- 27 -

1 Методы поиска отказавшего радиокомпонента в неисправном функциональном элементе

После того, как одним из известных методов (половинного разбиения, время-вероятность или инженерным) определен поврежденный функциональный элемент, начинается этап поиска неисправного радиокомпонента, если это допускает конструкция РЭА или технология ремонта.

1.1 Основные виды неисправностей радиокомпонентов РЭА

Поиск неисправностей в функциональном элементе отно­сятся к наименее научно обоснованным и упорядоченным работам. Обычно это медленный и утомительный процесс даже для опытных специалистов. Поэтому разработка мер по упрощению отыскания неисправностей сокращает не только среднюю оперативную продолжительность ремонта, но и улучшает условия труда обслуживающего персонала. Все отказы функциональных элементов РЭА, классифицируются как "обрывы" или "перегрузки".

Под обрывом понимается всякое ухудшение или прекра­щение действия любого элемента, не приводящее к срабатыванию защитного устройства от перегрузок и не вызывающее изменений напряжений питания в схемах РЭА. Обрывом может быть физический разрыв цепи или любое препятствие прохождению сигнала. При отказах типа "об­рыв" задача поиска неисправности разрешается успешно, если найден радиокомпонент, на входах которого сигналы и питание имеются, а на выходе сигнал искажен или отсутствует.

Отказы типа "перегрузка" возникают при уменьшении сопротивления радиокомпонентов сверх установленной нормы или в случае короткого замыкания в электрических цепях. Если в результате короткого замыкания произошло срабатывание защитного устройства, то производят локализацию сработавшего устройства и проверку подключенных к этому устройству электрических цепей. При перегрузке в результате уменьшении сопротивления радиокомпонентов сверх установленной нормы ток в цепях возрастает в со­ответствующих участках схемы, что может привести к вы­ходу из строя радиокомпонентов из-за перегрева.

Распределение отказов типа "обрыв" и "перегрузка" в РЭА по данным статистических исследований приведено в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Распределение отказов типа "обрыв" и "перегрузка" в радиокомпонентах

Вид радиокомпонента	Обрыв, %	Пере­грузка, %
1. Сетевые трансформаторы	31	69
2. Импульсные трансформаторы	75	25
3. Высоковольтные трансформаторы	0	100
4. Электронно-вакуумные приборы	80	20
5. Резисторы	44	56
6. Конденсаторы	23	77
7. Катушки индуктивности	82	18
8. Полупроводниковые приборы	32	68
9. Некоторые виды микросхем	60	40

1.2 Методы поиска неисправных радиокомпонентов

После проведения диагностирования до уровня функцио­нального элемента приступают к поиску неисправ­ного радиокомпонента. Существуют две основные группы методов поиска неисправных радиокомпонентов в повреж­денном функциональном элементе:

• статические методы;

• динамические методы.

Статические методы предполагают, что в электронной схеме имеют место установившиеся электрические режимы. При применении динамических методов на вход электронной схемы подаются возмущающие воздействия, а в самой схеме происходят переходные процессы.

1.2.1. Статические методы

К статическим методам относятся следующие методы поиска неисправных радиокомпонентов:

- внешнего осмотра;

- промежуточных измерений;

- внешних проявлений;

- исключения;

- замены;

- сравнения;

- воздействия;

- электропрогона;

- простукивания.

Метод внешнего осмотра заключается в осмотре монтажа и элементов схемы и сравнении с представлением о монтаже исправной РЭА. Внешний осмотр позволяет выявить большинство механических неисправностей, а также проверить качество сборки и монтажа. При этом вручную проверяют механическое крепление отдельных узлов, таких как трансформаторы, дроссели, переключатели, электролитические конденсаторы, переменные резисторы, разъемы и др. При проверке качества электрического монтажа выявляется целостность соединительных проводников, наличие затеков припоя, которые могут привести к короткому замыканию, обнаруживают провода с нарушенной изоляцией, проверяют качество паек, наличие всех радиокомпонентов согласно принципиальной схеме. Внешним осмотром можно убедиться в правильности номиналов резисторов и конденсаторов, выявить дефекты отдельных радиокомпонентов. В результате осмотра устанавливается наличие изменений внешнего вида радиокомпонентов в результате их перегрева, течи, искрения, подгорания, разрушения и т.д. Выход радиокомпонентов из строя сопровождается нарушением их внутренней структуры, а часто и изменением внешнего вида: цвета, формы, размеров, расположения в пространстве, появления тресков, запахов и пр.

Метод промежуточных измерений заключается в измере­нии электрических режимов отдельных радиокомпонентов или параметров проходящих через них сигналов. Результаты измерений сравнивают с данными, приведенными на принципиальных схемах или в технических описаниях. При несоответствии измеряемых режимов работы или параметров установленным допускам считается, что данный радиокомпонент неисправен. Кроме того, проверяют прохождение сигнала до обнаружения неисправного радиокомпонента. Метод промежуточных измерений применяется в том случае, когда уже существует заключение о возможном месте дефекта в РЭА.

Метод внешних проявлений основан на том, что по характеру отличия выходных параметров РЭА от нормы выбирают из всего множества параметров радиокомпонентов подмножество, в котором могут находиться дефекты, приводящие к данному внешнему проявлению. Для использования данного метода необходимо располагать следующей информацией:

- номинальные значения параметров РЭА и их допуски, которые приведены в ТУ или стандартах;

- фактические значения параметров РЭА, которые получают по результатам прямых или косвенных измерений;

- взаимосвязь между параметрами РЭА и параметрами радиокомпонентов, которая определяется на основании имеющейся информации о физических процессах, происходящих в РЭА;

- номинальные значения параметров радиокомпонентов и их допуски, которые могут быть указаны на принципиальной схеме или в инструкции по ремонту;

- фактические значения параметров радиокомпонентов, которые получаются по результатам прямых или косвенных измерений.

Если после составления заключения о возможных причинах дефекта в зависимости от типа внешнего проявления не удается локализировать неисправность, то используют другие методы для сужения области поиска вплоть до точного определение дефектного радиокомпонента.

Метод исключения заключается в последовательном ис­ключении отдельных радиокомпонентов путем подачи необходимых сигналов после этих компонентов. При этом иногда требуется отсоединение или закорачивание предполагаемых неисправных радиокомпонентов. Перед проведением отсоединения или закорачивания радиокомпонентов надо быть уверенным, что эти действия не приведут к дополнительным аварийным ситуациям в РЭА.

Метод замены предусматривает замену отдельных радиокомпонентов на заведомо исправные. При восстановлении признаков нормальной работы делается вывод об отказе замененного радиокомпонента.

Метод сравнения заключается в сравнении электрических параметров неисправной схемы и такой же исправной схемы.

Метод воздействия основан на воздействии на различные участки схемы РЭА. По реакции РЭА на эти действия делают вывод о месте нахождения дефекта. Способ воздействия выбирается таким, чтобы реакции РЭА несла информацию о месте возникшей неисправности. В качестве воздействия используют изменение положения регуляторов и переключателей; замыкание выводов у некоторых элементов; подключение различных точек схемы к корпусу; подача сигналов на различные точки схемы; проверка на звук в различных режимах работы РЭА; выявление зависимости от колебаний напряжения сети и др. При этом надо быть уверенным, что эти воздействия не приведут к дополнительным аварийным ситуациям в РЭА.

Метод электропрогона используется при наличии перемежающегося отказа в РЭА, т.е. в тех случаях, когда РЭА периодически отказывает, но после проявления последнего отказа время начала следующего отказа неизвестно. Сущность метода состоит в том, что такую РЭА подключают к электропитанию на длительное время и пытаются "поймать дефект" каким-либо из рассмотренных методов.

Метод простукивания применяют в тех случаях, когда при механических воздействиях на РЭА изменяются ее выходные параметры. При некоторых дефектах работу РЭА на некоторое непродолжительное время удаётся восстановить, ударив по его корпусу, нажав на крышку и тому подобное. Метод простукивания можно представить состоящим из двух этапов: выявление подверженности параметров РЭА механическим воздействиям и определение неисправного элемента. Для выявления дефекта удобно использовать специальный молоток, используя для его изготовления кусок литой резины.

Приведенные методы на практике используют в различных сочетаниях в зависимости от типа аппаратуры, наличия приборов и квалификации обслуживающего персонала.

1.2.2 Динамические методы диагностики

Динамические методы локализации неисправного радио­компонента являются наиболее эффективными, т.к. используют информацию, получаемую в переходных режимах работы аппаратуры. При этом сравниваются измеренные значения параметров диагностируемой схемы с параметрами ее идеальной модели. В некоторой литературе динамические методы диагностики называют интегральными. К динамическим методам диагностики относятся метод диагностики на основе анализа отклика системы и метод диагностики на основе использования белого шума.

1.2.2.1 Метод диагностики на основе анализа отклика системы

Метод диагностики на основе анализа отклика системы позволяет оценить степень старения радиокомпонентов в функциональном элементе. Для применения данного метода требуется, чтобы в функциональном элементе сохранилось линейное преобразование сигналов. Сущность метода состоит в следующем.

На вход исследуемого функционального элемента периодически подается ступенчатое входное воздействие. На экране осциллографа этот сигнал изображается как последовательность прямоугольных импульсов.

На выходе функционального элемента прямоугольные импульсы появляются в измененной форме. С помощью математического анализа устанавливают связь между формой выходных импульсов и параметрами радиокомпонентов в данном функциональном элементе. Для установления этой связи используется разложение в ряд Фурье выходного сигнала и дальнейший расчет соответствия между коэффициентами ряда Фурье и параметрами радиокомпонентов.

По значениям коэффициентов ряда Фурье можно опреде­лить, находятся ли в норме значения параметров радиокомпонентов и насколько эти параметры имеют отклонения от нормы. Следовательно, метод диагностики на основе анализа отклика системы позволяет оценить степень старения электронной схемы, тенденцию этого процесса и выявить радиокомпоненты, которые подлежат замене, не дожидаясь отказа функционального элемента.

Динамические свойства любой радиотехнической схемы можно оценить с помощью ее отклика , т.е. функции веса, на единичное входное воздействие. Перед тем, как использовать данный метод, функцию веса разлагают в ряд Фурье и устанавливают аналитическую зависимость между коэффициентами ряда Фурье и параметрами диагностируемой схемы. В процессе диагностирования по значениям коэффициентов ряда Фурье определяют отказавший элемент схемы.

Отклик системы является функцией действительного переменного t, заданного в области . Эта функция равна нулю при , возрастает не быстрее показательной функции и не превышает некоторой затухающей экспоненты

, (1)

где M, c - постоянные, положительные и действительные

числа.

Эти условия позволяют применить для функции преобразование Лапласа:

,

(2)

,

где - изображение функции по Лапласу.

Так как передаточная функция любой системы есть преобразование по Лапласу ее отклика, то равна передаточной функции диагностируемой схемы, т.е.

.

Учитывая условие (1), для получения преобразования Фурье в формулах (2) положим с=0 и .

,

.

Делая подобные преобразования, следует учитывать, что оно неприменимо в случае возрастающих экспонент и колебаний с неограниченным ростом амплитуды.

Разложение функции в ряд Фурье в комплексной форме имеет вид

,

где - длительность отклика ,

- комплексные коэффициенты,

n - номер гармонической составляющей.

Значения комплексных коэффициентов могут быть определены по формуле:

где - коэффициенты Фурье.

Так как преобразование Фурье для функции выполняется в интервале , то коэффициенты Фурье определим по формулам

при ,

при ,

из которых следует, что для вычисления коэффициентов и ряда Фурье функции необходимо выделить из изображения по Лапласу вещественную и мнимую части.

Зная аналитическое выражение для передаточной Функции диагностируемой схемы, находим зависимости между параметрами схемы и коэффициентами и . Затем измеряют фактические значения коэффициентов и и с помощью имеющихся уравнений находим значения интересующих параметров. Количество уравнений, участвующих в расчете, можно изменять, увеличивая или уменьшая количество рассматриваемых гармонических составляющих.

Опыт применения данного метода показывает, что во многих случаях для упрощения расчетов целесообразно определять не значения коэффициентов и , а их отношения.

1.2.2.2 Метод диагностики на основе использования белого шума

Интегральный метод диагностики на основе использования белого шума позволяет определить отклик диагностируемой схемы во время ее нормальной работы, т.е. без отключения. В основу данного метода положено то, что для белого шума автокорреляционная функция равна нулю при всех значениях , кроме точки =0, где случайная функция умножается сама на себя. Поэтому автокорреляционная функция белого шума представляет собой дельта-функцию в начале координат. Выражение для автокорреляционной функции имеет вид

,

где - напряжение белого шума на входе диагностируемой схемы.

Связь между напряжениями входа и выхода диагностируемой схемы через отклик определяется уравнением

. (3)

Известно, что взаимная корреляционная функция входа и выхода схемы выражается через автокорреляционную функцию

.

После перемены местами аргументов и получим

. (4)

Если на вход схемы подать напряжение в виде дельта-функции, то напряжение на выходе схемы будет равно ее отклику

.

Сравнивая уравнения (3) и (4), можно сделать вывод, что, если на вход электронной схемы подать напряжение белого шума, корреляционная функция которого является дельта-функцией, то взаимная корреляционная функция входа и выхода схемы будет равна ее отклику

. (5)

Равенство (5) позволяет синтезировать схему (рисунок 1.1), которая с помощью коррелятора может определять отклик системы по напряжению белого шума на ее входе.

Рисунок 1.1 - Схема для определения отклика объекта диагностирования

Если на вход диагностируемой схемы кроме белого шума подать напряжение , то на ее выходе получим суммарный сигнал

,

где - составляющая выходного напряжения в результате подачи на вход контролируемой схемы сигнала ;

- составляющая выходного напряжения в результате подачи на вход контролируемой схемы сигнала белого шума.

Взаимная корреляционная функция от напряжений и равна нулю, т.к. напряжение на вход коррелятора не подается.

По полученной функции h(t) определяют параметры диагностируемого объекта. В результате разложения ее в ряд Фурье и определения коэффициентов ряда определяем параметры радиокомпонентов в данном функциональном элементе. Предварительно необходимо определить соотношение между параметрами радиокомпонентов и коэффициентами ряда Фурье.

2 ОСОБЕННОСТИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЦИФРОВОЙ РЭА И СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

2.1 Характеристика систем диагностирования цифровой РЭА и средств вычислительной техники

В настоящее время быстро увеличивается число ЭВМ и других видов цифровой аппаратуры, находящихся в эксплуатации у населения. В результате возрастания сложности аппаратуры растет численность обслуживающего персонала и повышаются требования к его квалификации. Увеличение надежности цифровой техники приводит к тому, что поиск неисправных элементов и ремонт их производятся сравнительно редко. Поэтому наряду с повышением надежности цифровой техники наблюдается тенденция потери эксплуатационным персоналом определенных навыков отыскания и устранения неисправностей. Таким образом, возникает проблема обслуживания непрерывно усложняющихся вычислительных машин и других цифровых систем в условиях, когда не хватает персонала высокой квалификации.

Современная вычислительная техника решает эту проблему путем создания систем автоматического диагностирования неисправностей, которые призваны облегчать обслуживание и ускорить ремонт машин.

Система автоматического диагностирования представляет собой комплекс программных, микропрограммных и аппаратурных средств и справочной документации (диагностических справочников, инструкций, тестов).

Введем некоторые определения, которые потребуются в дальнейшем при описании различных систем автоматического диагностирования.

Различают системы тестового и функционального диагностирования. В системах тестового диагностирования (рисунок 2.1) воздействия на диагностируемое устройство поступают от средств диагностирования.

Рисунок 2.1 Схема системы тестового диагностирования

В системах функционального диагностирования (рисунок 2.1) воздействия, поступающие на диагностируемое устройство, заданы рабочим алгоритмом функционирования.

Рисунок 2.2 Схема системы функционального диагностирования

Классификация средств диагностирования приведена на рис. 2.3. В средних и больших ЭВМ используются, как правило, встроенные (специализированные) средства диагностирования. В микро-ЭВМ чаще используются встроенные средства подачи тестовых воздействий в внешние универсальные средства (например, сигнатурные анализаторы) для снятия ответов и анализа результатов.

Рис. 2.3 - Классификация средств автоматического диагностирования

Процесс диагностирования состоит из определенных частей (элементарных проверок), каждая из которых характеризуется подаваемым на устройство тестовым или рабочим воздействием и снимаемым с устройства ответом. Получаемое значение ответа (значения сигналов в контрольных точках) называется результатом элементарной проверки.

Объектом элементарной проверки назовем ту часть аппаратуры диагностируемого устройства, на проверку которой рассчитано тестовое или рабочее воздействие элементарной проверки.

Совокупность элементарных проверок, их последовательность и правила обработки результатов определяют алгоритм диагностирования.

Алгоритм диагностирования называется безусловным, если он задает одну фиксированную последовательность реализации элементарных проверок.

Рис 2.3. Процесс диагностирова- Рис. 2.4 Структурная схема встроен-

ния по принципу раскрутки. ных средств тестового диагности-

рования.

Алгоритм диагностирования называется условным, если он задает несколько различных последовательностей реализации элементарных проверок.

Средства диагностирования позволяют ЭВМ самостоятельно локализовать неисправность при условии исправности диагностического ядра, т. е. той части аппаратуры, которая должна быть заведомо работоспособной до начала процесса диагностирования.

При диагностировании ЭВМ наиболее широкое распространение получил принцип раскрутки, или принцип расширяющихся областей, заключающийся в том, что на каждом этапе диагностирования ядро и аппаратура уже проверенных исправных областей устройства представляют собой средства тестового диагностирования, а аппаратура очередной проверяемой области является объектом диагностирования.

Процесс диагностирования по принципу раскрутки, или расширяющихся областей, показан на рис. 2.3. Диагностическое ядро проверяет аппаратуру первой области, затем проверяется аппаратура второй области с использованием ядра и уже проверенной первой области и т.д.

Диагностическое ядро, или встроенные средства тестового диагностирования (СТД), выполняет следующие функции:

- загрузку диагностической информации;

- подачу тестовых воздействий на вход проверяемого блока;

- опрос ответов с выхода проверяемого блока;

- сравнение полученных ответов с ожидаемыми (эталонными);

- анализ и индикация результатов.

Для выполнения этих функций встроенные СТД в общем случае могут содержать:

- устройства ввода диагностической информации (УВ);

- накопители диагностической информации(Н);

- блок управления (БУ) чтением и выдачей тестовых воздействий, снятием ответа, анализом и выдачей результатов диагностирования;

- блок коммутации (БК), позволяющий соединить выходы диагностируемого блока с блоком сравнения;

- блок сравнения (БС);

- устройство вывода результатов диагностирования (УВР).

Под диагностической информацией понимаются тестовые воздействия, ожидаемые ответы, закодированные алгоритмы диагностирования. На рис. 2.4 приведена структурная схема встроенных средств тестового диагностирования.

Показанные на структурной схеме блоки и устройства могут быть частично или полностью совмещенными с диагностируемой аппаратурой. Например, в качестве устройств ввода могут использоваться внешние запоминающие устройства ЭВМ, в качестве накопителя — часть оперативной или управляющей памяти, в качестве блока управления — микропрограммное устройство управления ЭВМ, в качестве блока сравнения — имеющиеся в ЭВМ схемы сравнения, в качестве блока коммутации — средства индикации состояния аппаратуры ЭВМ, в качестве устройства вывода результатов — средства индикации пульта управления или пишущая машинка.

Как видно из структурной схемы, приведенной на рис. 2.4, встроенные средства диагностирования имеют практически те же блоки и устройства, что и универсальные ЭВМ. И не удивительно, что с развитием интегральной микроэлектроники и массовым выпуском недорогих микропроцессоров и микро-ЭВМ их стали использовать в качестве средств диагностирования ЭВМ и другой РЭА. Такие специализированные процессоры, используемые в целях обслуживания и диагностирования ЭВМ, получили название сервисных процессоров (рис. 2.5). Благодаря своим универсальным возможностям и развитой периферии, включающей пультовый накопитель, клавиатуру, принтер и дисплей, сервисные процессоры обеспечивают комфортные условия работы и представление результатов диагностирования обслуживающему персоналу в максимально удобной форме.

Для классификации технических решений, используемых при реализации систем диагностирования, введем понятие метода диагностирования.

Метод диагностирования характеризуется объектом элементарной проверки, способом подачи воздействия и снятия ответа.

Существуют следующие методы тестового диагностирования:

двухэтапное диагностирование;

последовательное сканирование;

эталонные состояния;

микродиагностирование;

диагностирование, ориентированное на проверку сменных блоков.

Рис. 2.5 - Структурная схема средств тестового диагностирования на базе сервисного процессора

Рис 2.6 - Этапы проектирования систем тестового диагностирования

Методы функционального диагностирования включают в себя:

- диагностирование с помощью схем встроенного контроля;

- диагностирование с помощью самопроверяемого дублирования;

- диагностирование по регистрации состояния.

Процесс разработки систем диагностирования состоит из следующих этапов (рис. 2.6):

- выбора метода диагностирования;

- разработки аппаратурных средств диагностирования;

- разработки диагностических тестов;

- разработки диагностических справочников;

- проверки качества разработанной системы диагностирования.

Для сравнения различных систем диагностирования и оценки их качества чаще всего используются следующие показатели:

- вероятность обнаружения неисправности (F);

- вероятность правильного диагностирования (D).

Неисправность диагностирована правильно, если неисправный блок указан в разделе диагностического справочника, соответствующем коду останова. В противном случае неисправность считается обнаруженной, но нелокализованной. Для ЭВМ с развитой системой диагностирования Обычно F>0,95, D>0,90. В том случае, когда неисправность только обнаружена, необходимы дополнительные процедуры по ее локализации. Однако благодаря тем возможностям, которые система диагностирования предоставляет обслуживающему персоналу (возможность зацикливания тестового примера для осциллографирования, эталонные значения сигналов в схемах на каждом примере, возможность останова на требуемом такте), локализация неисправности после ее обнаружения не требует больших затрат времени;

Средняя продолжительность однократного диагностирования (т_д) включает в себя продолжительность выполнения вспомогательных операций диагностирования и продолжительность собственно диагностирования. Часто удобнее использовать коэффициент продолжительности диагностирования

где Т_в — время восстановления.

Коэффициент k_д показывает, какая часть времени восстановления остаемся на восстановительные процедуры. Так, например, если т_д= 15 мин, а Т_в= 60 мин, k_д= 1—15/60=0,75;

Глубина поиска дефекта (L) указывает составную часть диагностируемого устройства с точностью, до которой определяется место дефекта.

В ЭВМ за глубину поиска дефекта L принимается число предполагаемых неисправными сменных блоков (ТЭЗ), определяемое по формуле

где n_i — число предполагаемых неисправными сменных блоков (ТЭЗ) при 1-й неисправности;

N — общее число неисправностей.

В качестве показателя глубины поиска дефекта можно также использовать коэффициент глубины поиска дефекта k_г.п.д, определяющий долю неисправностей, локализуемых с точностью до М сменных блоков (ТЭЗ), М=l, 2, 3, ..., m.

Пусть d_i==l, если при i-й неисправности число подозреваемых сменных блоков не превышает М. В противном случае а_i=0. Тогда (n_i<M)

Для ЭВМ с развитой системой диагностирования для M<3 обычно k_г.п.д>0,9. Это означает, что для 90 % неисправностей число предполагаемых неисправными сменных блоков, указанных в диагностическом справочнике, не превышает трех; объем диагностического ядра h — доля той аппаратуры в общем объеме аппаратуры ЭВМ, которая должна быть заведомо исправной до начала процесса диагностирования. В качестве показателя объема диагностического ядра можно пользоваться также величиной

Для ЭВМ, использующих принцип раскрутки и метод микродиагностирования, H>0,9.

В качестве интегрального показателя системы диагностирования можно пользоваться коэффициентом

Для приведенных в качестве примеров количественных показателей системы диагностирования интегральный коэффициент

k_и = 0,95.0,90.0,75.0,90.0,90 = 0,51.