туальность каждого функционального компонента. Это стало возможным благодаря внедрению дешевых микропроцессорных средств. Микропроцессорные устройства включаются в самые различные блоки АСКД и выполняют широкий круг задач. Это управление программируемыми источниками тестирующих воздействий; коммутаторами, подключающими объект контроля к измерительным цепям; процессом уравновешивания измерительных цепей с

Г

Низкочастотная шина

Управление , .компиляция >

Мини-ЭВМ

Ж

< Память

Контроллер интерфейса

Тестирование

Объект контроля

Рис. 1.7. Структура АСКД третьего поколения.

автоматическим уравновешиванием; повышение быстродействия процессов уравновешивания за счет предварительной обработки информации о сигналах рассогласования; координированное уравновешивание многомерных измерительных цепей. С помощью микропроцессорных устройств осуществляется также формирование тестовых воздействий и повышение точности измерительных преобразователей за счет обработки информации о результатах тестирования; обработка результатов при совокупных и косвенных измерениях; автоматическое формирование в цифровом виде номинальных значений и допусков на контролируемые параметры, их сравнение с результатами измерений; логическая обработка измерительной информации при диагностировании и локализации дефектов; управление обменом и выводом инфо мации на устройства визуализа-

ции и документирования; определение статистических характеристик исследуемых объектов.

Архитектура АСКД четвертого поколения мультишинная. Она отражает рг определение интерфейсных функций с целью .согласования пропускной способности различных устройств системы с производительностью основной управляющей ЭВМ. На рис. 1.8 показано несколько шин, объединяющих устройства с различной

Дисплей Печать

Панель оператора

Низкочастотная шина

IE 2£

Накопитель на МД

ЭВМ

Оперативная память

Вь соко-скоростная

/ функционального преобразователя

МП измеритель

МП интерфейса

Коммутатор

---4F

Пост № 1

Объект контроля 1

ПостМ°п

Объект контроля п

Рис. 1.8. Структура АСКД четвертого поколения.

производительностью. Высокоскоростная шина обеспечивает сопряжение ЭВМ с оперативной памятью и микропроцессорными устройствами интерфейса. На входы интерфейсных блоков из центральной ЭВМ поступают команды, которые воспринимаются микропоцессорными устройствами каждого поста и вызывают выполнение соответствующих микропрограмм тестирования. Результаты тестирования передаются с внутренних шин через блоки интерфейса непосредственно на высокоскоростную шину ЭВМ для их окончательной обработки. Низкоскоростная шина обеспечивает сопряжения ЭВМ с внешними устройствами. Достоинство мультишинной архитектуры заключается в возможности автономной работы каж-

дого поста. В это время центральная ЭВМ выполняет другие возложенные на нее функции. Общая эффективность системы возрастает.

Развитие объектов контроля, их сложности, степени интеграции, шинной организации существенно влияют на развитие архитектуры АСКД. Так, например, стремление испытывать цифровые большие интегральные схемы (БИС) в высокоскоростных режимах, соответствующих нормальным режимам их работы, привело в системах четвертого поколения к развитию средств канальной электроники .

Каждый вывод, связанный с объектом контроля, управляется, тестируется и анализируется автономно. Эффективное использование такой архитектуры возможно лишь на основе применения для каждого канала специализированных БИС, реализующих функции управления, генерации, приема и обработки результатов тестирования. За счет упрощения операций обмена и сокращения интерфейс-пых связей удается повысить частоту тестирующих импульсов до 5 мГц. Применение специализированных БИС на каждый канал повышает общую надежность системы, создает условия для самодиагностирования, повышает степень автоматизации и универсальность.

Итак, для рассмотренных архитектур четырех поколений АСКД можно определить следующие тенденции развития [52]: децентрализация управления или повышение степени распределенности вычислительных мощностей по различным иерархическим уровням; повышение степени распределенности управления но однородным компонентам (многопостовые системы, канальная электроника); повышение степени согласования компонентов по производительности и их параллельная работа во времени.

Глава 2

МОДЕЛИ ОБЪЕКТОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ 1. ОБЪЕКТЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

Объектами диагностирования являются печатные узлы радиоэлектронной аппаратуры. Печатный узел представляет собой печатную плату (ПП) со смонтированными на ней электрорадиоэлементами. При внутрисхемном диагностировании ПУ различают два вида диагностируемых элементов: элементы параметрические и элементы связи. К параметрическим элементам относятся ЭРЭ: резисторы, транзисторы, конденсаторы, линейные и цифровые интегральные схемы. Такие ЭРЭ называют компонентами. Компоненты с помощью выводов подключаются к схеме печатного'монтажа в соответствующих точках. К элементам связи относятся соединения между точками подключения ЭРЭ. Физическими аналогами соединений яв-

ляются проводники. Проводником назовем часть печатного монтажа, соединяющую электрически связанные между собой выводы компонентов. Все выводы, соединенные одним проводником, являются эквипотенциальными. В каждом проводнике может быть выделено по одной точке, называемой узловой. Остальные точки проводника считаются концевыми.

ОПИСАНИЕ ДИАГНОСТИРУЕМЫХ ПУ

Эффективность подготовки и организации процесса диагностирования зависит от способов описания ПУ. Исходная информация обычно содержится в принципиальных электрических схемах. Однако такие схемы не могут непосредственно восприниматься ЭВМ. Для автоматизации подготовки диагностических процедур требуется формализовать описание объекта контроля и диагностирования. Современные ПУ достаточно сложны, поэтому они описываются с различной степенью детализации. Используются следующие уровни детализации: уровень характеристик контролируемого ПУ; функциональных узлов; компонентов; топологии соединений.

Каждый уровень формализации описывается соответствующей математической моделью. Модели должны адекватно отражать все существенные характеристики, быть достаточно простыми и легко обрабатываться на ЭВМ.

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭРЭ

Диагностируемые ПУ могут содержать одновременно как аналоговые, так и цифровые ЭРЭ различной степени интеграции. Такие ПУ называются гибридными. Аналоговые и цифровые элементы имеют различные характеристики. Для их описания применяется различный математический аппарат. Диагностические модели аналоговых элементов основаны на использовании линейных и нелинейных дифференциальных уравнений, позволяющих вести анализ как в режиме постоянного тока так и в частотной или временной областях [7]. Для описания характеристик цифровых ЭРЭ используются функционально-логические и структурно-логические модели. Функционально-логические модели основаны на применении аппарата алгебры логики и устанавливают функциональные зависимости между входными (тестовыми) воздействиями и выходными сигналами [51].

С развитием больших интегральных схем описание их системой логических функций оказалось практически неприемлемым. Многие современные БИС, например, микропроцессоры, элементы памяти, различные шинные формирователи, имеют двунаправленные выводы, которые могут находитьсяв третьем, высокоимпедансном состоянии.

Для описания законов функционирования таких ЭРЭ исполь-у ются структурно-логические модели. Элементы описыеэются на алгоритмических языках, в виде отдельных подпрограмм для ЭВМ-математические модели соединений

Порядок функционирования диагностируемого ПУ зависит не только от характеристик входящих от него ЭРЭ, но и от способов их взаимного соединения, т. е. от элементов связи.

а

Рис. 2.1. Нумерация точек на печатной плате:

а --на принципиальной схеме; б - на схеме соединений.

На рис 2.1, а изображена принципиальная схема аналогового печатного узла, на которой отмечены точки подключения ЭРЭ. На рис. 2.1, б отдельно показаны элементы связи в схеме. Всего имеется 8 проводников (например, проводник, соединяющий точки 1, 9, 10, 11). В каждом проводнике выделяется по одной точке, называемой узловой (номера узловых точек, обведены окружностями). Условимся номеру проводника присваивать номер соответствующей ему узловой точки. В некоторых системах [10] точки нумеруются следующим образом: узловые точки - в порядке возрастания чисел натурального ряда (рис. 2.1, а), затем в порядке возрастания -.концевые точки каждого из проводников.

Последовательность выбора очередного проводника совпадает с последовательностью нумерации узловых точек, а номер первой концевой точки на единицу больше числа узловых точек. Так, для схемы, изображенной на рис. 2.1, б, первая концевая точка имеет номер 9 (всего 8 узловых точек), остальные концевые точки первого проводника нумеруются в возрастающем порядке (10, 11). Концевые точки второго проводника имеют последующие номера: 12, 13, 14, 15. Концевые точки остальных проводников нумеруются аналогично.

Все концевые точки, относящиеся к данному проводнику, элек-

трически связаны с соответствующей узловой точкой и между собой. Следовательно, в проводнике всегда есть хотя бы один путь между любыми двумя точками. Иногда между двумя точками есть несколько различных путей. В этом случае обрыв одного из них не приводит к нарушению электрической связи между точками. При контроле и диагностировании дефектов топологии соединений в печатных платах проверяется наличие именно электрических связей, поэтому обрыв одного из нескольких путей между двумя точками обычными способами проверки обнаружить не удается.

С целью формализации алгоритмов контроля и диагностирования используются различные виды математических моделей соединений в печатных платах [8; Г9; 29]. Большинство из них оснсвано на установлении электрических связей между точками и не учитывает форму реальных физических путей.

Топологические модели. Эти модели соединений на печатных платах используют математический аппарат теории грасоз [9].

Граф G состоит из конечного множества вершин V - {и,-}; (/ = 1, 2, п) и конечного множества ребер R = {гц}; (i, j = = 1, 2, п).

Две вершины vt и v-t называются смежными, если они соединены ребром щ. Множество ребер {гц?}, соединенных с вершиной vc, называют инцидентными ей.

Устанавливается определенное соответствие между приведенными выше понятиями теории графов и элементами описания соединений на печатной плате.

Вершине графа vt ставится в соответствие точка tt на схеме соединений, а ребру гц - наличие электрической связи между точками tt и tj: Каждому проводнику с узловой точкой ts ставится в соответствие подграф Gs (s = 1, 2, т), где т - число узловых точек. Подграф Gs содержит ns вершин, образующих множество Vs, включающее вершину vs. Все точки одного проводника электрически соединены между собой, поэтому подграф Gs является полным, т. е. все его вершины - смежные. Точки, принадлежащие различным проводникам, не имеют электрических соединений, следовательно, никакие Еершины, принадлежащие различным подграфам, не являются смежными, и все подграфы С, (s = 1, 2, т) не связаны между собою.

Итак, топологической моделью соединений на печатных платах является граф G, состоящий из т не связанных между собою полных подграфов Gs.

Чтобы убедиться в отсутствии обрывов в проводнике s, достаточно установить смежность корневой вершины vs со всеми остальными вершинами подграфа Gs.

Для установления коротких замыканий между проводниками s и и достаточно определить отсутствие смежности между корневыми вершинами vs и vu подграфов Gs и G .

яэлосые точки концебые люта

S 10 11 12 13 н is

f 2 j i s 6 7 8

Матричные модели. Известно, что граф G полностью характеризуется матрицей смежностей. Матрица смежностей А = ац графа Gen вершинами является квадратной матрицей, элементы которой ац = 1, если вершина vc смежна с вершиной vt и ац - О в противном случае. В матрице смежностей все диагональные элементы ац = 1, так как любая из вершин всегда смежна сама с

Проиллюстрируем формирование матрицы А для электрической цепи, составленной, например, из трех проводников 1, 2, 7 (рис. 2.1, б). Нумерацию клеток матрицы проведем следующим образом: вначале в порядке возрастания проставим номера всех узловых точек, а затем в том же порядке - номера всех концевых точек проводников. Соответствующая матрица смежностей показана на рис. 2 2, а Матрица А состоит из четырех блочных матриц, которые обладают следующими свойствами: В - всегда единичная диагональная матрица; С - транспонированная матрица С; D - квазидиагональная матрица, состоящая из отдельных подблоков, расположенных на главной диагонали.

Элементы матрицы D не являются взаимнонезависимыми. Их значения целиком определяются значениями матрицы С (если точки 9, 10, 11 соединены с узловой точкой /, то все они электрически соединены между собой).

Следовательно, матрица А является избыточной, и для полного описания соединений достаточно информации, содержащейся в матрице С. Назовем матрицу С укороченной матрицей смежностей (рис. 2.2, б). Номера строк матрицы смежностей С соответствуют узловым точкам, а номера столбцов - концевым точкам. Наличие элемента Ьц = 1 свидетельствует о принадлежности точки у к проводнику i, Ьц = 0 свидетельствует об обратном.

Матрица С намного компактнее полной матрицы А и при реализации алгоритмов диагностирования требует для размещения в ЭВМ меньшего объема памяти.

Рис. 2.2. Матричное описание соединений:

а - матрица смежностей А; б - укороченная матрица смежностей С; в - матрица соединений Е.

Принятый нами способ нумерации узловых и концевых вершин обеспечивает дальнейшее сокращение матричного описания соединений печатной платы. Заметим, что номера концевых точек каждого проводника возрастают в последовательности натурального ряда чисел. Это позволяет представить матрицу соединений Е для всей схемы рис. 2.2, б в виде, изображенном на рис. 2.2, в. Каждый столбец матрицы Е соответствует проводнику, а номера, указанные в клетках, означают младший и старший по порядку номера концевых вершин, относящихся к данному проводнику. В частности для проводника с номером 7 имеется всего лишь одна концевая точка 24. Поэтому число 24 повторяется дважды.

Матрица Е легко представляется в ЭВМ в виде двумерного массива, весьма компактно описывающего схему соединений рассматриваемой печатной платы.

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ

Математические модели, используемые при диагностировании аналоговых узлов РЭА, в зависимости от режимов диагностирования делятся на статические и динамические [7; 50].

К статическим относятся модели, допускающие анализ в режиме постоянного тока, а также в режиме периодических синусоидальных и несинусоидальных сигналов.

Динамические модели используются при анализе переходных процессов и основаны на представлении объекта диагностирования системой дифференциальных уравнений.

Современные численные методы анализа дифференциальных уравнений требуют представления их в форме Коши [7]:

dvdt = f1(vl, v2, ... , vn, t)

dv-z/dt = f2 (vt, v2, ... , v , t) .

dvjdt = / (и v2, ... , v , f). (2.1)

Величины v{ в уравнениях называются переменными состояния. Задание указанных величин в некоторый момент времени полностью определяет дальнейшее поведение схемы при известных внеш- них воздействиях. Переменные состоянияхарактеризуют запасы энергии в реактивных элементах. Задание значений величин vc в начальный момент времени означает задание начальных условий для системы уравнений (2.1). В качестве переменных состояния обычно используются значения напряжений на конденсаторах и токов, протекающих через катушки индуктивности. Во многих случаях результаты статического анализа получаются непосредственно в процессе анализа переходных процессов. Поэтому динамическге модели содержат больше диагностической информации, чем ста-: -

ческие. Однако статические модели значительно проще динамических и шире применяются при диагностировании.

Модели на постоянном токе. Простейшими статическими моделями аналоговых схем являются модели в режиме постоянного тока. Они не учитывают действия реактивных элементов и предназначены для диагностирования дефектов резисторов, диодов, транзисторов, различных интегральных микросхем. Такие модели наиболее приспособлены для отыскания коротких замыканий и обрывов проводников. Для сложной электронной схемы устанавливаются функциональные зависимости между значениями напряжений или токов короткого замыкания в узлах от значений тестовых сигналов, -приложенных к различным участкам схемы. Различают два режима подачи тестовых сигналов: заданного напряжения и заданного тока. В первом случае источником тестового сигнала служит источник ЭДС, во втором - источник тока. Рассматриваемые функциональные зависимости обычно оформляются в виде таблиц, которые строятся для каждого из возможных видов дефектов. Модели в режиме постоянного тока пригодны для диагностирования как линейных, так и нелинейных узлов РЭА.

Модели на переменном токе. При диагностировании аналоговых узлов РЭА в режиме переменного тока применяют тестовые генераторы периодических сигналов синусоидальной формы или периоди-еских сигналов сложной формы. При тестировании линейных электронных схем синусоидальными сигналами форма и частота всех напряжений и токов одинаковы.

Диагностическая информация содержится обычно в амплитудно-частотных и частотно-фазовых характеристиках [26]. Частотные характеристики иногда представляют в комплексной форме. Различают четыре вида комплексных характеристик.

Комплексный коэффициент передачи по напряжению от точки / к точке i

комплексный коэффициент передачи по току от точки / к точке i

RtJ(<o) = il (©) /(©);

комплексная взаимная проводимость между точками ] и I

Yif (со) = /г ( )/£,- (со); комплексное взаимное сопротивление между точками j и i

Zi/И = Ui (со)/J/(со).

Здесь Ui (со) и i{ (со) - комплексные амплитуды напряжений холостого хода и токов короткого замыкания, измеренные в точке i\ Ej (со) и (со) - соответственно, комплексные амплитуды ЭДС и задающих токов в точке /.

В процессе диагностирования анализируются либо действительные и мнимые составляющие, либо модули и фазы комплексных час--тотных характеристик

По отношению к выводам, доступным для подключения источников тестовых сигналов и измерительных преобразователей объект диагностирования (ОД) рассматривается как электрический многополюсник. Комплексные коэффициенты преобразования объединяются в матрицы, которые представляют математическую модель линейных аналоговых узлов РЭА. Коэффициенты матриц зависят от значений параметров отдельных ЭРЭ, входящих в состав ПУ. При достаточном числе выводов ПУ доступных для подключения возможно непосредственное определение значений параметров отдельных ЭРЭ по значениям комплексных коэффициентов. Например, взаимная комплексная проводимость F,2 (со) между точками / и 2 фрагмента электрической цепи, представленного на рис. 2.3, определится соотношением .

r г Рис. 2.3. Фрагмент элек-

Г1В(< ) = -(fo-f/eoC,). (2-2) ческой цепи.

Действительная часть комплексной взаимной проводимости характеризует проводимость gx, а мнимая часть определяется значением емкости Сх.

Модели некоторых ОД, содержащих нелинейные элементы (диоды транзисторы и другие), при заданном режиме по постоянному току иногда рассматриваются как линейные. Диагностирование таких объектов также может проводиться с использованием комплексных частотных характеристик. Каждый режим по постоянному току имеет соответствующий ему набор таких характеристик. Подобные модели нелинейных аналоговых узлов РЭА называются малосигнальными.

Если ОД содержит существенные нелинейности, то при воздействии на него синусоидального тестирующего сигнала появляются нелинейные искажения. Спектр гармонических составляющих искаженного сигнала также может нести диагностическую информацию. Частотные модели имеют преимущество, состоящее в том, что лежащая в их основе теория хорошо понятна специалистам по радиоэлектронике. Кроме того, аппаратура, необходимая для реализации частотных методов, довольна проста: вольтметры, генераторы синусоидальных сигналов, спектроанализаторы (для проверки нелинейных схем)