Číslicová měření

Datum: 20.06.2017

Kategorie: Kontrolní systémy

Oproti analogovým součástkám, které se zkoušejí pouze staticky, se číslicové součástky zkouší funkčně. To znamená, že se plně prozkouší jejich funkce podle pravdivostní tabulky. Je nutné si uvědomit, že prozkoušení funkce neznamená zkoušení dynamických parametrů v reálném čase, ale pouze ověření jejich číslicové funkce.

Prozkoušení dynamických parametrů číslicových obvodů je spíše charakteristické pro speciální testovací systémy “ušité na míru” pro konkrétní výrobek. V universálních zařízeních je toto velmi obtížné, proto se považuje za vyhovující pouze kontrola logické funkce číslicového obvodu a dynamické parametry se kontrolují na již sestaveném finálním výrobku.

Číslicové testy osazených desek plošných spojů můžeme rozdělit do následujících skupin:

Testy s vnucováním logických stavů,
testy zkoušející určité logické celky podle předem stanoveného algoritmu,
boundary scan - zkoušení desky metodou okrajového snímání.

První z nich je standardní metoda. Princip je velmi jednoduchý – číslicovému obvodu na vstup vnutíme určitý stav a kontroluje odezvu. Zde nutné počítat s tím, že obvody jsou zapojeny do řetězce a ovlivňují se navzájem, proto je mnohdy nutné stav “násilím” vnutit. Je jasné, že pokud zkoušíme jeden po druhém tím, že na jeho vstupy přivádíme 0 nebo 1 (sledujeme výstup), může jiný obvod prostě přivést na vstup jinou logickou úroveň, než kterou potřebuje testování. Obvody jsou pod napájením, tudíž deska pracuje! To znamená, že budící vnucený signál musí mít vyšší energii, abychom “přetáhly” logickou úroveň, kterou by mohl vedlejší obvod přivést a tato by nebyla vhodná pro test. Test musí být časově omezen aby se předešlo případnému poškození obvodu.

Obr. 2 Testování číslicových obvodů. Budič přivádí testující signál dle pravdivostní tabulky do konkrétního obvodu. Snímač sleduje odezvu.

Tento způsob se označuje jako “Backdriving”. V současné době má tento způsob již nedostatečné využití, protože číslicové obvody jsou stále složitější a není možné jejich funkci postihnout, pouze pravdivostní tabulku. Další záporem je, že mnozí konstruktéři zařízení se obávají těchto testů z prostého důvodu: obvodům je vnucován stav o vyšší energii a potencionálně by mohlo dojít k jeho poškození. Tyto testy měly význam především u TTL logiky. V současné době je preferován druhý způsob testování. Kontrola logického celku přirozeným signálem je smysluplná a může se předpokládat, že odhalí většinu možných závad logiky. Programátor testovacího systému společně s konstruktérem obvodu (pokud je to možné) určí oblast, kterou je nutné testovat. Tato oblast je charakterizovaná vstupem a výstupem. Na vstup se přivádí potřebný sled logických úrovní a sleduje se odezva. Pokud se vyskytne závada, je předem zřejmé, že je způsobena konkrétním číslicovým obvodem nebo velmi úzkou skupinou. Ostatní součástky jsou již vyloučeny předchozím vnitroobvodovým testem pasivních součástek. Záleží pouze na programovém vybavení testovacího systému, jak komfortně je schopen zobrazit sled číslicových signálů a tím určit závadu.

Třetí skupinu tvoří tzv. Boundary scan - zkoušení desky metodou okrajového snímání

Zkoušení integrovaných obvodů se postupně dostává do vážných problémů díky zvyšující se složitosti čipu. Hloubka sekvenční logiky neustále narůstá, čímž se neúnosně prodlužuje čas na přípravu zkoušky a trvání vlastní zkoušky. Proto konstruktéři hledali nějaké možnosti testování desek plošných spojů osazených číslicovými integrovanými obvody. Metoda, která stále více nabývá na významu, se nazývá Boundary scan - zkoušení desky metodou okrajového snímání. Je třeba si uvědomit, že většinu chyb je možné odhalit vnitroobvodovým testem. Stádium, kdy je třeba testovat číslicové obvody, je takové, že jsou odstraněny všechny zkraty, přerušení a vadné pasivní součástky. Zbývá tedy zjistit, zda-li jsou obvody zapájeny, nejsou-li porušeny vnitřní cesty a je-li správná logická funkce. Logickou funkci, jak už bylo řečeno, není možné zkoušet, zbývá tedy pouze kontrola vodivých cest z hlediska obvodů a částečně samotného obvodu.

Během roku 1986 bylo dosaženo všeobecné dohody mezi několika evropskými a americkými systémovými společnostmi v oblasti testovatelnosti integrovaných obvodů a desky plošného spoje. Bylo dohodnuto, že snímací cesta podél vývodů číslicových integrovaných obvodů může vyřešit problém testovatelnosti na úrovni desky. Nejprve byly principy okrajového snímání aplikovány pro konstrukce zákaznických obvodů. Pro konstruktéry číslicových obvodů to ovšem znamená, že musí do obvodů přidat další prvky. Tyto obvody jsou schopny provést oddělení “jádra obvodu” od ostatních spřažených obvodů. Tím roste do určité míry plocha obvodu. Pravděpodobně požadavek testovatelnosti je silnější, než přísný požadavek na velikost plochy obvodu. Na obrázku je schéma desky s cestou pro okrajové snímání.

BSI = okrajové snímání – vstup, BSO = okrajové snímání – výstup, BSE = okrajové snímání – aktivace, BSL = okrajové snímání – zavedení, BSC = okrajové snímání – hodiny.

Pro implementaci zkušební metody okrajového snímání je zapotřebí pět přístupových cest, a to: jedna špička hodin, dvě sériové špičky a dvě špičky režimu. Celkový počet kanálů závisí na maximálním počtu jednotlivých cest okrajového snímání. Sériová okrajová snímací cesta může být považována za jistý druh ”elektronické propojovací desky” a lze ji využít dvěma způsoby. Především umožňuje testovat jádro součástek. Za druhé dovoluje zkontrolovat správné zapojení a zapájení obvodů na desce.

Při návrhu desky plošného spoje je rovněž nutné vytvořit některá jednoduchá opatření. Propojením okrajových snímacích cest jednotlivých obvodů je třeba vytvořit jednu nebo více okrajových snímacích cest. Tyto cesty a ovládací prvky musejí být přístupné a ovladatelné. To je možno zajistit zkušební ploškou nebo konektorovým kontaktem. Kvůli ”čistotě” a jednoduchosti návrhu při metodě okrajového snímání zkušební spoje na desce nepřekážejí spojům funkčním.

Zkušební testy

Pro obvodové zkoušky je velmi důležité funkční chování jádra obvodu. Zkušební test musí být napsán tak, aby se kryl se vstupními a výstupními signály okolních obvodů a nebo stavy vnucovat (Backdriving). Pro okrajové snímání je činnost jádra nepodstatná.

Při tvorbě zkušebních testů je třeba stanovit několik zásad:

kontrolu kontinuity okrajového snímání,
chybový model,
je-li deska plně testovatelná okrajovým snímáním,
je-li mezi okrajově snímatelnými integrovanými obvody umístěna logika,
diagnostickou metodu (řízená sonda nebo slovník chyb).

Při tvorbě testovacího programu musí být vytvořena možnost přesné odpovědi na výše uvedené otázky. Jak už bylo řečeno, je-li při pouze funkční zkoušce nějaké desky plošného spoje zjištěna chyba, není možné přesně označit místo jejího výskytu. Chyba může být v samotném čipu obvodu nebo v plošném spoji desky. Místo výskytu je třeba nalézt okem nebo sondou.

V případě okrajového snímání je situace odlišná. Ke stanovení místa chyby je možno použít sondu, program nebo slovník chyb. Jinou strategií může být inicializace okrajového snímání do určitého stavu během napájení. Pak se zahájí posun, výpočet výstupního obrazce, dokud se vyskytují změny hodnoty. Potom lze vypočítat místo výskytu chyby. Zkušební logika pro okrajové snímání může být vyrobena ze standardních součástek, protože se nevyžaduje zpětné buzení. Díky tomu a díky jednoduché konstrukci a připojení okrajové snímací cesty nevznikají problémy s maximálním kmitočtem a časováním. Je zapotřebí vytvořit program pro přístup do chybového slovníku a k ovládání řízené sondy. Chybová zpráva se týká: polohy, typu a špičky součástky.

Okrajové snímání dává možnost měřit vstupní a výstupní vyrovnávací paměti ve fázi výroby obvodu, a to bez použití rozsáhlých zkušebních zařízení.

Bez předání informací o čipu obvodu konečným uživatelům jsou obvody stále testovatelné na úrovni desky. To znamená, že je možné desku s obvody relativně rychle testovat bez bližších znalostí funkce jednotlivých obvodů.