4.2. Анализ моделей неисправности цифровых устройств

 

Основным состоянием цифрового устройства является исправное – такое состояние устройства, при котором оно удовлетворяет всем требованиям технической документации. В противном случае устройство находится в одном их неисправных состояний.

Если установлено, что цифровое устройство неисправно, то решается вторая задача: осуществляется поиск неисправности схемы, цель которого – определение места и вида неисправности.

Неисправности цифрового устройства появляются в результате применения неисправных компонентов, возникновения разрывов или коротких замыканий в межкомпонентных соединениях, нарушение условий эксплуатации схемы, наличие ошибок при проектировании и производстве, а также ряд других факторов.

Для научно обоснованного выбора методов и средств диагностики необходимо тщательное изучение и анализ неисправностей цифровых устройств, а также определение к какому классу они относятся. При этом метод диагностики будет адекватен цифровому устройству, для которого он используется, именно в той мере, в какой адекватно принятая за основу модель неисправности.

В большинстве случаев рассматриваются следующие виды неисправностей:

1. Константные неисправности: константный нуль и константная единица, что означает наличие постоянного уровня логического нуля или логической единицы на входах и выходе неисправного логического элемента.

3. Неисправности типа «короткое замыкание» (мостиковые неисправности) появляются при коротком замыкании входов и выходов логических элементов и подразделяются на два вида: неисправности, вызванные коротким замыканием входов логического элемента, и неисправности типа обратной связи.

4. Инверсные неисправности описывают физические дефекты цифровых схем, приводящие к появлению фиктивного инвертора по входу или выходу логического элемента, входящего в данную схему.

5. Неисправности типа «перепутывание» заключаются в перепутывании связей цифровой схемы и вызываются ошибками, возникающими при проектировании и производстве цифровых схем, которые изменяют функции, выполняемые схемой.

На рисунке 4.1. приведен жизненный цикл цифровых систем в период, их технической эксплуатации который, можно характеризовать через - интенсивность отказа[1,3,52,55]:

 

 Рис.4.1. Три этапа технической эксплуатации цифровых систем

На кривой можно выделить три характерные области:

I. предэкслуатационная тренировка и испытания.

II. нормальная эксплуатация.

III. старение, износ и утилизация.

 

В первый период предэксплуатационных испытаний выявляются в основном большинство производственных дефектов и неисправностей. Они составляют до 70 – 80% отказов системы в целом.

Во второй период система проходит нормальную эксплуатацию, поэтому наблюдаются отказы и неисправности с минимальной интенсивностью - .

В третьем периоде резко возрастает в виду деградационных процессов, и система нуждается в капитальном ремонте или в утилизации.

Характер и вид отказов в эти три периода технической эксплуатации систем в основном разнотипные: если в первый период превалируют производственные ошибки, то в третьем – наблюдается резкое отклонение численных значений основных параметров элементов, обусловленные процессами деградации и устраняемые в определённой мере способом регулировок и подстроек. Анализ причин и видов отказов в разные временные отрезки позволяет активно вмешиваться в производственный процесс и минимизировать погрешности за счет влияния человеческого фактора (проводить обучение техперсонала, снабдить их прогрессивной контрольно - измерительной техникой и т.д.).

Известно, что первоисточником нарушений нормальной работы объекта или ухудшением тех или иных его характеристик являются физические дефекты компонентов его элементов, а также связей между ними. Согласно [1,37], неисправность как физическое явление называют дефектом, а термин "неисправность" используется либо как название модели дефекта, либо в смысле неисправного состояния объекта или его составных частей.

Таким образом, под дефектом понимают физическое явление в компонентах устройства, вызвавшее переход в подмножество неисправных состояний. А неисправность - это формализованное представление факта проявления дефекта в виде неправильных значений сигналов на входах и выходах объекта. Термин "дефект" связан с термином "неисправность", но не является его синонимом, то есть неисправность - это определенное состояние объекта, в котором оно может иметь один или несколько дефектов. В зависимости от структуры устройство дефект может привести или не привести к ошибке на внешних выходах объекта, а ошибка - это неправильные значения сигналов на внешних выходах объекта, вызываемые неисправностями.

Интенсивность отказов отдельных элементов цифровых систем имеет следующие пределы [7,55]:

Интенсивность отказов - · 10^-6

И.С. – 0.1· 10^-6

Диод – (0,2 – 0,5) ·10^-6

Центральный процессор – 152·10^-6

Транзистор – (0,05 – 0,30) ·10^-6

Резистор – (0,01 – 0,1)1·0^-6

Печатающее устройство – 420·10^-6

Пайка – 0,0001·10^-6

ОЗУ – 300·10^-6

НМД – 250·10^-6

НМЛ – 350·10^-6

Разъёмы – (2,0 – 3,5) · 10^-6

В зависимости от сложности и трудоёмкости локализации дефектов время его обнаружения колеблется в широких пределах.

Наличие дефектов значительно увеличивает стоимость производства, ухудшает качество и надежность функционирования схемы.

Распределение дефектов по разным этапам технологического процесса следующее:

1. Входной контроль изделий – 1,9 ÷3,2% .

2. Комплектование – 0,9 ÷ 1,2% .

3. Подготовка и формовка элементов – 0,8 ÷1,0% .

4. Сборка – 3 ÷ 4% .

5. Пайка – 5 ÷ 6% .

6. Межоперационные перемещения изделий – 0,4 ÷ 0,6% .

В целом до 20% печатных узлов содержат те или иные дефекты, которые необходимо выявлять и исправлять.

Испытания показывают, что:

- короткие замыкания печатных проводников – 34%;

- обрывы печатных проводников – 27%;

- неправильная ориентация – 15%;

- пропущенные и ошибочно установленные элементы – 17%;

- дефектные элементы – 5%, а прочие дефекты - 2% .

Аналогичные данные по английской технологии показывают, что:

- поток годных печатных узлов – 67%, а 33% - дефектные.

Виды дефектов следующие:

- короткие замыкания – 50%;

- отсутствие элементов – 20%, а неверно установленные элементы – 10%;

- неисправности активные –10%, а пассивные – 10%.

Виды дефектов интегральной микросхемы следующие:

- поверхностные дефекты ИС – 38,9%;

- дефекты корпуса – 26%;

- дефекты выводов – 10,3%;

- дефекты соединений – 5,2%;

- дефекты металлизации – 6,6%;

- объёмные дефекты в - 6,6%;

- дефекты в окисле – 6,4%.

В результате появления дефекта наблюдаются отказы или сбои.

Отказ системы (устройства) - это полная или частичная утрата системой (устройством) работоспособности, на восстановление которой необходимо произвести ремонт (замена) неисправного элемента, блока или устройства.

Таким образом, сложная система может иметь огромное множество состояний, которые условно разделяются на работоспособные и неисправны состояние.

Каждое состояние системы обычно задаётся вероятностными параметрами или разрабатываются разной степени сложности математические модели, степень адекватности которой реальному процессу иной раз невозможно установить никакими измерениями. В неработоспособном состоянии какие-то функциональные параметры системы выходят за пределы нормы. Поэтому при помощи технической диагностики получается информация о техническом состоянии системы (рис.4.2) с целью управления этим состоянием и возвращением системы в работоспособное состояние.

Граф технического состояния системы выглядит следующим образом.

 

 

Рис.4.2. Граф технического состояния системы

Поэтому главные задачи технической эксплуатации системы это: предотвращение появления отказов, произведение восстановления системы при отказах, оценка состояния системы, продление состояния готовности системы, своевременное произведение техобслуживание и т. д.

Вероятность пребывания системы в работоспособном состоянии выражается через коэффициент:

(4.1)

где – средняя наработка на отказ;

- среднее время восстановления;

– средняя продолжительность техобслуживания.

Оптимальная частота проведения профилактических работ зависит от наличия достаточного количества опытных специалистов (их производительности профилактических работ), от надёжности функционирования основных элементов систем, от времени восстановления и т. д. При проведении профилактических работ (регулировки, измерения множества параметров систем и т. д.) превалирует ручной труд и поэтому персонал в результате ошибочных действий может внести в действующие системы отдельные виды неисправностей и отказов.

Существуют различные математические модели отказов, которые с разной степенью точности описывают этот процесс [7,21,55].

В виду редкости появления событий в виде отказов ординарный поток отказов во времени без последействия описываются законом Пуассона:

(4.2)

где – число появляющихся отказов за отрезок времени с интенсивностью - .

Вероятность отсутствия отказа за время равно:

(4.3)

Время безотказной работы в случае внезапных отказов элементов распределяется по экспоненциальному закону с плотностью вероятности

где - интенсивность внезапных отказов.

Распределения времени безотказной работы по постепенным отказам:

(4.4)

где – среднее время безотказной работы.

Распределение времени безотказной работы по двум видам системы:

(4.5)

где и – нормирующие коэффициенты.

Время безотказной работы для некоторых элементов подчиняется закону распределения Вейбулла:

(4.6)

где и – параметры распределения.

Для экспоненциального закона безотказной работы среднее время безотказной работы равно:

(4.7)

Среднее время восстановления для экспоненциального закона:

, (4.8)

где - интенсивность восстановления системы.

Если отказы появляются в соответствии с требованиями стационарности случайных процессов, то указанные модели могут иметь место в определенной стадии эксплуатации.

В случаях множественных отказов или же их группировании можно рассматривать поток пакетов отказов (ошибок, сбоев) во времени, которые образуют также стационарный процесс.