Полная версия

Главная arrow Строительство arrow Диагностирование, ремонт и техническое обслуживание систем управления бытовых машин и приборов

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Обобщенная структурная схема системы контроля и диагностирования

В аппаратуре для внутрисхемного контроля и диагностирования необходимо реализовать ряд специальных функций, не свойственных обычным измерительным приборам в полной мере. Рассмотрим обобщенную структурную схему автоматической системы контроля и диагностирования (АСКД) электронной аппаратуры (рисунок 5.4), особенности построения которой характерны также для автоматизированных и ручных тестеров внутрисхемного контроля.

В общем случае в АСКД входят устройство контактирования УК с объектом диагностирования, коммутатор К, узел фиксации неисправностей УФН, программирующее устройство ПУ и узлы измерительной подсистемы: преобразователь параметр — унифицированный сигнал ППС, узел сравнения УС, формирователь опорных сигналов ФОС.

— Структура автоматической системы контроля и диагностирования

Рисунок 5.4 — Структура автоматической системы контроля и диагностирования

Устройство контактирования обеспечивает электрический контакт с контрольными точками (полюсами) объекта диагностирования ОД. Коммутатор служит для выбора на каждой контрольной операции контрольных точек ОД и подключения их к ППС в соответствии с программой диагностирования. ППС осуществляет восприятие разнообразных контролируемых величин х. и преобразование их к единому виду Ах, удобному для сравнения в УС с граничным значением Д., сформированным в ФОС. Результат сравнения поступает в узел фиксации неисправностей УФН. УФН в зависимости от результата сравнения принимает решение о принадлежности контролируемого параметра к одной из качественно различных областей состояния: “годен”, т. е. значение параметра в норме, “значение параметра больше нормы”, “значение параметра меньше нормы”, “брак исправимый”, “брак неисправимый” и т. п. Программирующее устройство ПУ осуществляет управление работой всей АСКД. Оно задает номера и последовательность точек, подключаемых к ППС через УК и К, режим работы ППС, значение опорного сигнала, формируемого ФОС, логику работы УФН. Программа диагностирования может модифицироваться в зависимости от результатов выполнения отдельных операций, зафиксированных УФН.

В ручных диагностических тестерах коммутатор и программирующее устройство обычно не используются, выбор контрольных точек и порядок их подключения определяются оператором. Принятие решения о соответствии параметра норме, как правило, возлагается на оператора.

Технические характеристики АСКД зависят от вариантов исполнения основных узлов. Рассмотрим их.

В автоматизированных системах используются три основных варианта исполнения узла контактирования. На рисунке 5.5 схематично показана конструкция традиционного контактрона типа “ложе из гвоздей”, представляющего собой матрицу подпружиненных контактирующих штифтов (зондов), с наконечниками специальной формы, обеспечивающими контакт с печатным узлом в точках припайки компонентов.

Основным недостатком рассмотренного типа контактирующего устройства являются невозможность обеспечения двухстороннего контактирования с печатным узлом. Кроме того,

— Схема контактрона “ложе из гвоздей”

Рисунок 5.5 — Схема контактрона “ложе из гвоздей”

использование десятков тысяч контактирующих штифтов приводит к необходимости обеспечения давление прессовой платы, достигающего нескольких тонн. Наличие большого числа зондов ведет также к значительному усложнению коммутатора и кабеля, соединяющего его с контактами. Паразитные параметры кабеля, такие как распределенные межпроводниковые емкости, сопротивление и индуктивность проводников, значительно увеличивают время контрольных операций и вызывают искажения тестовых и контролируемых сигналов.

Тенденцией развития печатных узлов является применение многослойных печатных плат с двухсторонним поверхностным монтажом, уменьшение размеров компонентов и тестовых контактов. Для таких узлов могут применяться контактроны с роботизированными (управляемыми) зондами. На рисунке 5.6 схематично показана конструкция контактрона с управляемыми зондами, а на рисунке 5.7 — общий вид одного из промышленных контактронов.

Используют от четырех до восьми зондов. Зондовые головки имеют возможность перемещения по программе по трем

— Схема контактрона с управляемыми зондами

Рисунок 5.6 — Схема контактрона с управляемыми зондами

— Вид контактрона с управляемыми зондами

Рисунок 5.7 — Вид контактрона с управляемыми зондами

координатам X, Y и Z с шагом менее 1 мм. В некоторых модификациях одновременно может перемещаться на транспортере сам диагностируемый печатный узел. Контактирование осуществляется в моменты остановок. Таким образом последовательно зондируются все контрольные точки. Зонды могут контактировать не только с контрольными точками, но и с выводами компонентов, соединителями, перемычками.

Недостатками контактронов с управляемыми зондами является снижение производительности и наработки на отказ изза наличия движущихся частей по сравнению с ранее рассмотренным вариантом.

Компромиссным вариантом, сочетающим достоинства ранее рассмотренных конструкций, является использование “летающих матриц” (рисунок 5.8).

— Схема контактрона с “летающими матрицами”

Рисунок 5.8 — Схема контактрона с “летающими матрицами”

В четырех матрицах сгруппированы зонды, имеющие соленоидный привод перемещения по вертикали и расположенные со сравнительно большим шагом до 25 мм. Матрицы располагаются по обе стороны от диагностируемого печатного узла и имеют возможность перемещения по программе по координатам X и Y с шагом менее 1 мм. Обычно с каждой стороны располагаются большая матрица, содержащая до 300 зондов, и малая — с 50- 100 зондами. Такой контактрон позволяет проводить контроль одновременно нескольких цепей печатного узла. Для изменения точек контактирования требуется сравнительно небольшое перемещение матриц, которое производится с высокой скоростью.

В ручных тестерах для контактирования применяют щупы (рисунок 5.9), специальные захватики, навесные контактные приспособления типа “клипса” (рисунок 5.10), которые надеваются сверху на микросхему, обеспечивая контактирование со всеми ее выводами, и т. п.

Для построения коммутаторов используются транзисторные матрицы ключей. Их важнейшие характеристики — сопротивление открытого и закрытого ключа. Сопротивления достигают, соответственно, от десятых до сотых долей Ома и от сотен кОм до десятков МОм.

— Контактные щупы для ручных средств диагнострования

Рисунок 5.9 — Контактные щупы для ручных средств диагнострования

— Контактное приспособления типа “клипса”

Рисунок 5.10 — Контактное приспособления типа “клипса”

В качестве программирующего устройства применяются персональные и промышленные компьютеры или микроконтроллеры. Для фиксации неисправностей могут использоваться все типы памяти, индикаторные панели или монитор.

В состав ППС входят источник воздействий ИВ на объект диагностирования, измерительная схема ИС, в которой под действием электрической энергии ИВ происходит преобразование пассивных контролируемых величин в активные, и унифицирующие преобразователи УП активных величин к виду, удобному для последующего сравнения с опорными сигналами ФОС.

Метрологические характеристики АСКД в значительной степени определяются принципом построения и узлами измерительной подсистемы, включающей в себя ППС, УС и ФОС. Возможны четыре варианта построения измерительной подсистемы, отличающиеся тем, в каком виде — аналоговом или цифровом — задаются значения норм в ФОС и происходит сравнение действительного и заданного значений контролируемых величин в УС (рисунок 5.11). АСКД со сравнением в аналоговом виде в дальнейшем будем называть аналоговыми, а со сравнением в цифровом виде — цифровыми.

— Структуры измерительных подсистем АСКД

Рисунок 5.11 — Структуры измерительных подсистем АСКД

В АСКД с заданием норм в аналоговом виде (рисунки 5.11, а и б) в качестве ФОС может использоваться:

  • 1) заведомо исправное изделие (блок или печатный узел), идентичное проверяемому;
  • 2) узел, изготовленный из прецизионных элементов той же физической природы, что и контролируемые;
  • 3) узел, в котором контролируемые цепи моделируют с помощью прецизионных элементов одной физической природы, чаще всего резисторами.

Заведомо исправное изделие применялось в качестве ФОС в ранних конструкциях АСКД. В таких системах УС сравнивает реакции объекта диагностирования и аналогового задатчика норм ЗН, предварительно преобразованные унифицирующими преобразователями УП в величину, удобную для сравнения. Достаточно часто в качестве унифицирующих используются аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Тогда УС представляет собой цифровой компаратор ЦК (рисунок 5.11, б).

В целом, рассматриваемый вариант нельзя признать удачным для диагностирования аналоговых схем, так как значения параметров цепей заведомо исправного изделия могут лежать на границе зоны допустимых значений. Контроль относительно них как номинальных может привести к грубым ошибкам и общему снижению достоверности результата. В современных АСКД сравнение с заведомо исправным изделием применяют для контроля сложных цифровых схем, таких как память, микропроцессоры и т. п. Причем тестовое воздействие часто задают случайным образом, поскольку полная программа контроля подобных схем может потребовать слишком больших затрат времени.

Схемы измерительных подсистем, использующих в ФОС прецизионные элементы той же физической природы, что и контролируемые, соответствуют схемам мостов переменного тока, обладающих высокой точностью измерения параметров иммитанса. Однако в современных АСКД этот вариант практически не применяется из-за сложности изготовления таких прецизионных элементов, как конденсаторы и катушки индуктивности, и практической невозможности изготовления прецизионных нелинейных элементов. Кроме того, конструкция и, следовательно, значения паразитных параметров схемы из прецизионных элементов, как правило, значительно отличаются от соответствующих параметров ОД, что снижает достоверность контроля. В силу указанных выше причин АСКД с подобными ФОС характеризуются низкой достоверностью результатов контроля аналоговых схем, малой универсальностью и громоздкостью.

В специализированных и полууниверсальных АСКД, предназначенных для контроля однотипных изделий со сравнительно небольшим количеством цепей, нашел применение третий вариант построения ФОС. Как правило, такие АСКД используют сравнение в аналоговом виде. С увеличением количества контролируемых цепей происходит резкое усложнение ФОС, и применение метода затруднительно.

В универсальных АСКД, контролирующих широкую номенклатуру изделий с большим числом разнообразных цепей, применяют цифровые задатчики норм (ЦЗН). При этом возможно сравнение как в цифровом виде (рисунок 5.11, в) с использованием цифрового компаратора ЦК и АЦП в составе ППС, так и в аналоговом (рисунок 5.11, г), характерном для систем допускового контроля. В последнем варианте в состав ФОС включается цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

Сопоставление аналогового и цифрового вариантов построения АСКД проведем по информационному критерию. Количество информации, которое получают в аналоговых системах для определения принадлежности контролируемой величины х к одной из п качественно различных областей, может быть найдено по формуле

где р(х) — плотность вероятности распределения х в диапазоне возможных значений ;

хГ;1 и хг. для г =1,2,..., п — границы г-й области.

Аналого-цифровое преобразование величины х с шагом квантования Дхк обеспечивает получение количества информации

где — число участков квантования в этом диапазоне (число возможных градаций значений х);

х._г и х., для j = 1, 2, ..., N — граничные значения х на j-м участке квантования.

Для упрощения расчетов примем, что граничные значения хг кратны Дхк, тогда выражение (5.3) можно представить в виде

Избыточное количество информации, получаемое в цифровых АСКД при допусковом контроле величины х, можно найти как разность выражений (5.2) и (5.4):

Для наиболее распространенных случаев равномерного и нормального законов распределения величины х количество информации, получаемое в цифровых системах, превышает минимально необходимое для допускового контроля в 5-30 раз в зависимости от соотношения значений пи N.

Информационная избыточность цифровых АСКД объясняется тем, что при допусковом контроле важно обеспечить максимальную точность сравнения контролируемой величины х с уставкой хг в том случае, когда значение х « хг находится на границе допуска. В такой ситуации велик риск появления ошибки диагностирования, т. е. принятия решения о принадлежности х, значение которого соответствует одной из областей состояния, к другой качественно отличной области.

По мере удаления значения х от предельно допустимого точность сравнения может быть снижена без риска повышения вероятности ошибки диагностирования. Минимально необходимому для допускового контроля количеству информации соответствует показанный на рисунке 5.12 закон распределения по диапазону х . - х абсолютной погрешности сравнения, т. е. минимального значения разности Ах = х - хт, приводящего к появлению ошибки диагностирования.

— Оптимальное распределение погрешности сравнения значения контролируемого параметра с уставкой

Рисунок 5.12 — Оптимальное распределение погрешности сравнения значения контролируемого параметра с уставкой

При таком характере распределения погрешности вероятность появления ошибки диагностирования одинакова во всем диапазоне значений х. При аналого-цифровом преобразовании контролируемой величины х вероятность появления ошибки диагностирования уменьшается по мере отклонения значения х от предельно допустимого. Получаемое количество информации возрастает и становится избыточным.

Минимизация количества получаемой информации в аналоговых системах допускового контроля без промежуточного аналого-цифрового преобразования наиболее просто может быть использована для повышения быстродействия. Многократное сравнение с мерой, характерное для аналого-цифрового преобразования, в аналоговых системах заменяется однократным сравнением с граничным значением. Запас быстродействия может быть так же обменен на повышение точности контроля, например, путем усреднения нескольких результатов.

Преимущества аналоговых систем можно реализовать в случае, когда величина Ах, непосредственно воспринимаемая измерительным преобразователем, однозначно связана с контролируемым параметром объекта х диагностирования Ах = f(x).

В тех случаях, когда величины, непосредственно воспринимаемые измерительными преобразователями, являются функцией нескольких контролируемых величин Ах = f(xv х2, ..., хп), перед проведением допускового контроля необходимо вычисление действительного значения х. Эта операция может быть выполнена с использованием функциональных аналоговых преобразователей или в цифровом виде. Последний вариант характерен для современных систем с микроконтроллерами и ЭВМ.

При контроле совокупности свойств объекта xv х2, ..., хп, связанных с непосредственно воспринимаемыми величинами системой уравнений

возможен непосредственный допусковый контроль параметров хх, х2, ..., хп по величинам Ах^,Ахх^. Однако при этом возникает методическая погрешность, вызванная несовпадением конфигураций областей допустимых значений xv х2, ..., хп и величин А ,А ,...,А . Неконтролируемое отклонение в пределах диапазона допустимых значений величины х. вызывает погрешность допускового контроля х.. Устранение этой погрешности возможно при вычислении действительного значения х..

До недавнего времени использование сравнения в аналоговом виде позволяло существенно упростить схемотехнику

АСКД за счет применения простейших ИС с нелинейной функцией преобразования и исключения из системы сравнительно сложных узлов АЦП. Влияние нелинейности ИС достаточно просто устранялось путем учета фактической функции преобразования при расчете границ зоны допустимых значений.

С развитием средств вычислительной техники и расширяющимся применением микроконтроллеров различия в сложности между аналоговыми и цифровыми АСКД нивелировались. Более того, учитывая низкую цену микроконтроллеров, в состав которых уже входят узлы АЦП и ЦАП, удобство и простоту исполнения программирующего устройства на основе того же контроллера и возможности цифровых методов измерения параметров электрических цепей и напряжений, на современном этапе цифровые АСКД имеют неоспоримые преимущества. Они оказываются более дешевыми за счет совмещения нескольких функций в одной интегральной схеме, более универсальными и более простыми при разработке и эксплуатации, особенно для контроля параметров, косвенно связанных с непосредственно воспринимаемыми величинами и для контроля совокупности параметров.

На современном уровне развития электронной техники применение сравнения в аналоговом виде целесообразно в случае экстремальных требований к быстродействию или точности, а также в простых специализированных ручных тестерах для внутрисхемного контроля.

Контрольные вопросы

  • 1. Какое диагностирование называют внутрисхемным?
  • 2. Что представляет собой печатный узел?
  • 3. Какие виды электрических цепей встречаются при диагностировании печатных узлов?
  • 4. Как варианты конструкций контактронов вы знаете”?
  • 5. В чем преимущества АСКД со сравнением величин в аналоговом виде?
  • 6. В каких случаях применение таких систем затруднено?
  • 7. В каких единицах измеряется количество информации?
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>