Рекомендации по «а может дефекта нет?»

• Изучить описание и проверить тест-программы на еще работающей МПС:

когда подозревается отказ, часто много информации о системе можно получить, не снимая крышек оборудова­ния, однако очень вероятно, что «тщательный осмотр» не покажет причину отказа, и исследователю придется глубже разби­раться в системе. К сожалению, многие в этой ситуации. следуют правилу: «если что-то неисправно, надо посмот­реть описание системы». Такой, в принципе, плохой, но широко распространенный подход для микропроцессор­ных систем имеет еще меньше смысла, чем для обычных цифровых систем. В описании обычно есть целый набор тестовых процедур, специальные переключатели, пере­мычки и индикаторы, которые только и ждут, чтобы ими воспользовались. Персонал должен познакомиться со все­ми этими средствами до возникновения в системе каких-либо отказов и опробовать тест-программы на исправной системе, чтобы знать возможные реакции. Все микросхе­мы похожи друг на друга, и исследователь должен узнать из описания системы по руководству пользователя, где находятся такие важнейшие компоненты, как микропро­цессор, ЗУПВ, ПЗУ, ВВ, дешифраторы адреса, генератор синхронизации и контроллер прерываний.

• Прежде всего обращаться к тем компонентам, которые можно проверить и заменить относительно легко. Простые компоненты отказывают с такой же вероятностью, как и сложные; примером может служить блок питания. Это самый ненадежный элемент любого изделия и в то же время наиболее просто проверяемый. Выход напряжения за допустимые пределы может вы­звать хаотичное поведение системы, поэтому проверка прежде всего уровней напряжения сэкономит много вре­мени.

• Произвести внешний осмотр (разъемы), грязные пе­чатные платы и кабельные соединения вызывают в сис­теме чрезмерный шум (обычно низкочастотный). Эти дефекты обычно можно обнаружить внешним осмотром или прикосновением. Целесообразно с известной осто­рожностью осуществить проверку, называемую странным термином «калиброванный кулак», при которой произво­дится легкое постукивание по механическим узлам системы (покачивание, изгибание платы поможет обнаружить плохой контакт в разъеме, неплотно вставленные БИС в панельки и разорванные печатные проводники). Большинство таких отказов быстро устраняет­ся. Описанные приемы надо Использовать осторожно, чтобы не усугублять ситуацию.

• Рекомендуется вести журнал проверок МПС, в котором указывается характер отказа и его причина. В случае повторения отказа по журналу быстро устанав­ливается его причина. Журнал особенно полезен, если эксплуатируется несколько аналогичных систем, в которых обычно возникают одни и те же отказы.

Срок службы ис

В любой микропроцессорной системе имеется множе­ство интегральных схем (ИС) — от простых элементов до таких сложных больших интегральных схем (БИС), как микропроцессор. В общем, отказы интегральных схем возникают по нескольким известным причинам и локализуются в тех секциях, которые подключены к «внешнему миру»; именно они больше всего подвержены электрическим нагрузкам и рассеивают наибольшую мощность.

Интегральная схема производится на предприятии и приобретается изготовителем изделия, который встав­ляет ее в печатную плату, а сама плата устанавливается в изделие. Изделие поставляется заказчику и остается у него на весь срок службы. Нечего и говорить, что срок службы некоторых ИС оказывается довольно коротким.

Без специальной оговорки ИС поставляются с пред­приятия только с выборочным контролем, т.е. с произ­водственной линии для контроля берутся отдельные об­разцы. Если процент брака не превышает допустимого, поставляется вся партия.

Примерно 2% ИС, поставляемых заказчикам, ока­зываются дефектными. Входной контроль ИС на специ­альном тестере оценивается примерно в 4 коп за шт. (в зависимости от серии), затем идет установка ИС в печатную плату, где расходы на поиск отказа и ремонт возрастают примерно в 10 раз, затем сборка МПС, куда может попасть дефектная микросхема, и, наконец, эксплуатация, в условиях которой возможно придется производить замену дефектной ИС. В общем, расходы на поиск неисправной ИС на каждом этапе от ее приобретения до эксплуатации увеличивается примерно в 10 раз.

Очевидно, экономи­ческие соображения настоятельно требуют выявления дефектных компонентов как можно раньше. Многие из­готовители систем не производят входной контроль ком­понентов и полагаются на долгосрочные испытания из­делия. Они осуществляются на уровне печатных плат и заключаются в длительной работе оборудования, часто при повышенной температуре для ускорения проявления отказов компонентов.

Кривая интенсивности отказов ИС напоминает «по­перечное сечение ванны». Сразу после выпуска ИС под­вержены отказам по многим причинам, среди которых укажем плохую герметизацию корпуса, ненадежные внешние соединения, чувствительность к кодовым ком­бинациям при повышенной температуре и др. Период приработки в 100 ч обычно вызывает отказы в критич­ных микросхемах, которые могли пройти все первона­чальные проверки. Если ИС «выживает» первые 100 ч своего срока службы, в течение последующих восьми лет вероятность ее отказа мала. Постоянные- электрические нагрузки в течение срока службы увеличивают вероят­ность отказа, что объясняет «загибание» вверх кривой интенсивности отказов. Перегрузка, даже кратковремен­ная, ускоряет процесс «старения»; примером служат от­казы из-за частого репрограммирования СППЗУ.

Интегральная схема представляет собой корпус, в ко­тором размещен кристалл кремния. Соединения между выводами корпуса и контактными площадками на кри­сталле выполняются золотыми проводниками с помощью ультразвуковой сварки. Наиболее вероятный отказ в ИС — это разрыв проводника, вызванный либо механи­ческой вибрацией, либо чрезмерным током. Воздействие такого отказа на схему, в которой находится неисправ­ная ИС, зависит от того, является отказавшее соедине­ние входным или выходным. Отказавшее входное соеди­нение блокирует распространение сигнала, и его можно обнаружить, только отмечая отсутствие влияния измене­ния входного сигнала на какой-то выход микросхемы. Отказавшее выходное соединение в случае ТТЛ-схем проявляет себя как неопределенный логический уровень с напряжением около 1,5 В.

Еще три вида отказов возникают внутри самой ИС. Входной или выходной вывод может быть закорочен на питание V_cc или на землю; появляется короткое замыка­ние между двумя выводами, но без замыкания на V_cс или на землю, или возникает отказ во внутренних эле­ментах ИС.

Отказ наиболее вероятен при первом включении из­делия на предприятии, когда отказать может что угод­но. Типичными отказами, появляющимися после сборки изделия, являются «выбросы» припоя, закорачивающие печатные проводники, неправильные размещения микро­схем и плохие контакты. Изделия, отказавшие при экс­плуатации, когда-то работали некоторое время; отказы, наиболее распространенные в производстве, обычно мо­жно устранить с помощью простых принадлежностей.

Тестирование нагрузками заключается в том, чтобы установить один из параметров окружающей среды выше нормальных рабочих пределов и проанализировать его воздействие на схему.

Для электронного оборудования применяются три вида испытаний:

1. Систему можно подвергнуть механическому воздействию путем постукивания, изгибания или скручивания. Такая проверка часто применя­ется в тех случаях, когда перемежающийся отказ из-за окислившегося краевого разъема, плохого контакта ИС в панельке или потускневшего вывода ИС вызывает хаотичное поведение системы. Цель – временно улучшить или ухудшить проявление отказа, что в любом случае помогает установить его причину. Например, тончайший разрыв печатного проводника, видимый только через увеличительное стекло, при скру­чивании платы либо дает соединение, либо становится шире. Скручивание и изгибание платы заставляют от­каз появляться или исчезать, а это является признаком либо разрыва печатного проводника, либо наличия в панельке ИС потускневшего или отошедшего контакта. Потускневшие контакты легко очищаются таким из­вестным средством, как карандашная стиральная ре­зинка. Конечно, применять механические нагрузки следует весьма осторожно, так как чрезмерное усердие может привести к появлению новых отказов. Однако способы «калиброванного кулака», скручивания и изгибания плат не отвергаются и при умелом применении часто могут указать тип отказа в системе и его возможное местона­хождение;

2. Компоненты иногда выходят из строя из-за постепенного нагрева при внутреннем отказе, но до некоторого температурного предела работают исправно (тепловой прибой). Система с таким компонентом работоспособна до тех пор, пока микросхема не перегреется. Нагревшуюся микросхему легко обнаружить путем прикосновения. Временно пере­грев можно устранить, охладив подозреваемую микро­схему с помощью охлаждающего пульверизатора. ИС может работать на пределе и небольшое повышение температуры частично или полно­стью выводит ее из строя. Такой режим можно получить искусственно с помощью фена, повысив температуру до появления, отказа. Температурное воздействие заключается в изменении температуры окружающей среды сверх обычных рабочих значений, чтобы вызвать отказ или временно отдалить его. Охлаждение с помощью пульверизатора оказывает­ся более локальным, так как поток горячего воздуха от фена гораздо шире. Выявить на плате микросхему, ко­торая работает с повышенной температурой (гораздо го­рячее остальных), можно путем касания, хотя некоторые микросхемы даже при нормальной работе нагреваются сильнее, чем можно предположить. Микросхемы одного и того же типа рассеивают различную мощность из-за разной рабочей частоты, поэтому сравнение их относи­тельных температур может привести к неверным выво­дам. Дефектная микросхема может даже обжечь паль­цы, поэтому касаться микросхем нужно осторожно.

3. Электрическое воздействие заключается в изменении подаваемых в МПС напряжений либо для определения ее рабочего диапазона, либо для локализации ИС, работающих на пределе. Пользоваться способом с большой осторожностью, т.к. пере­грузка может вызвать катастрофические отказы многих компонентов. В тщательно спроектированной системе такое испытание не требуется, так как в ней на все мик­росхемы подается номинальное напряжение в пределах допусков, определенных в спецификациях. Наиболее вероятной причиной работы ИС на пределе является понижение напряжения питания до нижнего допустимого значения. Необходимо измерить напряжение пи­тания в работающей системе и привести его к номиналу.

Локализация отказов ( без КПА, метод произвольной логики).

Для выявления дефекта (причины отказа, неисправности) необходимо локализовать неисправность с точностью до конкретного узла системы. Поиск идет «сверху вниз», где вначале имеется неисправная система и она расчленя­ется на подсистемы, в одной из которых находится от­каз. В зависимости от МПС для локализации отказа может потребоваться разделить каждую подсистему на меньшие подсистемы, Очевидно, что способ локализации отказа зависит от конструкции системы.

Контроллеры УВВ и периферийные аналоговые схемы часто имеют большую интенсивность отказов, чем цифровые схемы МПС. Объясняется это более высокими требованиями по быстродействию и рассеиваемой мощности, более высокими рабочими температура­ми, чувствительностью, точностью, временным и температурным дрейфом регулировок, внешними перегрузками и меньшими диапазонами безопасной работы. Слож­ные аналоговые микросхемы с высокой плотностью упа­ковки, используемые в интерфейсе микрокомпьютера, часто работают вблизи предельных значений параметров для достижения максимальной производительности.

Для проверки цифровой части системы при подозрении в отказе нужно:

• проверить наличие сигналов синхронизации

• проверить сигналы в магистрали

Отсутствие актив­ности свидетельствует о возможном отказе.

Типичный отказ в цифровой ИС – разрыв во входном или выходном выводе. Ког­да подозревается такой отказ, целесообразно изолиро­вать вывод от остальных схем. Быстрый и не разрушающий способ изолирования заключается в том, чтобы от­сосать припой из отверстия, в котором находится вывод, с помощью специального приспособления. После этого вывод, отгибается в центр отверстия, чтобы он нигде не касался медного проводника. Конечно, эта процедура довольно затруднительна, но вывод можно просто вы­тащить из отверстия. После этого вывод следует прове­рить на наличие сигналов; при подозрительном выход­ном выводе рекомендуется закорачивать его площадку на печатной плате на напряжение питания V_cc или на землю и проверять схемы в тракте распространения сиг­нала.

Если некоторые модули (платы) можно удалить с сохранением работоспособности базовой системы, то этой процедурой можно воспользовать­ся для контроля функционирования узлов МПС. В системе может быть предусмотрен режим свободного счета, позволяющий проверить работу ядра системы по активности шины адреса и работу ПЗУ.

Плату удлинителя с переключателями на сигнальных линиях и шинах можно использовать для разрыва выбранных сигнальных трактов между отдельным модулем (или платой) и МПС → для устранения трактов обратной связи и «зависших шин». Еще более простой способ разрыва сигнальных трактов, проходящих через краевой разъем, заключается в том, чтобы поместить в нужные контакты разъема кусочек изолирующей ленты.

Отыскивать неисправности в петлях цифровой обрат­ной связи довольно трудно, так как ошибки распростра­няются по этим петлям. В петле обратной связи с непра­вильным выходным сигналом он посылается на вход, что в свою очередь приводит к получению неверного сиг­нала на выходе. Разрыв тракта обратной связи предот­вращает такое действие, и, следовательно, при задании управляемых сигналов на входах можно проследить их прохождение со входа на выход. Однако зачастую не так легко обеспечить подачу требуемых входных сигналов, так как при этом требуется одновременно управлять большим числом линий, связанных с проверяемым вхо­дом.

Иногда микросхемы удается динамически проверить на месте с помощью цифрового компаратора. Прибор подключается к подозреваемой микросхеме, и в него вставляется заведомо исправная микросхема, аналогич­ная проверяемой. После этого компаратор сравнивает работу двух микросхем и индицирует несовпадение сиг­налов. Цифровой компаратор позволяет проверить боль­шинство ТТЛ-микросхем в рабочих условиях, но, конеч­но, для каждой используемой микросхемы требуется аналогичная запасная.

Методы и средства поиска неисправностей, применя­емые в изделиях, реализованных на основе так называе­мой «произвольной логики», малоэффективны для мик­ропроцессорных систем, так как для получения содержа­тельной информации о работе компьютера необходимо одновременно анализировать большое число сигналов. Для эффективного сокращения времени на локализа­цию и устранение отказа в систему встраиваются такие средства, как схемы контроля питания, диагностические программы, индикаторы правильного функционирования системы и сигнатурный анализ.

Если схемные платы в системе можно легко удалять и заменять на заведомо исправные, следует воспользо­ваться этой возможностью и изолировать отказ до од­ной схемной платы. Когда в системе применяются не­сколько идентичных схемных плат, например платы па­мяти в системе с шиной S100, то для проверки можно поменять их друг с другом. Конечно, здесь имеется риск повредить исправную плату, если отказ является след­ствием, а не причиной. При этом в заменяющей плате возникают те же проблемы, что и в первой, дефектной плате. Во всех случаях замену плат необходимо проводить с выключенным питанием, чтобы избежать повреж­дений микросхем из-за электрических перегрузок.

При наличии идентичной системы для локализации отказа производится функциональное сравнение. Оно полезно в том случае, когда неясно, существует ли от­каз, — на самом деле это может быть особенность про­изводства или конструктивное ограничение.

Если подозрение падает на микросхему в панельке, попробуйте до замены покачать ее, чтобы устранить пло­хие контакты. Последней подозреваемой микросхемой является микропроцессор, но часто именно его стара­ются заменить прежде всего. Интенсивность отказов микропроцессоров очень низка; однако они являются сложными приборами, и проверить их работу затрудни­тельно. Такая же ситуация характерна для всех БИС, применяемых в микропроцессорных системах. В случае опытного образца или новой модели микросхемы может возникнуть явление, называемое «нехарактерным пове­дением», — микросхема, имеющая параметры, близкие к предельным, случайно выходит за пределы и начинает работать хаотически. Отказ такого типа очень трудно локализовать, так как он возникает только в определен­ных ситуациях и даже не всегда.