ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ХАРАКТЕРНЫХ НЕИСПРАВНОСТЕЙ ПРИ ДИАГНОСТИРОВАНИИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
Долматов А.В., Чернов Н.М., Сулейманов С.П.
(Московский государственный институт электроники и математики, asonika@miem.edu.ru)
Основными неисправностями в электрических схемах радиоэлектронных средств (РЭС) являются «обрыв» и «короткое замыкание». Эффективную идентификацию данных неисправностей можно проводить, основываясь на методе создания базы характерных неисправностей. Метод заключается в сравнении измеренных выходных характеристик диагностируемых РЭС с расчетными значениями выходных характеристик РЭС при наличии неисправностей, предварительно занесёнными в базу характерных неисправностей (справочной таблицы).
Первым шагом на пути составления справочной таблицы является формирование таких определений неисправностей, которые охватывают наиболее вероятные их типы. Это очень важно для всего подхода, поскольку впоследствии могут быть идентифицированы только эти типы. Следует учесть большое число потенциально возможных типов неисправностей. Естественно, что от этого числа будут зависеть размеры справочника, что накладывает ограничения на применимость метода. Справочные перечни входных воздействий и выходных реакций формируются при помощи моделирования проверяемой схемы для каждой гипотетической неисправности. Выходные характеристики заносятся в справочник с целью последующего использования для оперативной идентификации неисправностей. Расчёт модели схемы с заложенными в неё неисправностями производится при помощи программы схемотехнического моделирования PSpice. Т.к. диагностирование РЭС проводится в разных режимах (по постоянному току, во временной и частотной областях), то для каждого случая при формировании справочника необходимо использовать соответствующий метод.
Одной из задач, решаемых в процессе составления справочников неисправностей РЭС, является задача выбора входных тестовых воздействий, подаваемых на РЭС. Эта задача возникает в случае, когда одного тестового воздействия не достаточно для получения однозначного результата. Т.е. разные неисправности вызывают одинаковые изменения электрических характеристик в контрольных точках и образуют множества неоднозначно определяемых неисправностей. В этом случае требуется определить диапазон допустимых значений входных воздействий.
При выборе тестовых воздействий для исследования в стационарном режиме необходимо следить за тем, чтобы не нарушался электрический режим работы каждого элемента схемы. Для определения диапазона допустимых значений в статической области используется следующий подход. При помощи программы Pspice производится расчёт схемы РЭС с номинальными значениями параметров элементов при входных воздействиях, начиная от 0 вольт с некоторым положительным шагом. После каждой итерации расчёта из PSpice’а считываются значения напряжений и токов на каждом элементе схемы РЭС. Полученные значения сравниваются с допустимыми значениями напряжений, токов и мощностей для каждого элемента, и если хотя бы на одном элементе полученное значение превысит допустимое, то процесс останавливается, и предыдущее значение входного воздействия считается последним допустимым значением.
Для определения диапазона допустимых значений в частотной области используется подход Сешу и Уоксмена. Он состоит в нахождении нулей и полюсов передаточной функции схемы. Далее выбираются тестовые частоты по одной слева и справа от минимальной и максимальной частоты сопряжения и по одной частоте внутри каждого интервала между всеми последовательно взятыми точками сопряжения. Эти частоты и являются входными тестовыми частотами.
После того как выбран диапазон, из него необходимо выбрать те воздействия, которые позволят однозначно определить дефект схемы. При этом для каждого j-го входного воздействия рассчитывается следующий критерий:
,
где 
— значение напряжения в i-ой
контрольной точке при номинальных значениях параметров элементов; 
— значение
напряжения в i-ой контрольной точке при внесённом дефекте.
Выбирается то входное воздействие, для которого значение критерия d j будет максимальным.
В процессе диагностирования РЭС проводится измерение выходных характеристик исследуемого образца с помощью контрольно-измерительной аппаратуры для тех же входных сигналов, что были использованы при составлении справочной таблицы. После чего эти значения вводятся в программу диагностирования, которая путём сравнения их со значениями, хранящимися в справочнике, выдаёт перечень наиболее вероятных дефектов для данных выходных характеристик. Степень совпадения измеренных значений выходных характеристик с характеристиками, хранящимися в справочной таблице, оценивается путем нахождения для каждого k-го дефекта минимального значения следующего критерия:
,
где 
— значение измеренного напряжения в i-ой
контрольной; 
—
значение напряжения в i-ой контрольной точке при внесённом k-ом
дефекте.
На основе данного метода был разработан программный комплекс, структурная схема которого приведена на рис.1.
Рис.1. Структурная схема программного комплекса диагностирования
Структура программного комплекса предполагает логическое деление на автономные функциональные модули. Модули, обозначенные внутри программного комплекса, составляют расчетно-функциональную часть и интегрируются в визуальную среду. Внешние модули взаимодействуют между собой через «Монитор», обеспечивающий сопряжение интерфейсов и контролирующий последовательность взаимоиспользования модулей.
Взаимодействие программного комплекса с PSpice реализуется посредством системного интерфейса, предоставляющего функции управления запуском PSpice, а также считывания результатов его работы. В качестве входных данных для PSpice служит информация о параметрах элементов, точек их включения в электрическую схему. Напряжения в контрольных точках диагностируемой электрической схемы выдаются в качестве выходных характеристик и передаются для анализа в программный комплекс.
Математико-расчетный аппарат реализован отдельным модулем расчета, запрограммированный изначально на определенный алгоритм расчетов, однако имеющий возможность быть перепрограммированным.
Визуализация процессов анализа, расчета, а также отображения результатов предоставлена следующим трем модулям: Интегрирующая визуальная среда, Модуль диалоговых интерфейсов, Графический интерпретатор соответственно.
Для хранения файлов-справочников организована база данных справочников неисправностей, таким образом исключается повторная процедура составления перечня дефектов для каждой исследуемой электрической схемы.
Для функционирования данного программного обеспечения необходима операционная система Windows 95 или более новая и установленная программа PSpice версии 5.х. Программа разрабатывалась на языке Visual C++.
Аналогичный подход можно использовать и при выявлении конструктивных дефектов (КД) в печатных узлах (ПУ) РЭС на основе измерения температур электрорадиоэлементов. КД называют дефекты, которые связанны с нарушением технологии изготовления, например, отсутствие теплопроводящей пасты между элементом и теплоотводом, плохой контакт элемента с теплоотводом, неверная высота установки элемента, отсутствие клеевого слоя между элементом и платой и др. Такой род дефектов приводит к изменению температуры элемента, которая отличается от нормальной температуры. Это приводит к неправильной работе элемента или к выходу его из строя, что совсем не желательно. После изготовления ПУ выявить сразу такие дефекты сложно, так как первое время на работе РЭС они могут не сказываться, а проявить себя спустя какое-то время, когда изделие попадет к потребителю. Отсюда возникает необходимость выявления и устранения КД.
Метод исследования теплового поля заключается в анализе теплового поля ПУ в стационарном режиме, а также и в нестационарном режиме. В стационарном режиме, возможно, выявить большое количество дефектов, но при этом есть ряд дефектов, которые в стационарном режиме отследить не возможно, тогда диагностирование проводится в нестационарном режиме, который позволяет их отследить.
Преимущества нестационарного режима в том, что он позволяет выявить неисправности связанные с изменением теплоемкости, плотности материалов комплектующих элементов. На рис.2 видна явная разница температур: по истечении 100 секунд разница равна DT =9,3°С, при 200 сек. равна DT =10,5°С, а при выходе теплового режима в стационар разница не очень значительная DT =2,4°С.
Рис.2. Нестационарный тепловой режим транзистора, установленного на двух разных радиаторах
Суть метода выявления конструктивных дефектов заключается в следующем (рис.3).
Рис.3. Блок-схема метода выявления конструктивных дефектов
Получаем термограмму диагностируемого ПУ Т изм с помощью тепловизора или устройства автоматического контроля температур (УАКТ), разработанного и реализованного на кафедре РТУиС. УАКТ представляет собой комплекс аппаратных и программных средств — это матрица датчиков, кодирующее устройство и программа обслуживания кодирующего устройства. С помощью матрицы датчиков измеряются температуры элементов ПУ и преобразуются в электрические сигналы. Затем эти электрические характеристики считывает кодирующее устройство, которое преобразует эти значения в последовательный сигнал и передает на вход ЭВМ, где они принимаются и обрабатываются программой обслуживания кодирующего устройства. По полученным температурам создается термограмма, которая именуется в дальнейшем как измеренная термограмма Т изм.
Получение термограммы Т изм происходит достаточно быстро. Тепловизор снимает термограмму за доли секунд, а УАКТ за короткий промежуток времени. Перед тем как получить термограмму Т изм для данного диагностируемого ПУ создается справочник термограмм С`k = {T 1, T 2, … T j, … , T J}, где T j — термограмма ПУ при j-ой неисправности, если в базе справочников С{С`1, С`2, … , С`K} нет справочника диагностируемого ПУ. Для каждого диагностируемого РЭС создается свой оригинальный справочник на основе описание электрической схемы, параметров элементов и материалов. Справочник термограмм С` представляет собой некое количество термограмм, каждая из которых соответствует какому либо дефекту. Эти термограммы получают следующим образом: с помощью программы АСОНИКА-Т моделируют тепловые процессы в ПУ, получая при этом смоделированную термограмму, но при моделировании этих процессов в параметры какого-то из элементов вводят значения, которые соответствуют одному из дефектов. Таким образом, получается термограмма T j, в которой один из элементов имеет конструктивный дефект.
Далее по полученной термограмме Т изм из справочника термограмм С` отбираются наиболее схожие термограммы, по которым определяются дефекты присущие диагностируемому ПУ. Выбор происходит по минимальному значению критерия dj, который рассчитывается для каждой j-ой неисправности:
,
где 
— измеренное значение температуры i-го
элемента, 
—
рассчитанное значение температуры i-го элемента при j-ой
неисправности, занесенное в справочник неисправностей.
После определения неисправного элемента выводится результат на экран монитора. Результатом является графическое представление диагностируемой печатной платы с обозначением дефектного элемента, которое формируется с помощью графического интерпретатора результатов.
Данное программное обеспечение создается на языке программирования Pascal в среде Delphi 5.0, некоторые из его модулей написаны на С++ в среде Visual C++. Системные требования не очень высокие — это Pentium 200/32Mb/500Mb.
Это программное обеспечение может использоваться в ряде предприятий производящих радиоэлектронные средства.
