No title

HLEDÁNÍ A ODSTRAÒOVÁNÍ PORUCH

Wolfgang Matthes

HLEDÁNÍ A ODSTRAÒOVÁNÍ PORUCH Mìøení a testování v poèítaèové a èíslicové technice

èeské vydání 2001

Pøíspìvky uveøejnìné v této knize, zejména všechny èlánky a návrhy, plány, výkresy a ilustrace jsou autorsky chránìny. Jejich rozmnožování a rozšiøování, by èásteèné, je zásadnì povoleno jen s písemným souhlasem vydavatele. Informace v pøedkládané knize jsou uveøejnìny bez ohledu na pøípadnou patentovou ochranu. Oznaèení softwarových a hardwarových produktù mohou být zapsanými obchodními znaèkami, i když na to není výslovnì poukázáno. Náležejí pøíslušným držitelùm ochranných znaèek a podléhají zákonným ustanovením. Sestavování textù a obrázkù byla vìnována maximální péèe. Pøesto nemohou být zcela vylouèeny chyby. Nakladatelství, vydavatel ani autor nemohou pøevzít žádnou právní zodpovìdnost ani jakékoliv záruky za chybné údaje a jejich následky. Nakladatelství i autor budou vdìèni za oznámení pøípadných chyb. Firmì Scale-Multimedia, Aachen dìkujeme za poskytnutí karty rozhraní a firmì Conrad-Electronic, Hirschau za poskytnutí zvukové karty k poøízení titulní fotografie. Copyright

Wolfgang Matthes

HLEDÁNÍ A ODSTRAÒOVÁNÍ PORUCH Mìøení a testování v poèítaèové a èíslicové technice Pøíspìvky uveøejnìné v této knize, zejména všechny statì a èlánky, stejnì jako návrhy, plánky, výkresy a obrázky, jsou autorsky chránìny. Jejich rozmnožování a šíøení, i èásteèné, je zásadnì možné jen s písemným svolením vydavatele. Informace v této knize jsou zveøejòovány bez ohledu na pøípadnou patentovou ochranu. Oznaèení softwarových a hardwarových produktù uvedených v této knize mohou tedy být registrovanými výrobními znaèkami, i když to není výslovnì zmínìno. Patøí držiteli výrobní znaèky a podléhají zákonným ustanovením. Vytváøení textù a obrázkù byla vìnována nejvyšší péèe. Pøesto nelze zcela vylouèit chyby. Autor, nakladatelství, vydavatel ani pøekladatel nemùže za chybné údaje a jejich následky pøebírat právní odpovìdnost ani jakoukoliv záruku. Za upozornìní na pøípadné chyby budou všichni, kdo se podíleli na vydání knihy, vdìèni. Veškerá práva vyhrazena. © Segment B.V., Beek (Limburg), the Netherlands, 2001 Kniha je pøekladem nìmeckého originálu „Fehlersuchen in der Computer – und Digitaltechnik“ (ISBN 3-89576-026-9) 1. èeské vydání 2001 ISBN 80-86167-18-6 (HEL Ostrava) Orig.: ISBN 3-89576-026-9 (Elektor-Verlag, Aachen)

OBSAH 1

ÚVOD............................................................. 11

2

ZÁKLADY HLEDÁNÍ PORUCH ....................... 15

2.1

ZÁKLADNÍ ODBORNÉ POJMY ...................................................... 15

2.2 2.2.1

PØÍÈINY CHYB, MECHANISMY CHYB A MODELY CHYB ........... 17 Pøíèiny chyb ve vývoji a v servisu .................................................... 17

2.2.2

Chybové mechanismy a chybové hypotézy .................................... 24

2.2.3

Modely chyb .................................................................................... 32

2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3

TESTOVACÍ A DIAGNOSTICKÉ PRINCIPY .................................. 34 Testovací a zkušební postupy ......................................................... 34 Kritéria kvality zkušebního postupu ................................................ 35 Úrovnì testování, rozsah testování, tvrdost testù ........................... 37

2.3.4

Návrh systému z hlediska testování a servisu ................................ 54

2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4

ROZPOZNÁVÁNÍ PORUCH (VERIFIKACE) .................................. 61 Pozorování a sledování normálních prùbìhù ................................. 61 Sledování diagnostických prùbìhù ................................................. 61 Rozpoznávání pøechodných poruch (krátkodobých výpadkù) ........ 64 Zahoøovací testy (burn-in-tests) ...................................................... 65

2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3

LOKALIZACE PORUCH ................................................................. 66 Strategie hledání poruch ................................................................. 66 Logické uvažování pøi hledání poruch ............................................ 66 Sledování prùbìhu nebo sledu signálù ........................................... 69

2.5.4 2.5.5

Sledování signálu pøi neúplné dokumentaci ................................... 83 Principy brokovnice (shotgun principles) ........................................ 84

2.6

VYMÌÒOVAT NEBO MÌØIT? ......................................................... 84

HEL

Pøíèiny chyb ve vývoji ................................................................................. 17 Pøíèiny poruch v servisu ............................................................................. 22 Chybové mechanismy v polovodièích ........................................................ 25 Chybové mechanismy v zaøízeních nebo funkèních jednotkách ................ 31 Chybové mechanismy podmínìné prostøedím ........................................... 31

Stav techniky .............................................................................................. 42 Neúplnost pøi testování ............................................................................... 50 Pøíèiny nedostateèné tvrdosti testu, popøípadì nedostateèného pokrytí .... 52

Èasové pomìry pøi testování ...................................................................... 70 Metody sledování signálù ........................................................................... 70 Jmenovité chování ..................................................................................... 76 Jednoduché pøíklady .................................................................................. 76 Latentní poruchy a sledování signálù ......................................................... 80 Zpìtná vazba v prùbìzích signálu .............................................................. 80

W. MATTHES: HLEDÁNÍ A ODSTRAÒOVÁNÍ

PORUCH

5

2.7 2.7.1 2.7.2

„OBRÁCENÁ“ VÝMÌNNÁ METODA: TESTERY A REFERENÈNÍ ZAØÍZENÍ (MASTER MACHINE) ...... 87 Testery, simulátory a testovací pomùcky ........................................ 88 Referenèní zaøízení (master machines) .......................................... 89

2.8

DIFERENÈNÍ DIAGNOSTIKA ........................................................ 90

3

VESTAVÌNÉ PROSTØEDKY PRO TESTOVÁNÍ A HLEDÁNÍ PORUCH ........ 91

3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4

3.2.5 3.2.6

Pøehled ............................................................................................ 91 Rozpoznávání poruch on line .......................................................... 94 Zdvojování (dvojnásobná redundance) ........................................... 94

Princip Master – Checker (hlavní zapojení – kontrolní zapojení) ............... 95 Hledání poruch u dvojnásobné redundance ............................................... 95

Kontrola paritou ............................................................................... 99

Obvody pro kontrolu parity na paralelních informaèních vedeních .......... 100 Úèinnost kontroly paritou .......................................................................... 104

Kontrolní kódy CRC ...................................................................... 106

Úèinnost kontroly CRC ............................................................................. 108 Cyklické kódy jako základ komprese testových dat ................................. 110

Èasové kontroly a mìøení èasu ..................................................... 110

Metody kontroly èasù ............................................................................... 110 Mìøení èasu .............................................................................................. 114 Obvody pro kontrolu a mìøení èasu ......................................................... 115 Testování prvkù pro kontrolu a mìøení èasu ............................................ 126

3.2.7

Další testy plauzibility .................................................................... 128 Hlídání podmínek prostøedí a provozních podmínek .................... 130 Minimální technické požadavky .................................................... 131 Základní zapojení .......................................................................... 133 Kontrola napìtí .............................................................................. 135 Kontrola teploty ............................................................................. 139 Ochrana pøed krádeží a sabotáží .................................................. 140 Pøíklad hlídacího integrovaného obvodu ....................................... 140 Ochranná opatøení ........................................................................ 142

3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5

POZOROVATELNOST A DOSAŽITELNOST ............................... 143 Nejjednodušší formy pøístupnosti. ................................................. 143 Testovací rozhraní ......................................................................... 147 Dotazovací èili serializaèní princip ................................................ 148 Adresovací èili deserializaèní princip ............................................ 152 Posuvná èili skenovací metoda ..................................................... 156

6

Princip ...................................................................................................... 156 Level Sensitive Scan Design (LSSD) ....................................................... 157 Skenování s náhodným pøístupem (Random Access Scan) .................... 160 Scan/Set Princip ....................................................................................... 161 Boundary Scan ......................................................................................... 161

W. MATTHES: HLEDÁNÍ A ODSTRAÒOVÁNÍ

PORUCH

HEL

3.3.6

Pozorovatelnost a dosažitelnost ve vlastních konstrukcích .......... 169

3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6

VESTAVÌNÉ AUTOTESTOVACÍ A JINÉ TESTOVACÍ PROSTØEDKY ............................................ 170 Autotestovací prostøedky ............................................................... 170 Pseudonáhodné testy ................................................................... 171 Sbìrnice s vysokou impedancí ..................................................... 173 Strom z logických èlenù NAND ..................................................... 173 Testovací prostøedky v programovatelné logice ............................ 175 Hlídací a testovací prostøedky ve výkonových zapojeních ........... 176

4

TECHNIKA MÌØENÍ A TESTOVÁNÍ ............. 179

4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3

ZÁKLADY ...................................................................................... 179 K volbì mìøicích a testovacích pøístrojù ....................................... 179 Základní technická data ................................................................ 180 Chyby mìøení, citlivost, rozlišovací schopnost ............................. 182

4.2 4.2.1 4.2.2

4.2.3

4.2.4 4.2.5

4.2.6 4.2.7

HEL

Chyby (neurèitosti) mìøení ....................................................................... 182 Citlivost ..................................................................................................... 185 Rozlišovací schopnost .............................................................................. 185 Volba pøístroje .......................................................................................... 186 Chyby podmínìné mìøicím uspoøádáním ................................................ 187 Cejchování/kalibrace ................................................................................ 188

MÌØENÍ ZÁKLADNÍCH ELEKTRICKÝCH VELIÈIN .................... 188 Mìøicí pøístroje pro napìtí a proud ................................................ 188

Analogové mìøicí pøístroje ........................................................................ 188 Èíslicové mìøicí pøístroje .......................................................................... 193

Mìøení napìtí ................................................................................ 195

Praktická zapojení .................................................................................... 200 Napájení èíslicových pøístrojù ................................................................... 201 Problémy s rušením u stejnosmìrných mìøení ........................................ 203 Pøesnìjší mìøení napìtí: mìøení proti zvýšenému napìtí (zvednutí) ....... 204 Mìøení vysokého napìtí ........................................................................... 205

Mìøení proudu ............................................................................... 207

Mìøení proudu bez rozpojení ................................................................... 210 Otázky z praxe ......................................................................................... 212 Mìøení napìtí na nízkoohmových odporech: ètyødrátové pøipojení (Kelvin sensing) ........................................................................................ 215

Souèasné mìøení proudu a napìtí ................................................ 216 Mìøení odporu ............................................................................... 216

Urèování odporu z proudu a napìtí .......................................................... 217 Pøímo ukazující mìøièe odporu (ohmmetry) ............................................. 217 Pøesné mìøení odporù .............................................................................. 219 Urèení vnitøního odporu mìøicího pøístroje ............................................... 220

Mìøení výkonu ............................................................................... 221 Kompenzaènímetody mìøení ........................................................ 221 W. MATTHES: HLEDÁNÍ A ODSTRAÒOVÁNÍ

PORUCH

7

4.2.8 4.2.9 4.2.10 4.2.11

4.3 4.3.1

4.3.2

4.3.3 4.3.4

4.3.5

4.4 4.4.1

4.4.2

8

Mìøení støídavých velièin ............................................................... 224

Mìøení napìtí a proudu ............................................................................ 224 Mìøení výkonu .......................................................................................... 226

Mìøicí mùstky ................................................................................ 228 Mìøení frekvence .......................................................................... 229 Analogové stimuly ......................................................................... 231

Zdroje stejnosmìrného napìtí .................................................................. 231 Síové napájecí zdroje a (laboratorní) síové napájecí pøístroje .............. 231 Zátìže ...................................................................................................... 236

OSCILOSKOPY ............................................................................ 240 Bìžný (analogový) osciloskop ....................................................... 240

Konstrukce ............................................................................................... 240 Pøehled funkèních jednotek ...................................................................... 242 Pamìové osciloskopy ............................................................................. 248

Digitální pamìový osciloskop (DSO) ........................................... 248

Konstrukce ............................................................................................... 248 Základy vzorkování signálu ...................................................................... 250 Elementární souvislosti v èasové oblasti .................................................. 254 Rozpoznávání špièkových hodnot ............................................................ 260 Metody vzorkování ................................................................................... 264

Charakteristické hodnoty ............................................................... 266

Všeobecné charakteristiky ....................................................................... 266 Charakteristické hodnoty digitálních pamìových osciloskopù ................ 272

Volba a testování osciloskopù ....................................................... 275

Analogový nebo digitální? ........................................................................ 275 Co nám osciloskop ukáže ........................................................................ 278 Testování osciloskopù .............................................................................. 281 Testovací zapojení .................................................................................... 282 Pøíklady mìøení ........................................................................................ 286

Mìøicí praxe ................................................................................... 293

Základní nastavení ................................................................................... 293 Pracovní režimy (1) Režim Y-t (zobrazení èasového prùbìhu signálu) .... 295 Pracovní režimy (2): režim X-Y ................................................................ 299 Rùzné praktické rady ................................................................................ 302 Spouštìní ................................................................................................. 306 Režimy spouštìní ..................................................................................... 306 Volba zdroje spouštìcího signálu ............................................................. 307 Pøipojení signálu ....................................................................................... 310 Zvláštnosti ................................................................................................ 315 Adaptace .................................................................................................. 316

TESTOVÁNÍ V ÈÍSLICOVÉ (DIGITÁLNÍ) TECHNICE ................. 321 Základy .......................................................................................... 321

Analogové a digitální testování ................................................................ 321 Adaptace .................................................................................................. 323 Pøíprava stimulu ....................................................................................... 334

Logický analyzátor ........................................................................ 346

Pøehled funkèních jednotek ...................................................................... 347

W. MATTHES: HLEDÁNÍ A ODSTRAÒOVÁNÍ

PORUCH

HEL

Metody záznamu ...................................................................................... 349 Základy zachycování binárních signálù .................................................... 350 Spouštìní ................................................................................................. 356 K praktickému používání .......................................................................... 361

4.4.3

4.4.4

Pøíznaková analýza ....................................................................... 364

Pøíznakový analyzátor .............................................................................. 364 Pøíznaková analýza jako vestavìný autotestovací prostøedek ................. 368 Komprese testových dat pomocí pøíznakù ............................................... 372

Prokazování událostí a spouštìní ................................................. 373

Další pøíklady zapojení pro sekvenèní analýzu ........................................ 379

4.4.5

Èítání a èítaèe ............................................................................... 392

5

ÚVOD DO PRAXE TESTOVÁNÍ A HLEDÁNÍ CHYB ....................................... 403

5.1 5.1.1 5.1.2

TESTOVÁNÍ SOUÈÁSTEK .......................................................... 403 Testovací metody a prostøedky ..................................................... 403 Testování v zapojení ..................................................................... 404

5.1.3 5.1.4

Testovací normály ......................................................................... 421 Pøizpùsobení pro mìøení (adaptace) ............................................ 427

Oèividné pøíznaky chyb ............................................................................ 404 Sledování signálu ..................................................................................... 405 Dva triky pro hledání chyb ........................................................................ 407 Testy „in-circuit“ ........................................................................................ 409 Ruèní testování v zapojení ....................................................................... 414 Porovnávací testování .............................................................................. 420

Propojovací prvky a kabely. ...................................................................... 427 Adaptace souèástek v zapojení (vytvoøení kontaktu pro mìøení) ............. 432 Adaptace jednotlivých souèástek ............................................................. 438

5.1.5 5.1.6 5.1.7

Pasivní souèástky ......................................................................... 442 Tranzistory ..................................................................................... 451 Integrované obvody ....................................................................... 455

5.2 5.2.1

TESTOVÁNÍ NAPÁJENÍ ............................................................... 460 Mìøení na rozvodné síti 230 V ...................................................... 460

5.2.2 5.2.3

HEL

Síová instalace ........................................................................................ 460 Napìtí a proudy u síového pøipojení ....................................................... 461 Pøipojení sítì ............................................................................................ 468 Mìøení napìtí a proudu ............................................................................ 481 Mìøení osciloskopem ............................................................................... 485 Síový mìøicí adaptér ............................................................................... 487 Prokazování síového rušení ................................................................... 493 Testování bezpeènostních opatøení .......................................................... 496

Testování síových napájecích zdrojù ........................................... 498

Testovací úlohy ......................................................................................... 504

Baterie, akumulátory a jimi napájená zaøízení .............................. 507

Testování nabíjeèek .................................................................................. 510

W. MATTHES: HLEDÁNÍ A ODSTRAÒOVÁNÍ

PORUCH

9

5.3 5.3.1

TESTOVÁNÍ KABELÙ ................................................................... 512 Testování prùchodnosti (propojení) a zkratù ................................. 512

5.3.2 5.3.3 5.3.4

Identifikace kabelù ........................................................................ 518 Oèní diagram (eye pattern) ........................................................... 523 Reflexní testování (time domain reflectometry, TDR) ................... 527

5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3

HLEDÁNÍ CHYB NA DESKÁCH PLOŠNÝCH SPOJÙ ................. 531 Obvyklé chyby na deskách plošných spojù .................................. 531 Hledání poruch ve stavu bez napájení .......................................... 533 Hledání chyb za provozu ............................................................... 537

5.5 5.5.1 5.5.2

HLEDÁNÍ CHYB V DIGITÁLNÍCH ZAPOJENÍCH ........................ 542 Testy plauzibility ............................................................................ 542 Sledování signálù .......................................................................... 547

5.5.3

Hledání poruch na sbìrnicových systémech ................................ 557

Ruèní testování ........................................................................................ 512 Automatické testování kabelù .................................................................. 515 Testování kabelù støídavým napìtím ........................................................ 517 Dvojice vodièù zapojené do køíže (split pairs) .......................................... 518

Hledání chyb sledováním signálu ............................................................. 537 Hledání chyb pomocí in-circuit testu ........................................................ 538

Praktické problémy se sledováním signálù .............................................. 551 Poruchy nulování (reset) .......................................................................... 556 Hodinové generátory ................................................................................ 557

DODATKY .................................................................. 561 DODATEK 1. OPATØENÍ PROTI VÝBOJÙM ELEKTROSTATICKÉHO NÁBOJE (ESD) ................................ 561 DODATEK 2. BEZPEÈNOST PRÁCE ............................................................ 563 DODATEK 3. PLOVOUCÍ ZEM ....................................................................... 564 DODATEK 4. ÚROVNÌ SIGNÁLÙ A HRANY SIGNÁLÙ ................................ 566 DODATEK 5. CHARAKTERISTIKY STØÍDAVÉHO PROUDU ....................... 569 DODATEK 6. POSUVNÉ REGISTRY SE ZPÌTNOU VAZBOU ..................... 573 DODATEK 7. ZÍSKÁVÁNÍ INFORMACÍ POMOCÍ ON-LINE SYSTÉMÙ ........ 584 DODATEK 8. ODKAZY NA LITERATURU ...................................................... 587

REJSTØÍK ................................................................. 591

10

W. MATTHES: HLEDÁNÍ A ODSTRAÒOVÁNÍ

PORUCH

HEL