Построение автоматизированных систем диагностики радиоэлектронной техники

Петрунин В.В. ПОСТРОЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ ДИАГНОСТИКИ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Повышение надежности и качества работы радиоэлектронной техники (РЭТ), внедрение автоматизированных методов и средств контроля и диагностики аппаратуры и их компонентов является главным направлением в решении актуальных задач в области приборостроения, информационноизмерительной и измерительно-вычислительной техники.

Важная роль в повышении надежности и качества радиоэлектронной техники отводится обоснованному выбору диагностического обслуживания (ДО) на этапах их разработки, производства, эксплуатации и сервисного обслуживания.

Радиоэлементы подвержены неизбежным отказам в процессе эксплуатации, что приводит к необходимости производить ремонт РЭТ.

Восстановление функционирования радиоэлементов - эффективный способ повышения надежности, увеличение срока службы РЭТ. Основная работа при этом отводится на диагностику, определение неисправного блока, узла, модуля, радиоэлемента. Демонтаж неисправного элемента и монтаж исправного занимают менее 1% времени, отводимого на ремонт.

Чтобы определить радиоэлемент, который вышел из строя и не выполняет свои функции, необходимо обработать большое количество информации. При ручной работе регулировщик ремонтирует РЭТ по определенному алгоритму. Измеряя сигналы в контрольной точке, он определяет функционирование предыдущего каскада, блока. И, если блок не работает, производится измерение режимов работы транзисторов, интегральных микросхем и на основании полученной информации регулировщик «вычисляет» неисправный элемент и заменяет его. Для быстрого и качественного ремонта РЭА регулировщик должен хорошо знать принципиальную электрическую схему, работу радиоэлементов, прохождение и преобразования сигналов, то есть иметь высокую квалификацию. Затем много времени требуется на проверку параметров РЭА, их соответствие техническим данным.

В РЭА имеются большое количество радиоэлементов, которые объединяются в модули, блоки, интегральные микросхемы. Для определения неисправного модуля применяют метод «черного ящика» -проверяют на разъемах модуля входные и выходные сигналы. Если на вход модуля (микросхемы) подаются питающие напряжения, входные сигналы и есть выходной сигнал, то делается вывод, что модуль годен, а неисправный элемент находится в следующем модуле.

Таким образом, при поиске несправного элемента необходимо измерить определенное количество статических напряжений (режимы работы транзисторов, напряжения на выводах интегральных микросхем) и сигналы в контрольных точках. Регулировщик это делает с помощью основных приборов: вольтметра и осциллографа. Затем, анализируя эту информацию, «вычисляется» неисправный радиоэлемент.

Весь этот процесс можно автоматизировать и «поручить» его выполнение персональному компьютеру (ПК).

Среди наиболее актуальных направлений является обоснованный выбор эффективного ДО при проведении контроля и диагностики компонентов РЭТ. Большая номенклатура нормируемых показателей диагностирования, необходимость использования расчетно-экспериментальных методов для анализа и оценки состояния аппаратуры, связанных со значительным объемом статистических данных, требуют большого объема экспериментальных и вычислительных затрат. Значительную актуальность при этом приобретает автоматизация процессов получения и обработки диагностической информации, что определяет перспективу исследований вопросов автоматизации технологических процессов ДО, выработки требований по созданию программно-методического комплекса и средств для проведения ДО при обосновании требуемого уровня автоматизации и парка диагностических средств с техникоэкономических и организационных позиций.

Имеются результаты глубоких исследований в области теории диагностирования восстанавливаемых ИИС сложных объектов различного назначения, основы которых заложены и развиты работами многих российских и зарубежных ученых, в том числе: А.П. Горяшко, А.И. Мартяшина, А.В. Мозгалевского,

П.П. Пархоменко, В.И. Сагунова, Е.С. Согомоняна, Г.В Уильямса, Н.Н. Новикова, Б.В. Цыпина, Ю.М. Крысина, А.Г. Схиртладзе и других. Вместе с тем, пути решения проблемы ДО восстанавливаемых сложных объектов с ограниченными технико-экономическими и организационными затратами исследованы недостаточно.

Разработка посвящена вопросам усовершенствования методов покомпонентного диагностирования РЭТ. Уменьшение времени поиска неисправного элемента позволяет уменьшить время, затрачиваемого на ремонт и значительно улучшить показатели надежности.

В состав РЭТ входят механические, электрические, электронные подсистемы, управляемые различного рода программными средствами и связанные информационно-управляющими сигналами. При работе РЭТ протекает большое количество разнообразных физических процессов, параметры которых поддаются непосредственному измерению, а изменение этих процессов в значительной степени зависит как от внешних, так и внутренних факторов. В число первых входят воздействия внешней среды и входные воздействия, поступающие из другой РЭТ. Величина этих воздействий зависит от степени защиты устройства, экранирования, электромагнитной совместимости радиоэлектронных устройств. Внутренние факторы связаны с технологией изготовления РЭТ, ее техническим состоянием, сроком службы, характером взаимосвязей ее функциональных компонентов и т. д. При изменении этих факторов изменяется алгоритм функционирования РЭТ.

Выходные сигналы функциональных компонентов и аппаратуры в целом являются носителями

диагностической информации. Каждый из этих сигналов зависит от внешних и внутренних факторов и характеризуется определенной совокупностью параметров. Поэтому всякие изменения, происходящие в РЭТ, ее компонентах, во внешних воздействиях сразу же находят свое отражение в изменениях выходных сигналов РЭТ.

Процесс технического диагностирования заключается в измерении и анализе физических параметров компонентов РЭТ, выходных сигналов ее функциональных компонентов или некоторых обобщенных

сигналов. Анализ заключается в сопоставлении перечисленных параметров и сигналов с соответствующими возможными состояниями РЭТ, которые должны различаться при технической диагностике. Результат технического диагностирования - это решение о принадлежности не только

РЭТ, но и ее компонентов, одному из возможных состояний: исправен, неисправен.

Основная задача диагностического обеспечения РЭТ на этапе эксплуатации - обеспечение

соответствия показателей надежности аппаратуры в рабочих условиях запланированным значениям. Поэтому необходима разработка корректных методов диагностического обслуживания, которые могут базироваться на двух различных подходах: аналитическом (расчетном) и экспериментальном, или их

комбинации. Существуют объективные трудности при диагностировании РЭТ. Они обусловлены состоянием теории диагностирования и ограниченностью средств, выделяемых для обеспечения диагностического

обслуживания (ДО). Центральной проблемой ДО становится достижение требуемых показателей диагностирования с ограниченными затратами. Проблема решается использованием ПК для диагностики РЭТ. Процесс диагностики можно автоматизировать и «поручить» его выполнение персональному компьютеру. Цель работы состоит в совершенствовании методов, средств и технологии диагностирования РЭТ и их компонентов, создание программно-аппаратного комплекса ДО и улучшения показателей диагностирования при снижении затрат на его реализацию.

Для сопряжения ПК с проверяемым прибором вводится диагностическая плата или блок, которые позволят измерить напряжения и сигналы в приборе, преобразовать их в цифровой код, ввести в ПК. ПК, анализируя эту информацию, сделает вывод, какой радиоэлемент неисправен.

Основным звеном в процессе диагностики является подключение диагностического блока к контрольным точкам РЭТ. Контактное устройство, которое подключается к контрольным точкам схемы, должно содержать большое количество пружинящих контактов для надежного электрического соединения с печатными проводниками РЭА. Конечно, для каждого типа приборов необходимо изготовить индивидуальное контактное устройство, так как печатные платы, проводники, расположение элементов различно для каждого типа приборов. Если в прибор устанавливается диагностическая плата, которая находится в приборе постоянно, то возможно электрическое подключение диагностической платы к схеме прибора с помощью разъема. При этом необходимо исключить влияние диагностической платы на работу схемы. Подключение контрольных точек необходимо производить через эмиттерные повторители, каскады на полевых транзисторах, которые имеют большое входное сопротивление и не нагружают каскады.

Для гальванической развязки силовой цепи РЭА и персонального компьютера применяются оптроны.

Недостатки использования контактного устройства:

- большое количество контактов, особенно в сложной радиоэлектронной аппаратуре;

- ненадежный контакт между контактным устройством и контрольной точкой РЭТ из-за лакового покрытия платы, недостаточной силой прижатия контакта, неточностью конфигурации контактного устройства и печатной платы.

- большая, сложная схема аналоговых и цифровых коммутаторов, которые организуют последовательный съем данных с контрольных точек и подачу на АЦП.

Оптимальным вариантом является применение одного датчика, который перемещается относительно диагностируемой печатной платы с помощью шаговых двигателей, которые управляются компьютером. В данном случае можно реализовать последовательный метод [1], когда результат каждой проверки анализируется и определяется следующая контрольная точка для подключения датчика, то есть реализуется определенный алгоритм поиска неисправного элемента. ПК задает координаты проверяемой точки (соответствующие шагу координатной сетки 5 мм.), шаговые двигатели перемещают датчик в данную точку, происходит считывание информации, оцифровка и ввод в ПК.

Предварительно формируется база данных. Для этого, используя исправный прибор, производится сканирование каждой контрольной точки, измерение сигнала и ввод информации в компьютер. Эти данные будут необходимы для сравнения со значениями при диагностике неисправного прибора. При сравнении данных ПК определяет алгоритм дальнейшего поиска. Можно использовать комбинационный метод, то есть просто сканировать каждую точку схемы, а потом анализировать данные. Но этот метод требует большего времени диагностики.

Кроме измерения напряжения и формы сигнала в контрольных точках при диагностике

радиоаппаратуры важно иметь дополнительную информацию о температуре каждой точки. При коротких замыканиях в цепях, неправильных режимах работы, аварийных ситуациях отдельные радиоэлементы начинают сильно греться. Выделяемая в радиоэлементе мощность передается в окружающую среду с помощью теплопроводности, конвекции и излучения.

Наличие чувствительного быстродействующего термодатчика позволит проанализировать тепловой режим устройства и ввести полученную информацию в ПК. ПК проведет сравнение значения температуры контрольной точки с базой данных и примет решение о допуске значения температуры.

Для более полной информации необходимо измерить в каждой точке РЭА величину магнитного поля, которая несет информацию о величине тока. Ток, проходя по элементам цепи, создает магнитное поле, которое можно измерить высокочувствительными датчиками.

Оптимальным вариантом проведения диагностики РЭА является использование ПК и внешнего

электронного устройства, состоящего из трех бесконтактных датчиков, измеряющих электрическое поле, магнитное, температуру в каждой контрольной точке РЭА. Перемещение датчиков и сканирование

полей РЭА производится по командам ПК. Электронное устройство формирует сигналы датчиков,

преобразует их в цифровой код и подает на порт ПК. ПК принимает информацию, сравнивает с базой данных, принимает решение о соответствии полученных значений техническим данным.

Возможно использование при диагностике радиоаппаратуры и других датчиков: перемещения, шума,

вибрации, наличие озона и др.

При диагностике РЭА главным моментом является измерение сигналов в контрольных точках и преобразование аналоговых сигналов на выходах датчиков в цифровые сигналы. Сигналы в РЭА имеют

разную форму, частоту, модуляцию, уровень. Для проверки сигнала по принципу - «Есть сигнал», «Нет сигнала» применяются специальные преобразователи «Сигнал»- код. Этот преобразователь определяет наличие сигнал и выдает на выходе сигналы «1» или «0». «1» - есть сигнал, «0» - нет сигнала. Для этой цели подходят умножители напряжения, на выходе которых получается достаточно высокий уровень напряжения, необходимый для работы логического элемента. Часто используются операционные усилители, включенные в режиме усилителей (инвертирующих и неинвертирующих), преобразователей (интегратор, дифференциатор и др.). Если на входе датчика нет сигнала, то выходное напряжение равно 0, а если сигнал есть, то выходное напряжение равно уровню «1».

Некоторые сигналы необходимо измерить и преобразовать аналоговую величину в цифровую форму. Это величины напряжения источника питания, уровни отдельных сигналов, которые важны при определении неисправности. Для измерения необходимо применять быстродействующие АЦП, вольтметры, выполненные на специализированных интегральных микросхемах АЦП. Во многих разработках применяется специальный цифровой вольтметр с вводом измеренной информации в ПК.

Для поочередного подключения напряжений контрольных точек к цифровому вольтметру используется аналоговый коммутатор, сканирующий датчик.

Подключение к контрольным точкам РЭА не должно вносить изменения в работу схемы.

Поэтому необходимо выполнить датчики с высокоомным входом. В обратном случае будет вноситься большая погрешность или прекращение работы устройства. Подключение контрольных точек необходимо производить через эмиттерные повторители, каскады на полевых транзисторах, которые имеют большое входное сопротивление.

Выходные сигналы поступают на входы аналогового коммутатора, который управляется счетчиком адреса. Код с выходов счетчика определяет номер контрольной точки, которая подключается на вход цифрового вольтметра.

Аналого-цифровое преобразование производится внешним электронным блоком, который подразделяется на следующие группы по принципу работы:

АЦП на базе ПК.

АЦП на базе специальной ИМС с поразрядным уравновешиванием

Быстродействующий 8-разрядный АЦП с параллельным уравновешиванием.

АЦП на базе ПК. Основой АЦП является персональный компьютер, а во внешнем электронном блоке располагается цифро-аналоговый преобразователь (матрицы Я-2Я) и компаратор. Структурная схема АЦП на базе ПК приведена на рисунке 1. Достоинством разработки является передача функций АЦП персональному компьютеру, что упрощает внешнюю электронную схему. Внешняя электронная схема состоит из матрицы Я-2Я, компаратора, сравнивающего измеряемый сигнал и опорный, который формируется матрицей Я-2Я.

ПК формирует на выходе комбинации кодов, которые поступают на матрицу R-2R цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и производят уравновешивание входного сигнала. Уравновешивание начинается со старшего разряда и занимает всего восемь тактов. Матрица R-2R формирует опорный сигнал, который сравнивается с помощью компаратора К с входным сигналом. К формирует управляющий сигнал (0 или 1), несущий информацию о величине опорного сигнала (больше или меньше входного сигнала). Управляющий сигнал поступает на ПК для работы АЦП. Во время первого такта ПК формирует на выходе «1» старшего разряда (10000000). Этот код поступает на ЦАП и на выходе ЦАП формируется напряжение, равное иоп/2. При Доп = 4В, на выходе ЦАП формируется напряжение 2В. Если входной

сигнал превышает опорный, т.е Двх > 2В, на выходе компаратора формируется «1», поступающая на вход ПК. При следующем такте ПК опрашивает этот вход и при «1» прибавляет единицу следующего разряда (11000000) на вход ЦАП и на выходе формируется напряжение,

равное 3 В. Если входной сигнал меньше опорного, т.е Дах < 2В, на выходе компаратора

формируется «0», и ПК вычитает единицу следующего разряда (01000000) на вход ЦАП и на выходе формируется напряжение, равное 1 В. За восемь тактов формируется восьмиразрядное число, равное величине входного напряжения.

Основным элементом внешнего электронного блока является интегральная микросхема аналогоцифрового преобразователя, подключаемый к порту принтера (ЬРТ-порт) 1ВМ-совместимого

персонального компьютера.

ПК производит запуск измерения, преобразование входного сигнала в цифровую форму производится независимо от ПК, и через определенное время, равное времени преобразования, на выходе ИМС

формируется цифровой код. ПК вводит полученные данные в память и обрабатывает введенную информацию по специальной программе. На рисунке 2 приведена структурная схема цифрового

вольтметра на базе ПК

Внешняя электронная схема состоит из микросхемы АЦП, схемы выбора предела измерения СВП,

компаратора К, источника опорного напряжения ИОН, тактового генератора ТГ. Схема выбора предела измерения определяет относительный уровень входного сигнала и включает нужный предел измерения (10, 100, 1000В). Приведенный к необходимому уровню входной сигнал поступает на схему АЦП. ПК

запускает процесс измерения. Полученные в АЦП данные вводятся в ПК, который производит обработку сигналов и вывод информации на экран монитора.

Рисунок 1 Структурная схема АЦП на базе ПК АЦП на базе специальной ИМС с поразрядным

уравновешиванием

Рисунок 2 Структурная схема цифрового вольтметра на базе ПК

Быстродействующий параллельный АЦП

Для оцифровки быстродействующих процессов необходим аналого-цифровой преобразователь с малым временем преобразования (несколько наносекунд). Разработаны схемные решения, которые позволяют производить преобразования за малый интервал времени, который определяется временем переходных процессов аналоговых ИМС. Параллельные АЦП в основном состоят из следующих узлов: делитель

опорных напряжений, набор компараторов напряжения; дешифратор; выходные каскады. Для получения более высокой полосы пропускания, при сохранении чувствительности, компараторы делают стробируемыми. АЦП работает по следующему принципу: входное напряжение одновременно подается на

не инвертирующие входы компараторов, которые производят сравнение этого сигнала с напряжениями, поступающими с резистивного делителя напряжений на инвертирующие входы, в момент подачи стробирующего сигнала на тактовый вход. Дешифратор преобразует код, поступающий с выходов компараторов в двоичный код. Код выхода дешифратора поступает на выходные каскады, которые преобразуют внутрисхемные уровни в стандартные уровни ТТЛ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Б.В Цыпин, Ю.М. Крысин, А.Г. Схиртладзе, В.А. Скрябин «Оптимизация поиска неисправностей при технической диагностике оборудования: Учебное пособие» Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2002г.

2. В.В.Петрунин «Построения автоматизированных систем на основе персонального компьютера для тестирования, настройки, ремонта радиоэлектронной техники», Международный симпозиум «Надежность и качество 2004», Пенза 2004 г.