ktorá vedie k odlišnej logickej funkcii obvodu, systému
- čiastočná porucha - zmena fyzikálnych parametrov, ktorá ešte nezmení logickú funkciu, ale už sú presiahnuté hranice stanovených technických podmienok
- jednotlivá porucha (single fault) - výskyt len jednej poruchy v danom čase
- násobná porucha (multiple fault) - výskyt viac ako jednej poruchy súčasne
- ekvivalentné poruchy - poruchy, ktorých prejav je rovnaký, a nemožno ich rozlíšiť.
Základné kategórie porúch:
- trvalé poruchy (stuck-at)
- premostenia, skraty (bridging faults, shorts)
- prerušenia (opens)
- poruchy citlivé na vzorku (pattern sensitive faults)
- parametrické poruchy
Test pre diagnostiku môže byť:
- triviálny test/vyčerpávajúci (exhaustive test) - všetky kombinácie vstupných logických hodnôt
- nezávislý/závislý test - postupnosť krokov testu, pričom nezáleží/záleží na ich poradí
- komparačný test - test s bezporuchovým etalónom
- úplný test - pokrytie všetkých porúch
- minimálny test - úplný test s minimálnou dĺžkou [14].
19.2 Testovacie prístroje
Klasickým testovacím prístrojom je multimeter. S pomocou multimetra dokážeme diagnostikovať analógové aj číslicové zariadenia. Vo väčšine prípadov sa multimeter používa na merania napätia a odporu. Prúd sa meria zriedka, lebo na meranie prúdu musí byť rozpojená cesta (multimeter musí byť pripájaný do série) a väčšina diagnostikovaných zariadení je umiestnená na plošnom spoji, čo značne komplikuje násilné rozpojenie cesty. Použitie multimetra ilustruje obr. 19.2, v ktorom meriame jednosmerné úrovne napätia (DC VOLTS) na výstupe obvodu 7400, ktorý obsahuje štyri dvojvstupové logické členy NAND. Na obr. 19.3 testujeme multimetrom s prepnutým rozsahom na merania odporu (OHMS) jednotlivé súčiatky ako rezistor, poistka, tranzistor, prepojky, diódy a iné vybraté komponenty [2].
Obr. 19.2. Testovanie zariadenia pomocou multimetra
Obr. 19.3. Testovanie rôznych súčiastok pomocou multimetra
19.3 Testovanie pomocou osciloskopu
Multimeter je užitočný iba v prípade, že logické úrovne sa v čase rýchlo nemenia. Ak chceme merať signály meniace sa v čase použijeme osciloskop. Na obr.19.4 máme základné charakteristiky signálu meniaceho sa v čase.
Obr. 19.4. Zobrazenie parametrov priebehu
Ak dáme do pomeru šírku impulzu TW a periódu opakovania T dostaneme parameter označovaný ako strieda S (duty cycle) [2]
(19.1)
Napríklad majme šírku impulzu rovnú 100 µs a periódu rovnú 1000 µs strieda signálu bude:
(19.2)
Obr. 19.5. Zobrazenie časov nábehu a poklesu
Ďalšou charakteristikou obdĺžnikového signálu sú časy nábehu (rise) tr a poklesu (fall) tf vyznačené na obr. 19.5. Čas nábehu je definovaný ako čas potrebný pre nárast impulzu z hodnoty 10% na hodnotu 90% amplitúdy signálu, zatiaľ čo čas poklesu je čas potrebný na pokles úrovne z 90% na 10% amplitúdy signálu. Pri reálnych obvodoch dochádza pri priebehoch k zákmitom vyznačených na obr. 19.5. Ako vidieť amplitúda zákmitov prevyšuje resp. je nižšia ako ustálená hodnota. To v niektorých prípadoch môže zapríčiniť nesprávnu funkciu zariadenia a v extrémnych prípadoch jeho poškodenie.
Osciloskop môže byť použitý nasledovne. Môžeme merať hodinové impulzy obvodu, či je vo všetkých častiach obvodu a takisto jeho frekvenciu a amplitúdu, ktorá musí spĺňať požiadavky uvedené v špecifikácii obvodu. Dvojkanálovým osciloskopom môžeme takisto porovnávať dva signály v časovej oblasti. Napríklad na obr. 19.6 meriame dobu oneskorenia logického člena NAND [2].
Obr. 17.6. Meranie doby oneskorenia pomocou osciloskopu
19.4 Testovanie logickou sondou
Obr. 19.7. Zobrazenie testovacej logickej sondy
Ďalším zariadením na testovanie môže byť logická sonda zobrazená na obr. 19.7. Napájanie sondy sa uskutočňuje priamo z testovaného zariadenia pomocou napájacích vodičov. Po pripojení napájania je sonda pripravená na meranie logických úrovní v testovanom obvode. Logický stav indikuje dióda LED, HI = logická jednotka LO = logická nula. Logická sonda ďalej umožňuje testovať prítomnosť meniaceho sa signálu v čase. Tento stav indikuje LED dióda označená PULSE. Princíp snímania impulzu je založený na tom, že logická sonda má vnútorný oscilátor s nízkou frekvenciou a ten je pri prítomnosti vstupného rýchlo sa meniaceho signálu aktivovaný a rozbliká diódu PULSE. Takto je možné detekovať signály až do 100 MHz. Pretože logické obvody TTL a CMOS nemajú rovnaké rozhodovacie úrovne je na sonde prepínač, ktorý mení rozhodovacie úrovne podľa použitého typu logického obvodu [2].
19.5 Problémy číslicových obvodov
Poruchu číslicových integrovaných obvodov môžeme rozdeliť do dvoch kategórií:
- porucha vnútri obvodu
- porucha mimo obvodu
Pri hľadaní poruchy najprv izolujeme chybný integrovaný obvod a zistíme, či má vnútornú alebo vonkajšiu poruchu. Ak má vnútornú poruchu opraviť sa nedá a musí byť vymenený za nový, keď má vonkajšiu treba nájsť chybnú súčiastku pripojenú k obvodu a opäť ju vymeniť za novú.
Obr. 19.8. Zobrazenie rôznych porúch logických členov
Porucha v integrovanom obvode môže nastať buď prerušením vnútorného vodiča alebo jeho skratovaním podľa obr. 19.8.
Porucha prerušením vnútorného vodiča je najčastejšia a je spôsobená veľmi tenkými vodičmi použitými vo vnútri obvodu. Táto porucha je najčastejšie spôsobená prekročením dovolených napätí a prúdov na obvode.
Obr. 19.9. Diagnostika logického člena NAND s poruchou na vstupe
Detekcia poruchy na vstupe logického člena NAND je vyobrazená na obr. 19.9. V obvode je vnútorne prerušený vodič na pine 10. Na tento pin pripojíme +5 V teda úroveň logickej jednotky. Na pin 9 pripojíme obdĺžnikový signál. Na výstupe (pin 8) meriame výstupný signál, ktorý v tomto prípade zodpovedá správne fungujúcemu obvodu. Ak piny 10 a 9 obvodu prehodíme a opäť meriame výstupnú úroveň na pine 8 zistíme, že na výstupe je trvalo úroveň logickej nuly a obvod je prerušený na vstupe, je chybný a treba ho vymeniť. Na obr. 19.10 postupujeme podobným postupom a dospejeme k záveru, že obvod je prerušený na výstupe a opäť ho musíme vymeniť [2].
Obr. 19.10. Diagnostika logického člena NAND s poruchou na výstupe