Тема 6.1: Наладка элементов электронных схем

Основные понятия. Непрерывный рост степени автоматизации технологических процессов приводит к повышению сложности систем управления с одновременным повышением требований к их надежности, быстродействию, габаритам и другим параметрам. Выполнение этих требований возможно только при широком использовании бесконтактной техники. При этом логические функции реализуются с помощью бесконтактных логических элементов.

Первоначально бесконтактные логические элементы использовались для построения схем, заменяющих традиционные релейные схемы. В качестве элементной базы этого поколения применялись транзисторные схемы, выполняемые с помощью навесного монтажа, в различном конструктивном исполнении.

Наибольшее распространение в промышленном электрооборудовании получили функционально полные системы элементов. Логика-Т и Спектр. Дальнейшее усложнение систем управления потребовало миниатюризации, удешевления и повышения уровня надежности самих элементов. Этим требованиям удовлетворяют твердотельные интегральные микросхемы (ИМС), выпускаемые в настоящее время в нескольких десятках различных по технологии изготовления и электрическим параметрам серий.

На базе бесконтактных элементов разрабатываются бесконтактные системы управления (БСУ) различного объема и сложности.

Многие традиционные методы наладки релейно-контакторных систем управления оказываются непригодными в случае применения БСУ. При этом возникает необходимость в специфических методах, определяемых особенностями используемых бесконтактных логических элементов.

Так, например, оказывается непригодным основной прием наладки контактных систем- прозвонка, что обусловлено отсутствием полностью замкнутых и разомкнутых цепей. Действительно, все цепи образуются включенными или отключенными транзисторами, присутствующими либо в виде навесных компонентов, либо внутри кристалла ИМС. Сопротивления открытых и запертых транзисторов имеют конечные значения, и по их значению невозможно достоверно судить о состоянии и правильности монтажа схемы. Кроме того, цепи бесконтактных элементов чувствительны к значению и полярности напряжений, применяемых в процессе прозвонки. Превышение некоторого значения этого напряжения, различного для разной элементной базы, может привести к выходу из строя элементов. К такому же результату может привести и приложение к элементам напряжения неправильной полярности, даже если ПО значению это напряжение весьма мало.

С другой стороны, наличие в схемах только логических сигналов позволяет существенно формализовать наладочные операции.

Внедрение бесконтактных логических элементов привело к необходимости новых конструктивных решений при построении БСУ и прежде всего к широкому внедрению модульного принципа построения. При этом каждый модуль представляет собой конструктивно и функционально законченное изделие.

Таким образом, в процессе наладки БСУ возникает необходимость проверки отдельных модулей с логическими элементами (ячеек, субблоков, блоков).

При проверке отдельных модулей и БСУ в целом используется общий подход к ряду вопросов. Поэтому целесообразно ввести ряд основных понятий.

Неисправность - физический дефект одного или нескольких компонентов, вызывающих неправильную работу схемы

К неисправностям логического типа относятся неисправности, характеризуемые постоянным наличием ложных логических сигналов хотя бы на одном выходе, не соответствующих заданному набору входных логических сигналов.

Другим видом неисправности является потеря функциональной устойчивости. Этот вид неисправности может вызываться несоответствием выходных параметров логических элементов паспортным данным (например, уровней логических сигналов, времен задержек распространения сигналов и т.д.).

Операция проверки - операция, состоящая из подачи на входы схемы набора логических сигналов (входного набора) и контроля набора логических сигналов на выходах схемы (выходного набора).

Контрольный тест - совокупность операций проверки, достаточных для выявления всех неисправностей логического типа.

Длина теста-число операций проверки.

Комбинационный тест - контрольный тест, в котором последовательность операций проверки может быть произвольной.

Последовательный тест - контрольный тест, последовательность операций в котором строго задана и не может быть изменена.

Основным видом проверки для бесконтактных систем управления вне зависимости от элементной базы, на которой они выполнены, является проверка системы на функционирование. При проверке на функционирование достаточно простой системы, состоящей из небольшого числа элементов; анализ правильности ее работы возможен с помощью контрольных тестов. Системы средней и большой сложности проверить в целом на функционирование указанным способом практически невозможно, так как длина контрольного теста для таких систем оказывается слишком большой. Поэтому проверку сложных бесконтактных систем управления на функционирование следует производить поэтапно. На первом этапе должны быть проверены элементарные составные части (модули) системы. Для бесконтактных систем управления (БСУ), выполненных на логических элементах серии Ло-гика-Т, такой частью является блок с проводным монтажом между элементами, а для БСУ, выполненных на устройствах серии Спектр, субблок.

Для проверки на функционирование элементарных частей БСУ различных исполнений, как правило, существуют специальные устройства, работающие в автоматическом, полуавтоматическом или ручном режиме. Автоматические устройства обычно используются на заводах-изготовителях, а полуавтоматические или работающие в ручном режиме поставляются комплектно со сложными БСУ или при поставке большого количества БСУ на один объект. Такие устройства могут использоваться при пусконаладочных работах. Подробнее некоторые из таких устройств будут описаны ниже. Создание устройств, специально предназначенных для пусконаладочных организации, нецелесообразно из-за большого разнообразия элементной базы БСУ.

На втором этапе проверяется функционирование более сложных узлов БСУ, например комплектных устройств. Для их проверки необходима подача некоторого набора сигналов с целью имитации реального режима работы БСУ. Для этой цели могут применяться специализированные имитаторы сигналов, предназначенные для данной элементной базы. Иногда такие имитаторы входят в состав БСУ и служат не только для проведения пусконаладочных работ, но и для профилактического контроля БСУ в процессе эксплуатации. В последнее время для очень сложных систем бесконтактного управления, построенных с применением больших интегральных микросхем (БИС) и представляющих собой специализированные управляющие логические или вычислительные устройства, оказалось целесообразным включение в состав системы специального устройства или нескольким устройств, проверяющих и индицирующих правильное функционирование частей системы или даже отдельных элементарных модулей. Для программируемых систем, в которых алгоритм управления содержится в памяти устройства, предусматриваются специальные тестовые программы проверки правильности функционирования всей системы и отдельных ее узлов.

На каждом из перечисленных этапов при неправильном функционировании элемента или узла прежде всего следует заменить неисправный модуль на исправный. 3атем в неисправном модуле следует выявить конкретный элемент: транзистор, диод, микросхему и т. п., подлежащий замене. Выявление дефектных микросхем облегчается при применении специальных устройств. Так как цифровые микросхемы применяются не только в специальных БСУ, но и в составе многих устройств управления, то для пусконаладочных работ разработан специализированный комплект приспособлений для поиска неисправных микросхем КН-ДИ. Основные технические данные устройств, входящих в этот комплект, приведены в разд. 3.

Рассмотренные выше неисправности БСУ относятся к неисправностям логического типа. Большинство дефектов связано с ошибками внутриблочного монтажа для логических элементов серий Логика-Т и Спектр, а для систем, выполненных на микросхемной элементной базе, - с некачественными печатным монтажом и пайкой ИМС на печатных платах. В системах, построенных на элементах серий Логика-Т и Спектр, большая часть соединений выполняется проводным монтажом, трудно поддающимся заводскому контролю, а для систем, выполненных на ИМС, основная масса соединений-печатные проводники, где наиболее вероятны случайные перемычки между соседними проводниками, образованные припоем (неисправность типа «перемыкание»), и отсутствие электрической цепи между элементами схемы (неисправность типа «обрыв»).

Однако возможны также неисправности БСУ, связанные со временем прохождения сигналов по тем или иным путям. К числу таких неисправностей, например, относится запаздывание, задержка одного или нескольких сигналов, приводящая к появлению хотя бы кратковременных ложных выходных сигналов. Такого рода неисправности вызываются наличием времени задержки изменения выходных сигналов элементов после изменения сигналов на их входах. Эти времена задержки называют временем распространения сигнала в элементе. Время распространения сигнала обязательно учитывается при проектировании БСУ, но это не исключает возможности потери функциональной устойчивости БСУ, связанной с отклонениями параметров логических элементов от номинальных значении. Если логические сигналы проходят от входа к выходу несколькими независимыми путями и время прохождения этими сигналами по разным путям оказывается примерно одинаковым, то на входах выходного элемента (элементов) могут появляться непредсказуемые, неопределенные комбинации сигналов. Это приведет к ложным выходным сигналам. Неопределенность возникает вследствие изменения во времени (или из-за колебаний температуры среды) распространения сигналов в элементах, а следовательно, и в цепи последовательно включенных элементов. Такой ненормальный режим работы логических схем называют состязанием сигналов или гонками. Возможны и другие причины потери функциональной устойчивости БСУ. Отыскание таких неисправностей представляет значительные трудности, требует применения специальной аппаратуры и трудоемких работ с помощью осциллографа и других приборов. Принцип отыскания неисправностей подобного рода состоит в анализе прохождения сигналов от входа к выходу, так же как и при отыскании неисправностей логического рода, но с обязательным исследованием всех сигналов как по уровню, так и по временным характеристикам.

Не меньшие сложности вызывает отыскание неисправностей БСУ, связанных с наличием сигналов помех. Как правило, проекты содержат комплекс основных мероприятий и средств, предотвращающих влияние внешних помех. Эти мероприятия и средства направлены в основном на снижение вероятности проникновения помех по входным и выходным цепям, а также по цепям питания БСУ. Ниже на примере БСУ, построенных на элементах УБСР-ДИ, дается достаточно подробное изложение методов повышения помехоустойчивости. Эти методы применимы практически для любой элементной базы БСУ.

В общем случае при наладке БСУ должны быть выполнены следующие виды проверок и испытаний:

внешний осмотр и проверка комплектности изделия;

проверка монтажа БСУ. Как правило, этот вид проверки не требуется на месте монтажа;

измерение сопротивления изоляции и испытание электрической прочности изоляции в соответствий с ПУЭ;

проверка системы питания, включая настройку защит и источников стабилизированного питания;

проверка модулей (ячеек, субблоков, блоков) на функционирование;

проверка внешних цепей;

проверка на функционирование комплектных устройств и БСУ в целом.