6.2. Виды диагностического контроля электронных средств

Различают две основные группы методов диагностического контроля: функциональные и параметрические.

Функциональные методы контроля основаны на проверке способности контролируемого объекта (электронного средства или его составных частей) выполнять свои функции, связанные с передачей, хранением и обработкой информации. Электрические и временные характеристики сигналов такими методами явным образом не контролируются.

Функциональный контроль может осуществляться либо тестовым методом, либо путём оперативного слежения за функционированием электронного средства или его отдельных устройств в процессе выполнения рабочих программ (следящий контроль). Первый применяется при изготовлении электронных средств, а второй – при его эксплуатации. Поэтому сейчас нас будет интересовать, главным образом, тестовый метод. Суть его заключается в том, что на объект контроля подаётся последовательность испытательных воздействий (сигналов), которая называется тестом и анализируется реакция объекта на эти воздействия.

Оба метода функционального контроля допускают две формы реализации: с помощью встроенных в объект программно-аппаратных средств и с помощью внешних по отношению к объектам средств. Первый способ характерен для электронных средств, снабжённых свободно программируемым процессором. В этом случае появляется возможность осуществлять тестовую проверку основной части своего оборудования без дополнительных встраиваемых аппаратных средств или при очень небольшом их объёме. Поэтому на уровне целой системы, имеющей в своём составе процессор, предпочитают использовать именно такой способ. А для составных частей той же системы, тестируемых отдельно от всей системы, а также для электронных средств, не содержащих собственного процессора, применяются преимущественно внешние средства.

Тестовый контроль допускает два способа выполнения: на рабочих частотах самого контролируемого средства – объектно-динамический функциональный контроль, и на частотах, определяемых возможностями контрольного оборудования, как правило, более низких, чем рабочая частота объекта – статический функциональный контроль.

Самоконтроль с помощью встроенных средств всегда проходит в динамическом режиме – на рабочей частоте самого электронного средства.

Тестовый контроль с помощью внешних средств возможен в обоих режимах: и динамическом, и статическом, в зависимости от возможностей контрольной аппаратуры.

Параметрический контроль предполагает проверку электрических и временных параметров элементов и узлов электронного средства, вплоть до отдельных микросхем. При этом для цифровых устройств основными электрическими параметрами являются уровни логического нуля и логической единицы, входные и выходные токи, соответствующие этим уровням, токи, потребляемые от источников питания и время распространения фронтов сигналов от входов к выходам, временные диаграммы сигналов в определённых точках электрических схем и т.п.

Параметрический контроль цифровых электронных средств реализуется преимущественно тестовым методом с использованием внешнего по отношению к объекту контрольного оборудования. Применяется два способа параметрического контроля – измерительный и допусковый. Первый способ основывается на измерении и последующем анализе фактических значений параметров, представленных в цифровом виде. Второй способ предполагает сравнение фактического значения с граничными значениями непосредственно в аналоговой форме.

Одной из важнейших задач как функционального, так и параметрического контроля является диагностика и локализация производственных дефектов электронных средств. На практике применяется несколько методов такой диагностики.

Один из них ограничивается доступом только к внешним входам и выходам объекта контроля. Идея этого метода основывается на предположении, что каждый тест чувствителен к отказам лишь некоторой части оборудования объекта, то есть позволяет локализовать определённый дефект. Данный метод обычно используется только при функциональном контроле, так как его возможности локализации параметрических отказов в цифровых объектах весьма ограничены.

Другой метод диагностики, пригодный как для функционального, так и для параметрического контроля, основывается на последовательном (с помощью пробника или щупа) или одновременном (с помощью многозондовых адаптеров) доступе к внутренним точкам объекта для опроса их логических состояний, измерения параметров или снятия временных диаграмм. Одна из разновидностей этого метода, известная как внутрисхемный контроль, предусматривает возможность не только внутрисхемных измерений, но и воздействие испытательными сигналами на каждый компонент объекта контроля. В этом случае достигается наивысшая разрешающая способность диагностики – до каждого компонента.

Таким образом, наиболее мощным и универсальным методом диагностического контроля электронных средств является тестовый контроль, который применяется как при функциональном, так и при параметрическом контроле с доступом только к внешним выводам или с доступом к внутренним точкам схемы устройства. Поэтому опишем его более подробно.

С появлением логических цифровых устройств и, особенно, с началом производства ЭВМ, как наиболее универсальных и сложных цифровых логических устройств, проблема локализации и диагностики неисправностей выдвинулась на первое место. Именно тогда появился афоризм: «ЭВМ легче изготовить, чем найти и устранить в ней неисправность». Традиционные методы, основанные на ручном «прозванивании» всех связей и измерении сигналов в отдельных точках, здесь оказались бессильны и на первое место выдвинулись функциональные методы, основанные на контроле выполняемых функций и алгоритмов работы всего устройства в целом. Казалось вполне реальным для каждого конкретного типа объекта (электронного средства) создать такой набор текстовых программ, который позволил бы с достаточно высокой локальностью найти место неисправности. Однако более глубокая теоретическая проработка показала, что реально дело обстоит не так. Функциональный контроль объекта будет полным в том случае, если удастся с помощью подаваемых на входные шины тестовых цифровых последовательностей и анализа состояний на выходных шинах проконтролировать все возможные внутренние состояния объекта, то есть воспроизвести полную таблицу (граф) внутренних переходов-выходов состояний объекта. В действительности это возможно только для наиболее простых цифровых схем, реализуемых в одной ИС низшего или среднего уровня интеграции. Что касается большинства БИС и СБИС, то такой подход для них невозможен, так как требует тестовых последовательностей огромной длины. Например, чтобы таким путём проконтролировать один из первых (а следовательно, сравнительно простых) 8-разрядных микропроцессоров Intel 8080 (К580ИК80) требуется тест, состоящий из 10³² входных 8-разрядных двоичных наборов. Если их подавать на вход микропроцессора с частотой даже в 1 ГГц, то общее время проверки составит 10¹⁷ лет! Это в миллионы раз больше чем существует Вселенная (её возраст оценивается в 210¹⁰ лет). А ведь микропроцессор является лишь одним из многих компонентов современных сложных электронных средств.

Поэтому в реальных тестовых программах удаётся проконтролировать лишь ничтожную долю возможных внутренних переходов-выходов сложного электронного средства, что не даёт никакой гарантии обнаружения всех возможных дефектов.

Действенный выход из сложившейся ситуации был разработан американцем Элдридом ещё в 1959г, но на практике начал применяться лишь в 70-е годы. Им был предложен так называемый «элементный» подход, при котором проверяются не функции, а аппаратура. Однако он не сводится к поэлементному параметрическому контролю, а основывается на создании тестов, которые позволяли бы обнаруживать заранее заданные наиболее вероятные классы дефектов. Для этого из всех возможных дефектов, которых в любой сложной системе может быть огромное множество, выделяют класс константных дефектов, каждый из которых в случае его возникновения приводит к однозначному изменению функционирования объекта. Это и позволяет точно их диагностировать с помощью специальных тестов.

Таким образом, при элементном подходе тесты разрабатываются для заранее выделенного подмножества «константных» дефектов, что приводит к резкому сокращению необходимой длины тестовых последовательностей по сравнению с классическим функциональным тестированием. В то же время, как показала практика, эффективность элементного подхода, то есть способность выявлять и диагностировать дефекты, оказалась весьма высокой и, во всяком случае, не уступала эффективности функциональных тестов.

Однако даже при элементном подходе, требующем во много раз меньших по объёму тестов, чем при функциональном, проблема синтеза тестов остаётся весьма сложной. Более детально с этой проблемой мы познакомимся позднее в специальном разделе, посвящённом изучению различных методов синтеза тестов.