Diagnostika a testování el. systému - poč.cvičení

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ



Diagnostika a testování elektronických
systémů – počítačová cvičení

Garant předmětu:
Ing. Milan Recman, CSc.

Autoři textu:
Prof. Ing. Vladislav Musil, CSc.
Ing. Milan Recman, CSc.
Ing. Roman Prokop


Název učebního textu 1
Obsah
1 ÚVOD ................................................................................................................................4
2 ZAŘAZENÍ PŘEDMĚTU VE STUDIJNÍM PROGRAMU........................................4
2.1 ÚVOD DO PŘEDMĚTU...................................................................................................5
2.2 VSTUPNÍ TEST..............................................................................................................5
3 PORUCHY V ČÍSLICOVÝCH OBVODECH..............................................................8
4 METODY GENEROVÁNÍ TESTŮ PRO KOMBINAČNÍ OBVODY.....................12
5 INTUITIVNÍ ZCITLIVĚNÍ CESTY............................................................................14
5.1 KONTROLNÍ OTÁZKY A PŘÍKLADY.............................................................................17
6 D – ALGORITMUS .......................................................................................................22
6.1 KONTROLNÍ OTÁZKY A PŘIKLADY.............................................................................30
7 DODATKY......................................................................................................................31
7.1 VÝSLEDKY TESTŮ......................................................................................................31
7.1.1 Vstupní test .......................................................................................................31
7.1.2 Výsledky kontrolních otázek a příkladů kapitoly 5...........................................33
7.1.3 Výsledky kontrolních otázek a příkladů kapitoly 6...........................................37

2 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Seznam obrázků
OBRÁZEK 3.1: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 3.1..............................................................................8
OBRÁZEK 3.2: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 3.2..............................................................................9
OBRÁZEK 3.3: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 3.3............................................................................10
OBRÁZEK 3.4: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 3.4............................................................................11
OBRÁZEK 3.5: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 3.5............................................................................11
OBRÁZEK 3.6: OBRÁZEK K ŘEŠENÍ PŘÍKLADU 3.5................................................................12
OBRÁZEK 4.1: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 4.1............................................................................13
OBRÁZEK 4.2: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 4.2............................................................................14
OBRÁZEK 5.1: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 5.1............................................................................15
OBRÁZEK 5.2: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 5.2............................................................................16
OBRÁZEK 5.3: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 5.3............................................................................17
OBRÁZEK 5.4: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 5.4............................................................................18
OBRÁZEK 5.5: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 5.5............................................................................18
OBRÁZEK 5.6: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 5.6............................................................................19
OBRÁZEK 5.7: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 5.7............................................................................19
OBRÁZEK 5.8: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 5.8............................................................................20
OBRÁZEK 5.9:. OBRÁZEK K PŘÍKLADU 5.9........................................................................20
OBRÁZEK 5.10: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 5.10......................................................................21
OBRÁZEK 5.11: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 5.11......................................................................21
OBRÁZEK 5.12: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 5.12......................................................................22
OBRÁZEK 5.13: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 5.13......................................................................22
OBRÁZEK 6.1: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 6.1............................................................................23
OBRÁZEK 6.2: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 6.2............................................................................24
OBRÁZEK 6.3: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 6.3............................................................................24
OBRÁZEK 6.4: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 6.4............................................................................25
OBRÁZEK 6.5: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 6.5............................................................................26
OBRÁZEK 6.6: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 6.6............................................................................27
OBRÁZEK 6.7: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 6.7............................................................................28
OBRÁZEK 6.8: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 6.8............................................................................30
OBRÁZEK 6.9: OBRÁZEK K PŘÍKLADU 6.9............................................................................31
Název učebního textu 3
Seznam tabulek
TABULKA 3.1: TABULKA K PŘÍKLADU 3.1...............................................................................9
TABULKA 3.2: TABULKA K PŘÍKLADU 3.5.............................................................................12
TABULKA 5.1: TABULKA K PŘÍKLADU 5.1.............................................................................15
TABULKA 5.2: TABULKA K PŘÍKLADU 5.1.............................................................................16
TABULKA 5.3: TABULKA K PŘÍKLADU 5.2.............................................................................17
TABULKA 6.1: TABULKA K PŘÍKLADU 6.1.............................................................................23
TABULKA 6.2: TABULKA K PŘÍKLADU 6.1.............................................................................23
TABULKA 6.3: TABULKA K PŘÍKLADU 6.2.............................................................................24
TABULKA 6.4: TABULKA K PŘÍKLADU 6.2.............................................................................24
TABULKA 6.5: TABULKA K PŘÍKLADU 6.3.............................................................................24
TABULKA 6.6: TABULKA K PŘÍKLADU 6.3.............................................................................25
TABULKA 6.7: TABULKA K PŘÍKLADU 6.4.............................................................................25
TABULKA 6.8: TABULKA K PŘÍKLADU 6.4.............................................................................25
TABULKA 6.9: TABULKA K PŘÍKLADU 6.5.............................................................................26
TABULKA 6.10: TABULKA K PŘÍKLADU 6.5.........................................................................26
TABULKA 6.11: TABULKA K PŘÍKLADU 6.6.........................................................................27
TABULKA 6.12: TABULKA K PŘÍKLADU 6.6.........................................................................27
TABULKA 6.13: TABULKA K PŘÍKLADU 6.6.........................................................................28
TABULKA 6.14: TABULKA K PŘÍKLADU 6.7.........................................................................29
TABULKA 6.15: TABULKA K PŘÍKLADU 6.7.........................................................................29
TABULKA 6.16: TABULKA K PŘÍKLADU 6.7.........................................................................30
TABULKA 6.17: TABULKA K PŘÍKLADU 6.7.........................................................................30
TABULKA 7.1: TABULKA – ŘEŠENÍ - PŘÍKLAD 5.3 ................................................................33
TABULKA 7.2: TABULKA – ŘEŠENÍ - PŘÍKLAD 5.4 ................................................................34
TABULKA 7.3: TABULKA – ŘEŠENÍ - PŘÍKLAD 5.5 ................................................................34
TABULKA 7.4: TABULKA – ŘEŠENÍ - PŘÍKLAD 5.6 ................................................................34
TABULKA 7.5: TABULKA – ŘEŠENÍ - PŘÍKLAD 5.7 ................................................................35
TABULKA 7.6: TABULKA – ŘEŠENÍ - PŘÍKLAD 5.8 ................................................................35
TABULKA 7.7: TABULKA – ŘEŠENÍ - PŘÍKLAD 5.9 ................................................................35
TABULKA 7.8: TABULKA – ŘEŠENÍ - PŘÍKLAD 5.10 ..............................................................36
TABULKA 7.9: TABULKA – ŘEŠENÍ - PŘÍKLAD 5.11 ..............................................................36
TABULKA 7.10: TABULKA – ŘEŠENÍ - PŘÍKLAD 5.12 ..........................................................36
TABULKA 7.11: TABULKA – ŘEŠENÍ - PŘÍKLAD 5.13 ..........................................................37
TABULKA 7.12: TABULKA – ŘEŠENÍ - PŘÍKLAD 6.9 ............................................................37

4 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
1 Úvod
Komplexnost a složitost elektronických systémů je limitována především schopností
otestovat jejich funkčnost a proto cenové náklady na testování během vývoje a výroby tvoří
podstatnou část ceny konečného elektronického produktu. Hlavním požadavkem je zajištění
testovatelného návrhu a proto význam testování a diagnostiky elektronických systémů roste
se zvyšující se komplexností a složitostí těchto systémů. V období vývoje a aplikace prvních
integrovaných elektronických obvodů se specializace testovacího a diagnostického technika či
inženýra neuplatnila a problém testování a diagnostiky se koncentroval do zjištění funkčnosti
či nefunkčnosti vyvinutého a realizovaného produktu. V současné době je situace naprosto
odlišná a diagnostikovatelnost a testovatelnost je rozhodujícím aspektem vývoje komplexního
elektronického systému a oblast testování a diagnostiky je nedílnou a integrální součástí
vývoje každého složitého elektronického systému. Odtud plyne zapojení testovacích
specialistů už do nejranějších fází návrhu jako jsou systémový a procesní či technologický
návrh. Tyto nové skutečnosti určují požadavky na výše uvedené specializace techniků a
inženýrů v oblasti testování a diagnostiky a následné zajištění příslušných kursů na
technických vysokých školách. Tyto kursy pokrývající oblast testování a diagnostiky jsou
nezbytné především pro studijní obory, které souvisí s návrhem monolitických integrovaných
obvodů a s návrhem elektronických systémů aplikujících tyto obvody a obecně pak pro
všechny návrháře složitých a komplexních elektronických systémů.

2 Zařazení předmětu ve studijním programu
Předmět „Diagnostika a testování elektronických systémů“ (DTS) je součástí studijního
plánu oboru „Mikroelektronika a technologie“ (MET) a tento studijní obor je potom součástí
tříletého bakalářského studijního programu „Elektrotechnika, elektronika, komunikační a
řídicí technika“ (EEKR). Ve studijním plánu oboru MET je předmět zařazen do 1. skupiny
volitelných oborových předmětů pro letní semestr 2. ročníku ( kredity – 5, hodiny za semestr:
přednášky – 26, cvičení – 26 ). V rámci jednotlivých odborných zaměření patří zejména do
specializace „Návrh mikroelektronických systémů“ a „Aplikace mikroelektronických
systémů“. Tato odborná zaměření lze dále rozvíjet v navazujícím magisterském studijním
programu a to zejména ve studijním oboru „Mikroelektronika“ (MEL) s užším zaměřením na
- návrh a počítačovou simulaci integrovaných obvodů,
- návrh elektronických systémů a aplikaci mikroelektronických obvodů a
- testovací a měřicí techniku.
Přímá návaznost existuje na předměty magisterského studijního oboru MEL jako jsou
„Digitální integrované obvody – DIS“, „Metody návrhu digitálních integrovaných obvodů –
NDO“, „Metody návrhu analogových integrovaných obvodů – NAI“, „Konstrukce a
technologie elektronických zařízení – KTE“ a další. V doktorském studijním programu tvoří
návaznost zejména předměty studijního oboru „Mikroelektronika a technologie“.
Pro zahájení studia předmětu se předpokládá pochopení elektrické funkce
polovodičových součástek jako jsou dioda, bipolární tranzistor, MOS tranzistor a elektrické
funkce základních logických a analogových obvodů. Současně se předpokládá základní
informovanost o procesu počítačového návrhu elektronických systémů a o metodách měření
Název učebního textu 5
elektrických charakteristik prvků a obvodů. Tyto předpoklady splňuje skladba povinných
předmětů bakalářského studia spolu s volitelnými předměty zaměřenými na oblast
mikroelektroniky v období prvních tří semestrů studia.

2.1 Úvod do předmětu
Cílem předmětu je vytvořit základní představy o významu testování a diagnostiky a
jejím začlenění v procesu vývoje a produkce elektronických systémů. Seznámit studenty s
fyzikálními principy vzniku poruch, s jednotlivými souvisejícími modely a základními
metodami diagnostiky a testování elektronických prvků a systémů. Jsou zahrnuty základní
metody diagnostiky a testování digitálních, analogových i analogově-digitálních
elektronických systémů, které se v současné době uplatňují při návrhu nejsložitějších
monolitických integrovaných obvodů. Jsou zdůrazněny praktické aspekty průmyslového
testování včetně ekonomiky testování. Jednotlivé kapitoly potom zahrnují hlavní úlohy
mikroelektronického testování a diagnostiky, rostoucí význam testovatelných návrhů, dále
jsou to modely poruch, chybové pokrytí a automatická generace testovacích vektorů pro
logické obvody, metody pro kombinační logické obvody jako jsou příznaková analýza a další,
strukturované metody jako základ metod testování VLSI, jsou zahrnuty speciální digitální
struktury jako mikroprocesory, ROM, RAM, PLA a další. Následné kapitoly zahrnují metody
testování a diagnostiky analogových a analogově-digitálních obvodů, které jsou
předpokladem realizace úplného elektronického systému ( smíšeného) na polovodičovém
čipu.
Student získá potřebné základy a další související informace pro pochopení významu
testování a diagnostiky v procesu návrhu elektronických prvků, obvodů a systémů a to včetně
testování a diagnostiky monolitických integrovaných obvodů. Student si osvojí potřebné
dovednosti spojené s aplikací testovacích a diagnostických metod na konkrétní problémy
studovaného oboru, ověří si schopnost samostatné analýzy a řešení problémů z oblasti
testování a diagnostiky komplexních elektronických systémů.

2.2 Vstupní test
Pro všechny otázky a problémy testu se předpokládá pokojová teplota a následující orientace
základních elektrických proměnných (proudů a napětí):
Dioda - orientace proudu a napětí od anody ke katodě.
Bipolární tranzistor – proudy do kolektoru, do báze a z emitoru.
Unipolární tranzistor - proudy do kolektoru (do kanálu), do hradla a z emitoru (z kanálu).


1. Jaký je matematický vztah pro závislost proudu I na napčtí U ideální polovodičové diody
jestliže napětí i proud orientujeme ve směru od anody ke katodě?


6 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
2. Jaký je matematický vztah pro závislost proudu I na napčtí U ideální polovodičové diody
jestliže napětí i proud orientujeme ve směru od katody k anodě?


3. Uveďte hodnotu teplotního napětí při pokojové teplotě a teplotní závislost tohoto
parametru.

4. Jaká je teplotní závislost saturačního proudu ideální diody ?

5. Jaký přírůstek napětí v propustném směru stačí na desetinásobné zvýšení proudu ideální
diodou ?

6. Jestliže první ideální dioda bude mít tisíckkát větší saturační proud než druhá, o kolik se
bude lišit jejich napětí při propustném proudu 1 mA, .1 m A, 10 mA?

7. Pro dvě identické ideální diody se saturačním proudem I
S
, zapojené proti sobě a připojené
na napětí U ≠ 0, určete přesný analytický vztah pro proud a napětí diody zapojené v
propustném směru.

8. Jestliže při propropustném proudu 0.1 mA bude na křemíkové diodě o 0.36 V vyšší napětí
než na germaniové diodě, která z diod má větší saturační proud a přibližně kolikrát?

9. Existuje vztah mezi napětím na diodě při konstantním proudu, saturačním proudem, vlastní
koncentrací polovodiče a šířkou zakázaného pásu? Pokud ano, jaký?

10. Vjakých režimech může pracovat bipolární tranzisot ( BT )? Jak jsou pólovány jednotlivé
přechody tranzistoru v těchto režimech?


11. Který režim BT je podstatný pro zesílení malého signálu?


12. Který režim BT je podstatný pro spínač?


13. Křemíkový bipolární tranzistor NPN je v zapojení SE s dostatečně kladným
kolektorovým napětím ( kolektorový přechod vždy uzavřen), proudy orientujeme do báze,
do kolektoru a z emitoru a sledujeme závislost jednotlivých proudů na napětí báze – emitor (
tzv. emitorové charakteristiky )
a) ve kterých režimech se tranzistor může nacházet?
b) který z