5.2. Средства поддержки процедур тестирования и поиска неисправностей

Предыдущие рекомендации связаны в основном с проблемами генерации эффективных тестовых наборов. Этот раздел содержит рекомендации, которые в основном имеют отношение к проблемам реализации тестового диагностирования и выполнения диагности­ческих процедур поиска неисправностей.

РЕКОМЕНДАЦИЯ 12

Компоновать монтажную схему так, чтобы эквивалентные неисправности размещались в одном и том же корпусе интегральной микросхемы

Если поиск неисправности основан на взаимосвязи реакции схемы с перечнем возможных неисправностей в словаре неисправ­ностей, то полезно эквивалентные неисправности сгруппировать так, чтобы они размещались в одной и той же микросхеме. В этом случае нет необходимости в дальнейшем уточнении места неисправности с помощью управляемого пробника. Пример такого подхода приведен на рис. 5.17,а.

Рис 5.17. Влияние эквивалентных неисправностей на точность ди­агностирования:

а – схема с эквивалентными неисправностями 1.1 п-к-1, 2.1 н-к-0, 2.2 н-к-1, б–одна микросхема SN74200, в – две микросхемы

В этой схеме неисправность н-к-1 в узле G1.1 обнаруживается таким же тестовым набором, как и эквивалентная ей пара неис­правностей G2.1 н-к-0 и G 2.2 н-к-1 инвертора G 2. Поэтому если при компоновке монтажной схемы нет каких-либо ограничений, то всю схему предпочтительнее реализовать на двухвходовых эле­ментах И-НЕ одной микросхемы (рис. 5.17,6), а не на трех вен­тилях И-НЕ одной микросхемы и одного инвертора другой микро­схемы (рис. 5.17,в).

На практике все еще есть необходимость идентифицировать источник неисправности с точностью до элемента замены, чтобы исключить проводник печатной платы как причину неисправности. Эта необходимость снижает положительный эффект рекоменда­ции, однако группирование эквивалентных неисправностей может быть полезным при определенных обстоятельствах, т. е. когда из­вестно, какое конкретное устройство подозревается неисправным. Это, в частности, справедливо для группы вентилей, выходы кото­рых соединены вместе либо в виде схемы монтажного ИЛИ, либо монтажного И.

РЕКОМЕНДАЦИЯ 13

Обеспечить возможность диагностическому оборудованию управлять цепью тактовой синхронизации

В схемах, содержащих автономные генераторы на печатной плате, внутреннюю тактовую синхронизацию обычно необходимо заменять внешней, обеспечиваемой диагностическим оборудовани­ем. Таким путем, если необходимо, можно сократить частоту функционирования схемы и свести его к одношаговым операциям. Способы замены внутреннего генератора тактовых импульсов по­казаны на рис. 5.18.

Рис. 5.18. Способы замены тактового генератора:

а – обычная структура; б – соединение перемычкой или контактным разъемом; в – блокировка тактового генератора

РЕКОМЕНДАЦИЯ 14

Избегать использования диагностически неразличимых групп элементов, таких, как проводное ИЛИ, проводное И и узлов с большим числом ветвлений

Узлы соединений проводного ИЛИ, проводного И и линии с высоким коэффициентом ветвлений создают неопределенность при поиске неисправного элемента. По возможности следует из­бегать таких схемных решений (рис. 5.19).

Кроме того, вентили, выходы которых соединены вместе, по­лезно сгруппировать по отдельным корпусам микросхем. Таким образом, если несколько вентилей подозреваются поврежденными в результате присутствия неисправности на общем выходом узле, то заменить необходимо только несколько корпусов (предпочти­тельнее один).

Рис. 5.19 Способы уменьшения неопределенности диагностирования

РЕКОМЕНДАЦИЯ 15

Разрывать длинные цепи на счетчиках

На рис. 5.20,а показан 16-разрядный счетчик, состоящий из двух 8-разрядных счетчиков. Для того чтобы проверить такой счет­чик полным тестом, необходимо подать 2¹⁶+1=65537 тактовых импульсов на частоте 50 кГц на эту процедуру потребляемую при­близительно 1,3 с. Теперь рассмотрим модифицированную схему, показанную на рис. 5.20,6. Каждый 8-разрядный счетчик этой схе­мы может быть проверен отдельно, и общее время ее проверки сократится до 2 Х(2⁸ + 1)Х 0,02мс, т. е. составит приблизительно 10 мс. Экономия времени тестирования имеет важное значение и приносит пользу сама по себе, но эта экономия полезна также тогда, когда счетчик необходимо устанавливать в определенное со­стояние для проверки других устройств, расположенных на плате. (В этом отношении независимый доступ и возможность предвари­тельной установки каждого счетчика весьма полезны.)

Рис. 5.20. Управляемый разрыв в структурах на счетчиках:

а – обычная структура; б – реализация независимого функционирования

РЕКОМЕНДАЦИЯ 16

Буферировать входы, чувствительные к фронту импульсного сигнала

Многие управляющие импульсы элементов памяти устройств, такие, как тактовые сигналы, должны иметь минимальные дли­тельности фронта и среза. Если эти сигналы поступают непосред­ственно с контактного разъема, то может оказаться, что необхо­димо ввести дополнительно буферное устройство (линейный уси­литель, триггер Шмитта или два инвертора) в интерфейс между печатной платой и тестером для формирования последним импульсов с требуемыми параметрами. О чем на самом деле говорит эта рекомендация? Устройства, которые запитываются импульсными сигналами и чувствительны к длительностям их фронтов или сре­зов, следует отделять от первичных входов и выходов буферами.

РЕКОМЕНДАЦИЯ 17

Внимательно следить, чтобы монтажная схема печатной платы и конструкция способствовали снижению утомляемости оператора и обеспечению непосредственного доступа к узлам схемы

Чтобы уменьшить утомляемость оператора в процессе поиска неисправностей с помощью ручного пробника на печатных платах различного типа, полезно размещать микросхемы на плате в ре­гулярном порядке (по рядам и столбцам) и ориентировать их стандартно, т. е. например, так, чтобы вывод 1 микросхемы рас­полагался в левом верхнем углу. Ошибки происходят также в тех случаях, когда оператор переходит от микросхемы с 14 выводами к микросхеме с 16 выводами, хотя трудно предложить решение этой проблемы. Можно отмечать все микросхемы с 16 выводами цветной меткой или размещать их в определенных столбцах пе­чатной платы.

Следует использовать стандартные соединительные контактные разъемы (например, с одним и тем же шагом), источники пита­ния и общие точки должны всегда находиться на одних и тех же позициях. Входы шины должны конструктивно располагаться ря­дом и группироваться в соответствии с входными и выходными шинами тестера. (Например, некоторые тестеры способны воздей­ствовать параллельно в каждый момент времени только на группу из 16 выводов.) Должна быть также четкая маркировка номера платы и уровня модификации; сетка обозначений на плате и мар­кировка любых дискретных элементов специальными идентифика­торами элементов (Rl, R2 и т. д.) предпочтительнее, чем справоч­ная сетка.

Все микросхемы и печатные проводники печатных плат, кото­рые должны диагностироваться с помощью управляемых пробни­ков, полезно для наблюдения располагать с одной стороны платы (хотя это невозможно для многослойных печатных плат). Наблю­даемость микросхем необходима для обычной работы с пробни­ком, наблюдаемость печатных дорожек необходима для измере­ний параметров соединений, чувствительных к току. При этом не­возможно проследить за печатным проводником, проходящим под корпусом микросхемы. Аналогично сквозные металлизированные отверстия (межслойные переходы) могут создавать трудности при отслеживании трасс. При использовании контактных щупов лю­бой формы следует избегать защитного изолирующего покрытия.

Не вынесенные на контактный разъем платы контрольные точ­ки должны группироваться на печатной плате вблизи друг от дру­га для упрощения интерфейса с помощью гибких проводов. Это можно сделать, используя дополнительные гнезда интегральных микросхем или располагая в ряд с регулярным шагом столбиковые выводы или штырьки для монтажа методом накрутки. В этом слу­чае доступ к контрольным точкам осуществляется через однокон­тактный наконечник, заканчивающийся соответствующей вилкой или гнездом.

Может появиться необходимость осуществить доступ к устрой­ству с помощью одно- или многоконтактного зажима (клипсы). В этом случае следует предпринять меры, чтобы обеспечить вокруг этого устройства пространство для сопряжения с зажимом. Обыч­но логические микросхемы не располагаются очень близко друг к другу, но иногда дискретные компоненты, такие, как согласующие резисторы и развязывающие конденсаторы, размещаются в непосредственной близости от микросхемы и затрудняют использование клипсы.

И, наконец, часто считают целесообразно устанавливать слож­ные микросхемы в специальные контактные гнезда так, что в про­цессе диагностирования микросхему можно было бы снять, и ес­ли обнаружено, что она неисправна, то заменить ее. В противовес этим достоинствам увеличивается опасность загиба выводов во время повторных установок микросхемы, неправильной ориента­ции и замены ее и возрастает установочное время тестирования, Если эти недостатки перевешивают достоинства установки микро­схем в контактные гнезда, то лучше выполнить монтаж микросхе­мы пайкой, обеспечивая при этом все меры электрической изоля­ции выводов. В любом случае, проходит или не проходит часть тестовой программы, устройство не должно удаляться с платы в процессе тестирования, даже если оно установлено в контактное гнездо.

РЕКОМЕНДАЦИЯ 18

Предусмотреть короткозамкнутые перемычки на печатном разъеме для проверки сопряжения печатной платы и тестера

На практике неплохо, чтобы оператор проверил правильность сопряжения и ориентации печатной платы перед началом выпол­нения тестовой программы. Однако полезно, чтобы самой програм­мой выполнялась эта проверка перед подключением источника пи­тания. Один из способов решения этой задачи заключается в уста­новке короткозамкнутой перемычки между двумя неиспользован­ными контактами печатного разъема. В этом случае с помощью тестовой программы можно проверить, существует ли эта перемычка, и продолжить затем выполнение программы (рис. 5.21)

Рис 5.21 Автоматическая проверка сопряжения печатной платы:

контакты разъема i и j замкнуты внут­ренней перемычкой на печатной плате, что позволяет проверить правильность их сопряжения перед включением питания. Такой способ значительно уменьшает опасность повреждения (печатной платы или тестера) в результате неправильного сопряжения.

РЕКОМЕНДАЦИЯ 19

Сохранять простоту интерфейса между печатной платой и тестером

Стандартный интерфейс между проверяемой платой и тестером содержит первичные входы, первичные выходы, которым соответ­ствует логический уровень согласования сигналов, включая согла­сование тестовых воздействий и реакций, и распределение источников питания. Кроме того, здесь могут быть другие интерфейс­ные средства, такие, как перекидные одно- и многоконтактные пробники, буферные устройства, зажимные компоненты, контакт­ные разъемы, расположенные с двух сторон платы, разъемы различных типов и внутриплатные соединительные разъемы. Хотя каждое из этих средств упрощает частную проблему тестирования, в совокупности они дополнительно усложняют эту процедуру с точ­ки зрения инженера-диагноста, и увеличивают объем тестового оборудования для проверки логических функций и затраты. Про­водники могут также представлять собой значительную емкост­ную нагрузку. Общая инженерная заповедь «сохраняй простоту» применима к данному случаю более чем где-нибудь.

РЕКОМЕНДАЦИЯ 20

Избегать смешанного использования логических элементов разных серий на одной плате

Логическим элементам различных серий требуются различные пороговые эталонные уровни логических сигналов на выводах приема и передачи и обычно различные уровни напряжений пита­ния. Поэтому использование двух или большего числа логических серий на одной и той же плате может значительно усложнить ин­терфейс. Если смешанная логика неизбежна, то имеется одно ре­шение: обеспечить совместимость всех первичных входов и пер­вичных выходов, по крайней мере, с серией ТТЛ.

РЕКОМЕНДАЦИЯ 21

Ограничить коэффициент разветвления устройства значением, которое на единицу меньше максимального

Если на выходе устройства включена максимальная нагрузка, то добавление нагрузки в виде управляемого пробника на этом узле при тестировании может перегрузить устройство и вызвать ис­кажение выходного сигнала. Чтобы исключить это, следует огра­ничивать коэффициенты разветвления устройств значениями, ко­торые на единицу меньше максимально допустимых.

РЕКОМЕНДАЦИЯ 22

Обеспечить функциональную полноту схемы, размещенной на печатной плате

Средства, такие, как схему регенерации МОП ЗУПВ, обеспечи­вающие независимость и функциональную полноту характеристик, необходимо размещать на той же самой плате, где расположена основная часть схемы, для которой предназначены эти средства. Это устраняет необходимость иметь их в тестере и решать следу­ющие проблемы:

а) обеспечивать одновременно цикл регенерации и выполнять процедуры тестирования, что возможно при определенных аппара­турных затратах и высоком быстродействии;

б) обеспечивать вызовы подпрограмм регенерации на уровне тестового диагностирования.

РЕКОМЕНДАЦИЯ 23

Знать предельные характеристики диагностического оборудования

В конечном счете, кристалл или плату приходится сопрягать электрически с тестером. Следовательно, важно знать и понимать предельные характеристики и возможности диагностического обо­рудования.

Важнейшими из них являются следующие:

А. Максимальная скорость, с которой на двунаправленном вы­воде могут изменяться режимы прием-передача. Это важный пара­метр, определяющий возможности тестирования двунаправленных линий.

Б. Возможность использовать так называемые «импульсные ловушки», позволяющие захватывать и измерять динамические процессы, такие, как импульсы малой длительности.

В. Возможность передавать данные в двух режимах: асимме­тричном, в котором в каждый момент времени изменяется сигнал на одном выводе, или блочном, в котором обеспечивается совмест­ное изменение сигналов на определенных выводах. Обычно используется асимметричный режим, но порой необходим блочный, например когда информация передается на множество линий ши­ны. Однако даже в блочном режиме существует некоторая асим­метрия изменений сигналов между отдельными выводами. Эта асимметрия может быть существенной для быстродействующих шин.

Г. Максимальная скорость изменения сигналов из 0 в 1 и из 1 в 0 на выводе при передаче информации, которая обычно опреде­ляется временем нарастания и спада выходного напряжения опе­рационного усилителя. Эти времена могут быть различными для отдельных выводов, но в любом случае должна обеспечиваться возможность установки на каждом из них максимальной скорости изменений сигналов.

Д. Возможность идентифицировать в проверяемой схеме логи­ческие значения 0 и 1 по одному или двум установленным порого­вым уровням в режиме приема информации. Очевидно, эти поро­говые значения должны программироваться, что в некоторых слу­чаях необходимо для переопределения логических значений во время выполнения тестовой программы.

Е. Возможность использовать средства синхронизации проверя­емой схемы. Если проверяемая схема содержит внутренний неза­висимый генератор, то полезно, чтобы операции в тестере синхро­низировались с частотой этого генератора.

Ж. Возможность тестера использовать остановки в процессе тестирования, связанные с необходимостью выполнения в прове­ряемом устройстве фоновых операций, таких, как цикл регенера­ции данных в МОП ОЗУ. Тестер должен иметь возможность выполнять в это время другие полезные тестовые процедуры.

3. Возможность стабилизировать процессы, что является важной характеристикой тестера. Стробирование определяет моменты вре­мени, в которые сигналы передаются через согласующие цепи на проверяемую схему, и моменты времени, в которые сигналы, при­ходящие с проверяемой схемы, улавливаются измерительными преобразователями тестера. Необходимо иметь возможность изме­нять длительность строб-импульса (для согласования с време­нем задержки сигналов, распространяющихся через проверяемую схему) и частоту стробирования (для выполнения необходимые условий при измерении динамических параметров). Длительность стробирующего импульса и его частота должны иметь минималь­ные и максимальные пределы значений.

И. Предельные электрические параметры на выводах тестера «передача-прием», такие, как максимальный ток источника и сто­ка; максимальные положительные и отрицательные перепады на­пряжений; пределы изменений напряжений логического нуля я единицы при приеме и передаче данных; нагрузочные характери­стики (а также возможность проверки емкостной нагрузки интер­фейсных проводов).

К. Возможность проверки согласующих резисторов, подключа­ющих выводы тестера к источнику питания или общей шине. Это требуется для проверки третьего состояния и узлов элементов с открытым коллектором.

РЕКОМЕНДАЦИЯ 24

Обращать специальное внимание на платы, которые должны проверяться с помощью внутрисхемного тестирования

В настоящее время внутрисхемное тестирование смонтирован­ных печатных плат является полезным и популярным методом поиска дефектов, вносимых в процессе производства сборочных работ. Цель этого способа – проверить каждое устройство на плате, аналоговое и цифровое, изолированно от всех других уст­ройств, размещенных на плате. Электрическое подключение к ус­тройству осуществляется с помощью специального приспособле­ния, называемого «ложе из гвоздей», которое обеспечивает прямой контакт между выводами тестера и той стороной печатной платы, на которой отсутствуют компоненты. Контактные иголки тестера непосредственно подсоединяются либо к местам пайки выводов компонентов, либо к контактным площадкам, соединенным с ком­понентами платы. Пассивные аналоговые компоненты электриче­ски изолируются от остальной схемы специальными методами. Цифровые устройства изолируются путем управле­ния компонентами, с которыми соединяется проверяемое устройство. Это управление осуществляется методом «перевешивания» сигналов, прикладываемых тестером к контрольной точке, описанного ранее в этой главе (см. рис. 5.2). В соответствии с методоло­гией тестирования сначала проверяется наличие в схеме разрывов и короткозамкнутых цепей (при отключенном питании), а затем к плате подключается напряжение питания и каждое устройство проверяется отдельно с помощью множества заранее определен­ных стандартных тестов. Считается, что любая неисправность при такой проверке вызывается дефектом проверяемого устройства или соседних устройств, электрически связанных с проверяемым.

Главная цель внутрисхемного тестирования заключается в об­наружении дефектов, появляющихся в процессе производства пла­ты. Этот метод не обеспечивает проверку правильности функцио­нирования всей платы в целом, т. е. коллективное взаимодействие и функционирование устройств платы. Эта проверка выполняется на следующем этапе с помощью тестера, подключаемого к разъ­ему печатной платы, или системы, заменяющей тестер.

Ввиду важности внутрисхемного тестирования следует рассмо­треть все специфические конструкторско-технологические и произ­водственные особенности, улучшающие тестопригодность. Конеч­но, многие из рекомендаций, рассмотренные ранее, могут быть все еще полезными (как будет показано далее), но имеется ряд реко­мендаций, которые связаны только с особенностями внутрисхемно­го тестирования плат. Эти рекомендации перечислены ниже. Боль­шинство из них связано с максимизацией доступа к внутрисхем­ным элементам на основе тщательного анализа топологии и конст­рукции печатной платы; другие в большей степени касаются улуч­шения электрических характеристик при реализации тестирова­ния.

А. Обязать разработчиков устанавливать все компоненты толь­ко на одной стороне печатной платы. Зондирование с помощью ва­куумных присосок тестера становится затруднительным, даже не­возможным, если компоненты размещены на стороне зондов.

Б. При сверлении отверстий в печатной плате необходимо со­блюдать строгое позиционирование, чтобы обеспечить точное со­пряжение с контактным полем тестера. В действительности многие проблемы использования внутрисхемного тестирования обуслов­лены неправильным сопряжением, вызывающим ненадежный элек­трический контакт.

В. В случае контактирования через площадку печатного про­водника последнюю следует размещать как можно ближе к выводу проверяемой микросхемы, чтобы уменьшить влияние дополнитель­ной нагрузки. Импульсная реакция узлов, расположенных рядом с проверяемым устройством, может вызвать эффект обратного воз­действия этих узлов на входы проверяемого устройства, что при­водит к ошибочным результатам процедуры тестирования. Веро­ятность такого эффекта заметно возрастает для быстродействую­щих логических устройств с низким уровнем помехозащищеннос­ти, таких, как ЭСЛ, для которых каждый путь передачи сигналов необходимо рассматривать как линию передачи.

Г. Специфическое применение устройства в схеме не должно препятствовать его использованию в качестве средства поддерж­ки процедуры тестирования. Зачастую не все функциональные возможности устройства используются в схеме. Как правило, имеются незадействованные входы и вентили. Способы, с помо­щью которых развязываются входы, не должны ограничивать воз­можность управления ими, если в этом появится необходимость (как уже обсуждалось в рекомендации 11). Кроме того, выводы незадействованных устройств или вентилей должны соединяться с развязывающими цепями через некомпонентную сторону печат­ной платы, что позволяет подключаться к ним через контактные иголки тестера. (Здесь возникает интересный философский вопрос. Следует ли при внутрисхемном тестировании проверять устройство, исходя только из особенностей его конкретного применения в схе­ме и выполняемых им функций, или проверять его полным тестом, не учитывая особенностей использования в данной схеме? Четы­рехразрядный двоичный счетчик (например, SN74161) использует­ся для подсчета импульсов только из одного начального состояния (все триггеры в состоянии 0). Таким образом, четыре входа пред­варительной установки в любое начальное состояние не использу­ются и развязаны через согласующие резисторы. Если прошли все тесты, кроме тестов, проверяющих правильность установки, то следует ли рассматривать счетчик как исправный или как неис­правный? Ответ не однозначный. Он определяется соотношением между воспринимаемой неисправностью и реальным механизмом дефекта и тем, раскрывает ли объект тестирования все механиз­мы дефекта или только те дефекты, которые могут влиять на пра­вильность функционирования.)

Д. Внимательно следить, чтобы не было слишком много обры­вов в структуре заземления. В условиях внутрисхемного тестиро­вания через выходы устройств протекают значительные импульс­ные токи, которые могут наводить шумовые выбросы на шине за­земления. Эти выбросы могут вызывать непредвиденные переходные процессы в какой-либо части схемы, которые будут воспри­ниматься, как проявления неисправности. Это особенно справедли­во для логических элементов с низким уровнем помехозащищенно­сти, таких, как ЭСЛ.

Е Аналогично некоторые буферные устройства, такие, как SN74S37 или SN74S240, могут быть источниками или приемника­ми больших токов. Если эти устройства связаны с проверяемым устройством, то существует опасность появления в процессе тести­рования переходных процессов, которые могут изменить условия тестирования и, следовательно, его результата. Поэтому такие ус­тройства целесообразно поддерживать в состоянии их «наимень­шей агрессивности» (на выходе SN74S37 состояние логической еди­ницы, выход SN74S240 в третьем состоянии). При проектировании схемы следует предусматривать возможность простой установки этого состояния.

И, наконец, многие из предыдущих рекомендаций находят кон­кретное применение в тестерах, реализующих внутрисхемное тести­рование. В частности, это рекомендации 6 (относительно началь­ной установки), 7 (о разрыве цепей обратной связи), 9 (относи­тельно проектирования для серийного производства), 10 (о зави­симости тестирования от информации ПЗУ и ПЛМ), 11 (об ис­пользовании свободных выводов), 13 (об управлении цепью такто­вой синхронизации), 17 (касающаяся вопросов топологии и мон­тажа печатных плат, таких, как ориентация, маркирование, уста­новка контактных гнезд) и 23 (о предельных характеристиках и возможностях диагностического оборудования).

РЕКОМЕНДАЦИЯ 25

Выпускать четкую конструкторско-технологическую документацию

Последнее, но не менее важное, инженер-разработчик должен выдать четкую конструкторско-технологическую документацию по проекту схемы. В частности, документация должна содержать сле­дующее:

а) полную Функциональную спецификацию схемы, включающую пояснения к обозначениям сигналов там, где они неоднозначны;

б) временные диаграммы и допустимые отклонения, поясняю­щие результаты управляющих воздействий;

в) детальные описания обрамления схемы и обозначения всех частей разрабатываемого изделия, которые в будущем могут быть усовершенствованы;

г) четкие чертежи логических схем с обозначением главных и второстепенных цепей обратной связи и пояснением всех нестан­дартных логических элементов обозначений;

д) детальные описания требований к источникам питания, та­ких, как последовательность операций для многоуровневых питаю­щих напряжений, максимальный ток нагрузки и потребления, лю­бые специальные уровни напряжений;

е) функции ПЗУ и ПЛМ должны быть представлены в форме булевых выражений. Если эти выражения не найдены, то следует представить в шестнадцатеричной форме распечатки таблиц ис­тинности.

ж) рекомендуемую методологию тестирования, самотестирова­ния и детали всех принятых мер защиты от неисправностей, отка­зобезопасности и отказоустойчивости.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Беннетс. Проектирование тестопригодных логических схем / пер. с англ. –М.: Радио и связь, 1990.

2. Вуд А. Микропроцессоры в вопросах и ответах / пер. с англ. под ред. Д.А. Поспелова.-М.: Энергоатомиздат, 1985.

3. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы.-М.: Энергия, 1979