Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методологические вопросы измерения обобщенных параметров многополюсных электрических цепей 19
1.1. Вводные замечания 19
1.2. Вопросы синтеза моделей объектов измерений для сложных многополюсных цепей 21
1.3. Способы инвариантного преобразования параметров сложных многополюсных цепей.. 24
1.4. Вопросы моделирования объектов в виде МЭЦ и оценка измеряемое параметров их ветвей 28
1.5. Алгоритмы топологического преобразования сложных МЭЦ 38
Основные результаты и выводы по главе 1 48
Глава 2. Методы внутрисхемного контроля параметров активных элементов и характеристик нелинейных двухполюсников 50
2.1. Вводные замечания 50
2.2. Проблемы и ограничения при внутрисхемном контроле активных элементов 53
2.3. Внутрисхемные измерения тока потребления активных элементов 60
2.4. Специализированные методы внутрисхемного контроля операционных усилителей 73
2.5. Измерение и контроль параметров и характеристик нелинейных элементов 86
2.5.1. Кибернетические модели нелинейных систем 86
2.5.2. Математические модели нелинейных элементов 90
Основные результаты и выводы по главе 2 94
Глава 3. Измерение характеристик нелинейных двухполюсников 96
3.1. Вводные замечания 96
3.2. Свойства модели Гаммерштейна-Чебышева 97
3.3. Измерение характеристик нелинейных элементов при синусоидальных входных воздействиях (способ промежуточного Фурье-анализа) 103
3.4 Алгоритмический способ минимизации погрешностей, обусловлен ных аппроксимацией многочленами Чебышева 114
3.5. Инструментальные погрешности и ограничения способа промежу точного Фурье-анализа 126
3.5.1. Виды инструментальных погрешностей 126
3.5.2. Погрешности от влияния неточностей фазирования начала отсчетов 127
3.5.3. Погрешности, обусловленные влиянием шумов квантования АЦП 130
3.5.4. Погрешности, обусловленные нелинейными искажениями генера тора синусоидального сигнала 132
3.5.5.Погрешности от влияния размера шага дискретизации АЦП... 135
3.5.6. Погрешности, обусловленные влиянием конечного сопротивления датчика тока 136
3.6. Применение модели Гаммерштейна-Чебышева для анализа и изме рения характеристик нелинейных элементов и систем 139
Основные результаты и выводы по главе 140
Глава4. Исследование измерительных преобразователей для внутрисхемного контроля токов активных элементов 142
4.1. Вводные замечания 142
4.2. Одноканальные структуры измерительных преобразователей для внутрисхемного контроля токов активных элементов 142
4.3. Двухканальная структура измерительного преобразователя для координированной локализации неисправностей 158
4.4. Измерительные преобразователи повышенной точности для внутрисхемного контроля токов активных элементов 161
4.5. Измерительные преобразователи для внутрисхемного контроля отношения токов транзисторов 172
Основные результаты и выводы по главе 4 186
Глава 5. Исследование методов внутрисхемного контроля операционных усилителей 187
5.1. Вводные замечания 187
5.2. Определение области допустимых значений контролируемых параметров 187
5.3. Исследование достоверности контроля операционных усилите лей 219
5.4. Аппаратурная реализация методов внутрисхемного контроля опе рационных усилителей 224
Основные результаты и выводы по главе 5 238
Глава 6. Моделирование измерительных преобразователей для внутрисхемного контроля параметров активных элементов 239
6.1. Задачи моделирования измерительных преобразователей 239
6.2. Методика моделирования измерительных преобразователей 242
6.3. Моделирование одноканальной структуры измерительного преобразователя для внутрисхемного контроля токов активных элементов 252
6.4. Моделирование измерительного преобразователя, построенного с использованием принципа разделения токовых и потенциальных це- пей 265
6.5. Моделирование измерительного преобразователя для внутрисхем ного контроля токов транзисторов. 271
Основные результаты и выводы по главе 6 281
Глава 7. Разработка приборов для внутрисхемного контроля активных элементов 282
7.1. В водные замечания 282
7.2. Тестер для контроля тока потребления интегральных схем на печатных платах 282
7.3. Тестер для контроля исправности операционных усилителей на печатных платах без выпаивания 288
7.4. Тестер для измерения коэффициента усиления по току транзисторов, вмонтированных в схему (ПКТ) 299
7.5. Приборы и системы для контроля и диагностики РЭА 319
7.5.1. Тестер внутрисхемного контроля RC элементов АМЦ 15201...319
7.5.2. Микропроцессорный тестер внутрисхемного контроля электрора-диоизделий АМЦ 15204 322
7.5.3. Прибор автоматизированного допускового контроля параметров электрических целей электронного блока управления экономайзером (ПАК) 325
7.6. Применение разработанных методов в других областях 328
Основные результаты и выводы по главе 7 337
Заключение 337
Основные результаты и выводы по работе 338
Перечень принятых сокращений 341
Список литературы 346
Приложение А
- Вопросы синтеза моделей объектов измерений для сложных многополюсных цепей
- Проблемы и ограничения при внутрисхемном контроле активных элементов
- Свойства модели Гаммерштейна-Чебышева
- Одноканальные структуры измерительных преобразователей для внутрисхемного контроля токов активных элементов
Введение к работе
В настоящее время широкое использование средств электронной техники выдвигает на первый план проблемы снижения затрат на разработку, производство и эксплуатацию аппаратуры и повышение ее надежности, что не может быть достигнуто без применения совершенных методов контроля параметров аппаратуры и параметров составляющих ее отдельных элементов.
Трудоемкость контрольных и испытательных работ в производстве радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в нашей стране и за рубежом достигает 25-30 процентов его общей трудоемкости производства, а в отдельных случаях может достигать 70 процентов [1-5]. Еще больший объем затрат падает на эти операции при ремонте отказавших изделий -до 85% общего времени восстановления [6].
Проблема осложняется значительным возрастанием сложности РЭА, в которой используются самые различные активные элементы: дискретные и аналоговые микросхемы различного уровня интеграции, транзисторы, которые до сих пор остаются необходимым элементом схем, особенно аналоговых. Они широко применяются в мощных выходных каскадах усилителей тока и напряжения, в высоковольтных узлах и т.д.
Важное значение приобретают контрольно-испытательные работы как при производстве РЭА (на каждом последующем этапе производства стоимость контроля возрастает), так и при контроле готовых изделий.
В этой связи очень важным этапом контроля печатных плат является эффективное и своевременное выявление дефектных элементов и блоков на ранних стадиях технологических процессов.
Состояние проблемы и ее специфика обуславливаются тем, что контроль параметров электрических цепей должен осуществляться после окончания монтажа элементов на печатной плате при выключенном питании. Особенностью контроля является то, что требуется контроли ровать сложные многополюсные электрические цепи (МЭЦ), представляющие собой совокупность соединенных определенным образом различных элементов, а именно:
- пассивных линейных двухполюсников (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности);
- активных элементов - элементарных многополюсников (полупроводниковых триодов, интегральных схем), проявляющих свои активные свойства при подключении источников энергии (нелинейные элементы);
- пассивных нелинейных элементов (полупроводниковых диодов, катушек индуктивности с сердечником).
Широкая номенклатура контролируемых элементов и разнообразные ограничения делают нецелесообразным построение специализированных систем контроля и поэтому более эффективными признаются подходы, предусматривающие создание либо универсальных систем контроля, обладающих свойством быстрой адаптации к конкретным условиям современных технологических процессов производства РЭА, либо создание агрегатированных средств измерений и обработки информации, образующих аппаратный базис для организации контрольных и диагностических операций в технологических процессах.
Большой вклад в развитие методов и средств контроля РЭА внесли коллективы отечественных ученых, руководимые в разное время: Т.М. Алиевым, Н.П. Байдой, Ф.Б. Гриневичем, В.А. Долговым, К.Б. Ка-рандеевым, В.В. Карибским, А.С. Касаткиным, Л. Ф. Куликовским, К.Л. Куликовским, В.Ю. Кнеллером, П.И. Кузнецовым, М.Д. Лебедевым, Б.Я. Лихтциндером, А.И. Мартяшиным, A.M. Мелик-Шахназаровым, А.В. Мозголевским, П.П. Пархоменко, К.М. Соболевским, Е.С. Согомо-няном, В.Н. Сретенским, М.П. Цапенко, В.М. Шляндиным, Н.Н. Шуми-ловским, Г.А. Штамбергером и др.
Разработкой методов и средств внутрисхемного диагностического контроля активно занимаются ряд Российских организаций (Центральный научно-исследовательский технологический институт Министерства радиопромышленности г. Москва, Научно-исследовательский институт «Контрольприбор» г. Пенза (ранее - ВНИТИ прибор, Пензенский филиал МНПО "Темп") и др.) и зарубежных фирм (Marconi Instrumentation (Великобритания), Hewlett- Packard, Texas Instruments, Faulfflnders, Huntron (США) и др.). Основной тенденцией является разработка диагностических тестеров, способных работать как автономно, так и в составе автоматизированных систем контроля с применением ЭВМ. При этом, в основном, решены задачи контроля пассивных элементов, и частично задачи оценки исправности транзисторов и интегральных схем (ИС) на печатных платах. Наиболее узким местом остается задача диагностики на печатных платах активных элементов: транзисторов, аналоговых интегральных схем (АИС) и цифровых интегральных схем (ЦИС).
Основание для проведения работы. Работа выполнена в соответствии с планами проведения и реализации г/б и х/д НИР Пензенского государственного университета (до 1993 г. Пензенский политехнический институт) и Пензенского регионального центра высшей школы (ПРЦВШ) - филиала Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства (РГУИТП) по заказам ряда предприятий СССР и РФ в соответствии со следующими координационными планами и комплексными целевыми программами:
- координационные планы научно-исследовательских работ АН СССР по проблеме «Измерительные процессы и системы» (шифр 1.12.15) на 1976 - 1980 гг., (шифр 1.13.1) на 1981 - 1985 гг., (шифр 1.12.8) на 1986-1990 гг.;
- целевая комплексная научно-техническая программа ГКНТ СССР 0.Ц.027 «Создание и разработка автоматизированных систем научных исследований и систем автоматизированного проектирования с применением стандартной аппаратуры и измерительно вычислительных комплексов» на 1986 - 1990 гг.;
- общегосударственная программа создания и производства приборов и средств автоматизации для научных исследований на 1985 -1995 гг. в которой Пензенский политехнический институт принимал участие в выполнении подпрограммы 23 (шифры 23.18И и 23.58И);
- планы госбюджетных НИР ПГТУ - ПГУ на 1995 - 2000 и 2001 -2005 гг.
Актуальность проблемы, решаемой в диссертационной работе, диктуется следующими обстоятельствами.
Во-первых, в настоящее время в промышленности существует настоятельная потребность как в универсальных системах контроля, позволяющих решить комплекс задач диагностирования, так и в простых и надежных приборах для контрольно-наладочных и ремонтных работ.
Во-вторых, включение в процесс контроля операций поиска неисправностей элементов плат позволяет значительно увеличить процент выхода годных плат. Кроме того, выявление дефектных интегральных схем и других элементов позволяет (по данным фирм США) на 25-30 процентов снизить затраты на изготовление плат [2,3]. В случае отсутствия внутрисхемного контроля после проведения монтажа элементов на плате затраты на обнаружение и устранение одного дефекта по вине ИС при контроле функционирования могут возрасти на один-два порядка [2].
В - третьих, до настоящего времени отсутствуют научные исследования обобщающего характера по рассматриваемой проблеме, в которых излагались бы принципы концептуального проектирования и обобщалось бы многообразие известных способов реализации как контрольно-диагностических процедур, так и способов построения соот ветствующих измерительных преобразователей и алгоритмов обработки измерительной информации. Предмет исследований.
1. Методы внутрисхемного параметрического контроля и алгоритмы функционирования устройств на их основе с целью создания на этой базе специализированных и универсальных систем контроля.
2. Математические модели для определения методических и инструментальных погрешностей инвариантных измерителей параметров многоэлементных электрических цепей и характеристик нелинейных электронных компонентов.
3. Методы и алгоритмы обработки информации в системах измерения, контроля и диагностики параметров и характеристик активных элементов РЭА.
Методы исследований: методы математического анализа, линейной алгебры, теории непрерывных и импульсных систем автоматического регулирования численные методы, методы цифровой фильтрации, методы теории инвариантного преобразования параметров электрических сигналов и цепей, теории чувствительности, математической статистики и обработки экспериментальных данных, методы схемотехнического моделирования на ЭВМ. Теоретические исследования проводились с использованием пакета программ PSPICE и сред программирования MathCAD и MATLAB.
Цель работы состоит в развитии методологической и теоретической основы создания средств внутрисхемного измерения параметров МЭЦ, содержащих активные элементы (АЭ), для контроля и диагностики РЭА.
Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:
1. Анализ и исследование методов преобразования параметров сложных МЭЦ, в том числе и содержащих АЭ, в электрические сигналы. Анализ методов внутрисхемного контроля АЭ.
2 . Дальнейшее развитие теории инвариантного преобразования и совершенствование измерительных преобразователей (ИП) параметров МЭЦ, содержащих АЭ, в электрические сигналы.
3 . Разработка и исследование ИП для внутрисхемного измерения параметров АЭ МЭЦ, и внутрисхемного контроля операционных усилителей (ОУ).
4 . Развитие и исследование методов измерения параметров нелинейных двухполюсных электрических цепей (ДЭЦ) с АЭ, в том числе в составе МЭЦ.
5. Практическая реализация, доведение до промышленного уровня и внедрение в производство ИП, приборов и информационно-измерительных систем (ИИС) контроля параметров электрических цепей.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложена методика анализа топологической структуры электрической модели реального физического объекта исследования в виде МЭЦ с АЭ для определения измеряемости его параметров.
2. Разработан алгоритм преобразования топологической структуры МЭЦ до эквивалентной трехполюсной электрической цепи, обеспечивающий условия измеряемости параметров каждой исследуемой ветви МЭЦ.
3. Предложена реализация способа раздельного преобразования параметров ветвей МЭЦ для задачи внутрисхемного измерения и контроля токов.
4. Доказано, что приемлемая для практического применения точность внутрисхемного измерения тока потребления активных элементов может быть достигнута при использовании вспомогательных каналов компенсации в каждой цепи ответвления тока.
5. Разработаны структуры ИП для внутрисхемного измерения токов и коэффициента усиления транзисторов, основанные на применении их нелинейных моделей, и сформулированы критерии исправности транзистора при внутрисхемном контроле.
6. Предложен способ измерения вольт-амперных характеристик нелинейных элементов основанный на применении моделей Гаммер-штейна-Чебышева. Разработаны и исследованы алгоритмические методы минимизации методических погрешностей, обусловленных аппроксимацией многочленами Чебышева. Показаны пути минимизации инструментальных погрешностей.
7. Предложены методики моделирования измерительных преобразователей для внутрисхемного контроля параметров АЭ.
8. Теоретически и экспериментально исследованы ОУ как объекты внутрисхемного контроля. Впервые предложены методы оценки исправности ОУ при внутрисхемном контроле. Исследована достоверность контроля ОУ по каждому методу и показана возможность использования ИП, построенных на их основе, для внутрисхемного контроля независимо от схемы включения ОУ, напряжения питания и присутствия рабочих сигналов на входах ОУ.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Методика анализа топологической структуры электрической модели реального физического объекта исследования с целью определения измеряемости его параметров. Алгоритмы машинного анализа для преобразования топологической структуры МЭЦ с АЭ до упрощенной трехполюсной цепи с целью обеспечения условия измеряемости параметров каждой исследуемой ветви МЭЦ.
2. Реализация способа раздельного преобразования параметров ветвей МЭЦ для задачи внутрисхемного измерения и контроля токов.
Структуры ИП для внутрисхемного контроля тока потребления активных элементов.
3. Структурные схемы ИП для внутрисхемного измерения токов и оценки усилительных свойств транзистора.
4. Способ анализа и измерения характеристик нелинейных систем и параметров нелинейных элементов, в том числе в составе МЭЦ, основанный на применении модели Гаммерштейна-Чебышева. Алгоритмические методы анализа и минимизации методических погрешностей, обусловленных аппроксимацией многочленами Чебышева, и способы устранения инструментальных погрешностей. Структурные схемы ИП для измерения вольт-амперных характеристик нелинейных элементов при синусоидальных входных воздействиях.
5. Методики схемотехнического моделирования структур ИП и приборов для контроля тока потребления активных элементов и усилительных свойств транзисторов и алгоритмы оценки основных погрешностей преобразования.
6. Методы внутрисхемного контроля ОУ. Структурные схемы ИП для контроля ОУ на основе предложенных методов оценки исправности ОУ при внутрисхемном контроле. Методики статистической обработки полученных экспериментальных данных для определения достоверности контроля ОУ по каждому методу.
Практическое значение результатов работы заключается в разработке методик инженерного проектирования преобразователей для внутрисхемного измерения, контроля и поэлементного диагностирования электронной аппаратуры. Даны практические рекомендации по построению ИП и систем внутрисхемного контроля МЭЦ с АЭ, выбору типов и режимов работы измерительных преобразователей, включая:
1. Разработку способов инвариантного измерения параметров МЭЦ с АЭ и характеристик нелинейных элементов РЭА.
2. Разработку и исследование структур ИП для внутрисхемного измерения тока потребления по цепи питания активных элементов, в том числе структур ИП повышенной точности, ИП с координированной локализацией неисправностей.
3. Разработку и испытание структур ИП для контроля отношения токов, обеспечивающих внутрисхемное измерение коэффициента усиления по току транзисторов, а также определение путей их совершенствования.
4. Разработку на основе предложенных методов внутрисхемного контроля ОУ, различных вариантов аппаратурной реализации тестеров.
5. Методики моделирования элементов, узлов РЭА и средств измерений, а также проведения расчетов погрешностей измерительных преобразователей.
Реализация и внедрение. Диссертация представляет собой обобщение хоздоговорных научно-исследовательских работ, в выполнений которых автор принимал участие в Пензенском государственном университете (ранее - Пензенском политехническом институте) (№№ гос. per.: 02.818.003, 01.850049566, 01.860031406, 01.87.000.7036, 01.86.010.5591, 019.0 0003216) и в ПРЦВШ Пензенском филиале Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства (ранее - Пензенском региональном центре высшей школы) (№№ х/д: 82/90, 50/90, 247/91, 96/92, 150/93, 151/93). В данных НИР решались методологические и технические вопросы проектирования.
В настоящее время:
1. Система автоматического допускового контроля параметров электронных цепей блока управления экономайзером (ПАК) - внедрена на заводе АТЭ-1 г. Москва.
2. Тестеры для внутрисхемного контроля сборки радиоэлектронной аппаратуры и гибридных интегральных схем АМЦ 155, RC элементов АМІД 15201, транзисторов АМЦ 15202, интегральных операционных усилителей АМЦ 15203 - внедрены в НИИ «Контрольпри-бор» г. Пенза (ранее - ВНИТИ-Прибор, Пензенский филиал МНПО «Темп»),
3. Микропроцессорная система внутрисхемного контроля АМЦ 15204 - внедрена в НИИ «Контрольприбор» г. Пенза.
4. Блок контроля влажности системы диагностики состояния контейнеров НУП - внедрен в ТУСМ-1 г. Пенза.
Перечисленные приборы и системы контроля и диагностики, разработанные при непосредственном участии и руководстве автора, освоены опытным производством НИИ «Контрольприбор». По заказам более чем шестидесяти предприятий СССР и РФ выпущено и внедрено более двухсот единиц аппаратуры. Средства контроля подобного функционального назначения в нашей стране не выпускались и в промышленности были освоены впервые.
Полученные в диссертационной работе результаты также используются на1кафедрах "Радиотехника и РЭС", КиПРА и АЭЭС Пензенского госуниверситета и подразделениях ПРЦВШ - филиала РГУИТП в учебном процессе, а также внедрены в виде методик в подразделениях НИИ «Контрольприбор», ФГУП НИИ электронно-механических приборов г. Пенза.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ряде ежегодных НТК Пензенского госуниверситета, а также международных и всероссийских конференциях, симпозиумах и семинарах:
- Областной НТС «Методы и средства контроля и диагностики РЭА и ЭВА», Пенза, 1982.
- Областной НТС «Повышение эффективности автоматизированных средств восприятия и обработки информации», Пенза, 1985.
- Республиканский НТС «Опыт разработки и практического применения программно-управляемых средств контроля и диагностирования изделий радиоэлектроники, приборостроения и связи», Ленинград, 1989.
- Всесоюзная НТК «Контроль и диагностика радиоэлектронной аппаратуры и изделий электронной техники», Пенза, 1990.
- II Всесоюзный НТС «Статистическая идентификация, прогнозирование и контроль», Севастополь, 1991.
- Международная НТК «Микроэлектроника и информатика», Зеленоград, 1993.
- Международная НТК «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем», Пенза, 1996, 1997, 1998.
- Всероссийская НТК «Методы и средства измерений физических величин», Нижний Новгород, 1998.
- Международный симпозиум «Надежность и качество. Инновационные технологии производству XXI века», Пенза, 1999, 2001, 2004.
- II Всероссийская научная конференция «Проектирование инженерных и научных приложений в среде MATLAB».- Москва, 2004.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 62 печатных работы, в том числе: 2 монографии, 5 учебных пособий, рекомендованных Министерством образования РФ и УМО для студентов вузов, 23 статьи, 15 тезисов докладов и 5 информационных листков. Оригинальность технических решений защищена 12 авторскими свидетельствами СССР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения , 7 глав, заключения и приложений. Основной текст изложен на 369 листах. Библиография - 237 наименований.
Автор выражает свою искреннюю благодарность д.т.н., профессору Мартяшину А.И. и д.т.н., профессору Светлову А.В. за внимание и консультации при выполнении настоящего исследования.
Часть научных результатов получены при выполнении хоздоговорных научно-исследовательских работ совместно с д.т.н., профессором Цыпиным Б.В. Автор выражает благодарность за сотрудничество.
Вопросы синтеза моделей объектов измерений для сложных многополюсных цепей
В общем случае информацию о физическом объекте исследования можно получить по его реакции на внешнее энергетическое воздействие. Чтобы найти зависимость между характеристиками сигнала и параметрами исследуемого объекта, создается модель, представляющая объект в виде электрической цепи - совокупности взаимосвязанных активных и пассивных элементов (источников напряжения тока, R-, L-, С - параметров, многополюсных элементов - микросхем, транзисторов и т.п.).
Задача исключения влияния неинформативных (не подлежащих измерению и контролю) параметров, а также паразитных параметров измерительных преобразователей (не учитываемых в номинальной функции преобразования) является важнейшей при получении искомой информации.
С общих позиций можно выделить два основных типа моделей:- МАКРОМОДЕЛЬ, которая представляет исследуемый объект в виде одного функционального элемента, описываемого связями между внешними, доступными для наблюдения переменными без описания его внутренней структуры (напряжения и токи на полюсах описываются с помощью многомерных векторов, а параметры объекта - с помощью матриц иммитансов);- МИКРОМОДЕЛЬ, которая содержит описание связей между внешними и внутренними переменными исследуемого объектаМИКРОМОДЕЛИ могут быть различных уровней в зависимости от характера решаемых задач, то есть степени приближения модели к реальному объекту.
Возможно построение СМЕШАННОЙ МОДЕЛИ, в которой часть объекта представляется в виде полной структуры, а неисследуемые в данном измерительном процессе части объекта представляются на уровне макромоделей.
Вопросы построения моделей достаточно полно исследуются в литературе, например, [21+31]. Модель объекта должна быть ориентирована на решение определенной контрольно-измерительной задачи, поэтому должно соблюдаться выполнение следующих условий [27]:- модель должна иметь достаточную степень адекватности реальному объекту при данных условиях измерительного эксперимента;- модель должна удовлетворять выполнению условия измеряемости (наблюдаемости) искомых параметров; - модель должна отвечать требованиям обеспечения измерительным преобразователем инвариантности получения информации об искомых параметрах по отношению к неинформативным параметрам в данных условиях;- модель должна быть достаточно универсальной, то есть описывать достаточно широкий класс реальных объектов.
Характеристики модели могут быть описаны во временной или частотной областях. Моделирование в частотной области используется в основном при анализе или разработке устройств, в которых воздействие и реакция, а также напряжение и токи внутренних источников являются периодическими сигналами. Получение информации о временных характеристиках предполагает анализ непериодических сигналов, например, реакция на воздействие типа "S- функция" или "единичная функция". Преимущества временного описания характеристик заключается в возможности оценки параметров нестационарных объектов.
Одной из важнейших задач при построении моделей является обеспечение условия измеряемости (наблюдаемости) искомых параметров. Часто при измерении параметров интегральных микросхем или других узлов радиоэлектронной аппаратуры на печатных платах условия измеряемости не выполняются. Это вынуждает для решения данной проблемы упрощать исходную модель. Поэтому в ряде случаев при построении измерительных устройств используются упрощенные модели, когда группа элементов исходной модели представляется в виде одного элемента сложной структуры. В результате для этих моделей соблюдается условие измеряемости без физического разрушения схем [32].
Вопросы исследования измеряемости объектов рассматриваются в ряде работ, например, в [21, 26, 33, 34].
Измеряемость параметров исследуемых элементов в некоторых частных случаях достигается путем создания специальных электрических режи мов; подключением параллельно исследуемому элементу опорных элементов, варьированием параметров тестового воздействия и т.п. [15].Таким образом, в зависимости от практической задачи реальный объект описывается той ли иной моделью. На основе этой информации выбирается метод измерения и проводится синтез измерительного устройства.
Для получения информации о параметрах пассивных элементов МЭЦ известны различные способы. Однако, можно выделить два направления, основанные на:- обработке информации о параметрах макромодели МЭЦ;- обработке информации, полученной в результате искусственного расчленения (без физического разрушения) исследуемых МЭЦ на более простые двухполюсные цепи - ветви - путем создания специальных электрических режимов на полюсах (в ветвях) МЭЦ [15, 26, 35].
Получение информации о параметрах ветви МЭЦ, а также многополюсных элементах, входящих в состав сложных многополюсных электрических цепей, предполагает наличие априорной информации о структуре исследуемого объекта, то есть описания его схемой замещения (моделью), достаточно адекватно отражающей его свойства.
Следует отметить, что сложные многополюсные электрические цепи, как правило, имеют замкнутую структуру, представляющую соединение нескольких контуров из самых различных элементов. Исключение составляют звездообразные цепи; сложность в определении параметров ветвей которых появляется лишь в тех случаях, когда общий полюс недоступен для подключения.
Для решения задачи получения информации только о пассивных параметрах двухполюсных цепей, входящих в состав МЭЦ, целесообразно использование смешанных моделей, в которых при проведении одного измерительного эксперимента (определение параметров одной ветви) сложная МЭЦ преобразуется к упрощенной в виде трехполюсной МЭЦ простейшего вида "треугольник" или "звезда" [15, 26, 35] путем закорачивания определенных полюсов МЭЦ. Метод включает несколько этапов, осуществляемых последовательно во времени. На каждом этапе определяются параметры одной ветви. Для этого упрощенная МЭЦ включается в измерительную схему таким образом, что исследуемая ветвь может рассматриваться как отдельный двухполюсник, энергетический режим в котором не будет зависеть от других ветвей трехполюсной МЭЦ.
Проблемы и ограничения при внутрисхемном контроле активных элементов
При разработке методов внутрисхемного контроля одной из самых трудных является задача обеспечения контроля ОУ - одного из наиболее распространенных классов АИС.
При внутрисхемном контроле ОУ сложность задачи усугубляется большим разнообразием схем, в которые включается ОУ, разнообразием значений и формы сигналов на его входах и выходах.
Внутрисхемный контроль ОУ возможен [77] путем подключения к его выводам дополнительных низкоомных элементов, шунтирующих элементы рабочей схемы, и образования тем самым специальной диагностической схемы. Полученная схема может представлять собой автогенератор на основе контролируемого ОУ, вырабатывающий в случае его исправности сигналы определенной формы.
Другой вариант диагностической схемы [77] - организация на основе контролируемого ОУ схемы инвертирующего усилителя или повторителя напряжения. Исправность ОУ проверяется по прохождению через него специального тестового сигнала, подаваемого на вход.Однако, эти методы нельзя признать достаточно универсальными по следующим причинам:а) не во всех схемах можно обеспечить за счет внешних дополнительных цепей требуемые рабочие режимы, т.к. цепи рабочей схемысами могут быть низкоомными, например, в повторителе напряженияна ОУ его выход может быть соединен накоротко с инвертирующимвходом, рабочая схема может содержать индуктивности, конденсаторыбольшой емкости, сама по себе может быть автогенератором, или генератором может стать внешняя часть рабочей схемы за счет подключения к ней дополнительных элементов;б) в схеме появляются сигналы и цепи, на которые она не рассчитана. Это может привести к выходу из строя других элементов, соединенных с контролируемым ОУ;в) сигналы схемы, соединенной с контролируемым ОУ на плате,
По этим причинам требуется разработка специализированных методов внутрисхемного контроля ОУ.
При контроле исправности транзисторов все методы внутрисхемного контроля можно разделить на две группы [78,79,80]:1) методы, позволяющие проверить транзистор по критерию годности (методы качественной оценки работоспособности);2) методы, позволяющие измерить значения параметров транзисторов.
В простейшем случае транзистор может проверяться как два встречно включенных диода, т.е. по значениям сопротивлений переходов в открытом и закрытом состояниях. При этом влияние цепей, шунтирующих сопротивления переходов транзистора, устраняется теми же способами, что и при внутрисхемных измерениях параметров пассивных элементов [35, 54] (за счет устранения путей протекания токов через остальную часть схемы контролируемого объекта, шунтирующую проверяемый переход).
На рис.2.1. представлена схема, иллюстрирующая метод [54, 79]. Сопротивление перехода база - коллектор испытуемого транзистора VT объекта контроля (ОК) включается в цепь обратной связи ОУ, во входной цепи которого включен опорный резистор с сопротивлением RQ. Полярность опорного напряжения UQ постоянного тока соответствует напряжению запирания перехода.
Влияние шунтирующих цепей устраняется за счет подключения полюсов 2 и 5 ОК к земляной шине, в результате чего создается режим электрического разрыва в ветвях Z1 и Z2, т.к. на полюсе 1 напряжение близко к нулю благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ. Приведенная схема (рис. 2.1) может быть использована для качественной проверки работоспособности транзисторов. Точному измерению значений сопротивлений переходов препятствует очень широкий диапазон сопротивлений от десятков Ом у открытого перехода до десятков МОм у закрытого перехода, которые должны быть оценены с помощью одного измерительного преобразователя.критерию годности применяются также устройства, позволяющие оценить только усилительные свойства испытуемого транзистора. Для этого организуется измерительная схема генераторного типа, чаще всего блокинг-генератор, в которую включается проверяемый транзистор [81,82]. Результатом оценки является наличие (в случае исправного транзистора) или отсутствии генерируемого сигнала на выходе измерительной схемы. Влияние элементов рабочей схемы, в которую включен испытуемый транзистор, устраняется за счет низкоомности цепей измерительной схемы, шунтирующих элементы контролируемой схему.
Данный метод нашел широкое применение в радиолюбительской практике в силу простоты реализации и удобства представления информации о результатах проверки: весьма часто наличие генерации индицируется звуковыми или световыми сигналами. Вместе с тем, применение этого метода весьма ограничено по следующим причинам:- проверяемая плата включается под напряжение, при этом наличие одного неисправного элемента может привести к выходу из строя других элементов;- подключение к плате, включенной под напряжение, низкоомных цепей измерительной схемы резко нарушает режим работы, на который рабочая схема рассчитана, что также может привести к выходу из строя элементов;- появление в схеме генерируемых сигналов также может вызвать аналогичный эффект;- сигналы рабочей платы могут быть приняты ошибочно за результат проверки, что снижает достоверность контроля.
Транзистор при внутрисхемных измерениях его параметров находится под воздействием нескольких сигналов: напряжений, задающих режим по постоянному току, и тестовых воздействий.При этом желательно иметь режимы контроля параметров транзи
Свойства модели Гаммерштейна-Чебышева
Применение многочленов Чебышева для описания зависимости Y = F(X) (см. 2.5) накладывает определенный отпечаток на структурукибернетической модели и поэтому выделен особый тип - модель Гаммерштейна-Чебышева. Варианты представления данной модели показаны на рис. 3.1. Данная модель содержит ряд функциональных преобразователей с передаточными функциями в виде полиномов Чебышева Тп(Х),щеп = 1,2, 3, ....
В модели рис. 3.1,а безынерционные звенья с коэффициентами передачи Wi (і = 1,2,..., п) по сути являются коэффициентами разложения функции Y = F{X) в ряд Чебышева.
Линейная непрерывная часть модели рис. 3.1,6 представлена сумматором Е и рядом блоков линейного преобразования с амплитудно-фазовыми характеристиками (АФХ) Wn(j(o), где n = 0, 1, 2, 3, ....где М- число используемых членов в разложении.
Использование представления линейной непрерывной части модели в виде ряда блоков Wn(j(a) чисто формально для описания требует применения большего числа параметров по сравнению моделью Гаммерштейна (см. рис. 2.13,6). Однако этот очевидный недостаток компенсируется теми выгодами, которые предоставляют полиномы Чебышева при измерениях и анализе. Рассмотрим кратко основные прагматические свойства полиномов Чебышева и модели Гаммерштейна-Чебышева.
1. Чебышев показал, что из всех многочленов Рп{х) степени п со старшим коэффициентом 1 у многочлена точная верхняя грань абсо 2п-1лютных значений на интервале [-1, 1] наименьшая [125, 128]. Так как максимум \Тп(х)\ равен 1 (см. рис.2.18), то указанная верхняя грань равна —-г. Это свойство играет важную роль при анализе погрешностей. Если какая-либо абсолютная погрешность может быть выражена многочленом Чебышева степени п, то любое другое выражение для погрешности в виде многочлена степени п, имеющего тот же старший коэффициент, на интервале [-1, 1] будет иметь большую максимальную погрешность аппроксимации, чем чебышевское. В соответствии с этим, «чебышевским приближением» называют такое, при котором стремятся свести к минимуму максимум погрешности аппроксимации. Иногда это называют «принципом минимак-са». Известная аппроксимация в смысле наименьших квадратов уменьшает среднеквадратичную погрешность, но при этом допускаются отдельные большие значения погрешности. Чебышевское - уменьшает экстремальную погрешность, допуская большое среднеквадратичное отклонение.
2. Многочлены Чебышева представляют собой эффективный инструмент для «экономизации» представления функций в виде степенных полиномов [129] и, следовательно, удобны для параметрического представления нелинейных характеристик. Процесс «экономизации» заключается в замене соответствующих степеней аргументов исходного многочлена выражениями записанными через соответствующие многочлены Чебышеват.е. в превращении исходного многочлена в разложение по многочленам Чебышева. При этом вследствие того, что для широкого класса функций разложение по чебышевским многочленам сходится много быстрей, чем по любой другой системе ортогональных базисных функций, появляется воз можность понижения степени исходного многочлена путем отбрасывания слагаемых со старшими степенями.
Таким образом, степенной ряд, состоящий из большого числа членов, превращенный в чебышевское разложение, дает аппроксимацию многочленом значительно меньшей степени, так как можно отбрасывать много последних членов чебышевского разложения без большого увеличения погрешности аппроксимации.
В табл. 3.1. Представлены формулы для пересчета коэффициентов представления функции Y-F{X) в виде степенного рядаY = uQ + a\X + a2X + ... в коэффициенты Wf разложения по многочленам Чебышева.в модели Гаммерштейна-Чебышева [130] между чебышевским разложением и разложением в ряд Фурье выходного сигнала Y существует очень простая связь, которая не требует вычислений. Переход от одного разложения к другому осуществляется простой заменой знаков перед коэффициентами. Это свойство имеет важное практическое применение, так как позволяет для реализации чебышевских разложений на практике применять анализаторы спектра.
Проиллюстрируем данное свойство более подробно, используя безынерционную модель Гаммерштейна-Чебышева, т.е. будем полагать, что Wn(j(u) = Wn= const (см. рис. 3.1,а). В этом случае функция преобразованиясоответствующей функциональной модели будет описываться выражением:Подставляя в выражение (3.4) величины X согласно (3.3) и применяя формулы (2.34).. .(2.40), рассмотрим сигналы на входах сумматора. Для входа +1 имеем:Применяя далее описанную процедуру с учетом известных тригонометрических преобразований [131], получим:
Одноканальные структуры измерительных преобразователей для внутрисхемного контроля токов активных элементов
Схему ГШВ МЭЦ с ВК можно представить в виде одноканальной структуры рис.4.1 [31].
Измерение тока потребления осуществляется следующим образом. При включении ОИН измеритель тока (ИТ) покажет значение суммы токовгде 1Х - ток, потребляемый контролируемым активным элементом ИС;/ш - ток, потребляемый по цепи питания другими элементами платы, включенными параллельно контролируемому и шунтирующими его.
При протекании тока 1Ш появляется падение напряжения на участке дорожки питания платы между точками а и б (см. рис.2.1) подключения контролируемого и соседнего шунтирующего его активных элементов. Падение напряжения на участке дорожки питания платы усиливается ДУ. Его выходным сигналом через интегратор управляется регулируемый опорный источник напряжения (РОИН), выходное напряжение которого подается на дорожку питания платы в точку б и изменяется в соответствии с выходным сигналом ДУ и интегратора (ИНТ) таким образом, чтобы падение напряжения на участке а - б дорожки плата стало равным нулю. Мощность ОИН расходуется только на питание контролируемого активного элемента; ИТ покажет значение тока, потребляемого только этим элементом. Питание остальных элементов на плате осуществляется при этом от РОИН. В данной одноканальной структуре в качестве узла сравнения использован ДУ, представляющий собой широкополосный высокочувствительный усилитель с малым дрейфом нуля, построенный по схеме модулятор-демодулятор (ОУ типа К140УД13). Применение модуляции вызвано необходимостью получения высокой чувствительности при малом дрейфе нуля, что не достигается применением усилителя постоянного тока с непосредственными связями. Другой способ решения данной задачи - применение ОУ с периодической коррекцией дрейфа нуля, например, отечественных ОУ типов 140УД21 или 140УД24.РОИН управляется выходным напряжением ДУ через интегратор. На личие интегратора обусловлено использованием для повышения точности измерительной цепи с астатическим уравновешиванием, для которой необходим элемент памяти. Опорный источник компенсирующего напряжения (РОИН), лишь регулируется сигналами ± At/, поступающими на вход узла сравнения. Для этого выход узла сравнения - выход ДУ оснащается элементом памяти, запоминающим установленное значение напряжения.
В результате этого для поддержания нужного значения компенсирующего напряжения на выходе РОИН, входное воздействие ± AU Ф О используется лишь для перестройки компенсирующего напряжения на новое значение, т.е. для изменения хранимого элементом памяти (интегратором) значения напряжения.
Учитывая контактные сопротивления RKa и RKg, контактную разность потенциалов Ека, Ек и сопротивление і?д участка аб дорожки платы, структуру ИП рис. 4.2 можно представить в виде рис. 4.2. потребления активного элемента на плате определяется значением нескомпенсированного тока, появляющегося из-за неидентичности установки напряжений на выходах ОИН и РОИН:
Определим погрешность измерения тока потребления Iх для данной структуры. Для этого определим напряжения Uа и [/ , считая поочереднонулевым воздействие от ОИН или РОИН.
При определении напряжений Ua и Ug схема, изображенная нарис. 4.2, соответственно преобразуется в эквивалентные схемы, представленные соответственно нарис. 4.3, а, б.Рис. 4.3 Из анализа этих схем следуют расчетные соотношения: ECMQ - напряжение сещения нуля ДУ;
Ека, Екб - значения контактной разности потенциалов в точках а и б подключения к дорожке питания платы.Напряжения Ua и UQ определяются следующими соотношениями:Ua-u a+u JiUe-u g+UJl: контактные сопротивления при подключении к дорожке питания платы;Rm - сопротивление элементов, шунтирующих контролируемый эле мент:Rx - сопротивление контролируемого элемента, ток потребления которого измеряется.После преобразований, при условииПроводя соответствующие преобразования, можно записать: Яд +Кка Выражения для Ua и Ug МОЖНО несколько упростить, учитывая малость сопротивления дорожки и контактных сопротивлений по сравнению с сопротивлением элементов, шунтирующих контролируемый элемент. Так как Rm » RKa RKg и Rm » RKg і?д, получимНа рис. 4.4 а, б приведены графики изменения относительной погрешности измерения тока потребления активных элементов на плате 5 = АІ11 149
На печатной плате в большинстве случаев по обе стороны от контролируемого активного элемента включены шунтирующие элементы по цепи питания. Это приводит к необходимости применения двухканальной структуры для измерения тока потребления, т.к. необходимо полностью исключить пути протекания тока через шунтирующие элементы.Двухканальная структура ИП практически является удвоенным вариантом одноканальной (рис. 4.1), при этом погрешность измерения тока удваивается.
Однако для исключения влияния шунтирующих элементов, расположенных по обе стороны от контролируемого активного элемента, также возможно применение одноканальной структуры ИП (рис. 4.1), которая для данного случая может быть преобразована в структуру ИП рис. 4.5 [142].
Наличие шунта из толстого медного провода, соединяющего точки подключения шунтирующих элементов по обе стороны от контролируемого элемента, позволяет компенсировать потребление ими тока при использовании одноканальной структуры.
С учетом контактных сопротивлений в точках подключения к дорожке питания печатной платы, контактной разности потенциалов в этих же точках, сопротивлений участков ав, бв дорожки платы, на которых измеряется падение напряжения от протекания тока через шунтирующие элементы, и сопротивления шунта, структуру ИП рис. 4.5 можно представить в виде схемы рис. 4.6.Погрешность измерения тока потребления активного элемента на плате для данной структуры, определяется значением нескомпенсиро-ванного тока, появляющегося из-за неидентичности установки напряжений на выходе ОИН и РОИН:
