Diagnostika a testování el. systému - poč.cvičení

proudů (při zvolené orientaci ) bude největší pro U
BE
= 0.6 V?
c) který z proudů (při zvolené orientaci ) bude největší pro U
BE
= 0 V?
d) který z proudů (při zvolené orientaci ) bude největší pro U
BE
= -2 V?
e) hodnota kterého proudu změní znaménko při kladném U
BE
?
f) hodnota kterého proudu změní znaménko při záporném U
BE
?
Název učebního textu 7
g) hodnota kterého proudu nikdy nezmění znaménko?
h) absolutní hodnota kterého proudu bude největší pro U
BE
= -2 V?


14. Které kolektorové zbytkové proudy bipolárního tranzistoru znáte?


15. Který z těchto kolektorových zbytkových proudů je největší a jak jsou tyto proudy
seřazeny podle velikosti?

16. V jakém zapojení (SE, SB, SC) má bipolární tranzistor obvykle největší výkonové
zesílení?

17. Určete AV charakteristiku dvojpólu, který vznikne zkratováním svorek báze a kolektoru
BT NPN s parametry I
ES
, I
CS
, α
N
, α
I
.

18. Určete AV charakteristiku dvojpólu B-E, který vznikne odpojením svorky kolektoru BT
NPN s parametry I
ES
, I
CS
, α
N
, α
I
.

19. Jak je definován parametr h
21e
v msg. modelu BT ?

20. Čím je způsoben sklon výstupních charakteristik bipolárního tranzistoru v normálním
aktivním režimu?

21. Při kterém zapojení je sklon největší a proč?

22. Prahové napětí NMOS tranzistoru s indukovaným kanálem je větší nebo menší než nula?

23. Může tranzistor NMOS s trvalým kanálem pracovat v režimu ochuzení?

24. Může tranzistor NMOS s indukovaným kanálem pracovat v obohacovacím režimu?

25. Jak je definován saturační režim pro NMOS tranzinzistor?

26. Který režim je podstatný pro aplikaci IGFET jako řízeného odporu?

27. Který režim je podstatný pro aplikaci IGFET jako zesilovače malého signálu?

28. Jaký je matematický vztah pro závislost výstupního proudu I
C
na vstupním napětí U
GE

tranzistoru NMOS pro saturační režim?

8 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
29. Tranzistor NMOS s indukovaným kanálem (U
pE
, K
E
) má zkratováno hradlo s kolektorem.
Určete AV charakteristiku nelineárního odporu I
CE
= I
CE
(U
CE
) pro U
CE
≥ 0.

30. Tranzistor NMOS s trvalým kanálem (U
pD
, I
CSAT0
) má zkratováno hradlo s emitorem.
Určete AV charakteristiku nelineárního odpor I
CE
= I
CE
(U
CE
) pro U
CE
≥ 0.


3 Poruchy v číslicových obvodech
Cíle kapitoly: Na vybraných příkladech základních logických kombinačních obvodů
demonstrovat syntézu logického modelu poruchy. Prohloubit pochopení vztahu fyzikální
a logické poruchy.

Nejčastěji používané modely jsou poruchy typu t (trvalá 0 a trvalá 1) a poruchy typu z
(zkraty). Pomocí těchto modelů (tzv, logických poruch) lze vyjádřit podstatnou část
fyzikálních poruch vyskytujících se v logických systémech realizovaných v bipolárních i
unipolárních technologiích.
Model poruchy vždy představuje určité zjednodušení, takže většinou nelze dostatečně
přesně popsat všechny fyzikální poruchy, s nimiž se v praxi můžeme setkat, a naopak pro
určité logické poruchy nelze najít ve zvoleném systému fyzikální interpretaci. Nejasnosti
vznikají především při popisu poruch ve větvících se vodičích. Pokud nedojde k přerušení,
musí se stejná hodnota logického signálu rozšířit do všech větví, takže na základě zjištěných
logických hodnot nelze poruchu lokalizovat na určitý vstup nebo výstup. Je-li naproti tomu
vodič přerušen, může se chybná hodnota signálu vyskytovat pouze v některých větvích, což
usnadní lokalizaci poruchy. Jestliže tyto poznatky aplikujeme např, na obvody vyrobené
technologií TTL, v níž přerušení vede vždy ke vzniku poruchy t1 na vstupu logického členu,
na nějž není přiváděn signál, zjistíme, že není třeba uvažovat poruchy t0 samostatně
v jednotlivých větvích. V následujících kapitolách však nebudeme specifikovat, jakou
technologií jsou vyrobeny obvody, které trstujeme, takže žádné podobné zjednodušení nebude
možno využít.
Příklad 3.1:
Na obrázku (Obrázek 3.1) je logický člen NAND, na jehož vstupu A je porucha t0.
Určete, jak se tato porucha projeví na výstupu C.



Obrázek 3.1: Obrázek k příkladu 3.1


Název učebního textu 9
Řešení příkladu: Chování obvodu s poruchou je popsáno v tab. 3.1. Pokud jde o vstup
A, jsou do tabulky zapsány hodnoty přiváděné zleva, tzn. Z předcházejících logických stupňů.
To, že vodič A není schopen přenést hodnotu 1 (např. proto, že je zkratován na zem), je
respektováno pouze hodnotami výstupu C. Z těchto hodnot vyplývá, že chování obvodu je
stejné, jako kdyby na výstupu byla porucha t1. Poruchy t0 na A a t1 na C jsou ekvivalentní.
Tabulka 3.1: Tabulka k příkladu 3.1



Příklad 3.2:
V obvodu na obr. 3.2 je přerušený vodič D. Použité logické členy jsou vyrobeny
technologií TTL. Zjistěte, zda se tato porucha projeví, přivedeme-li na vstup obvodu vektor
ABC=(1,1,1).



Obrázek 3.2: Obrázek k příkladu 3.2
Řešení příkladu: Vstup D druhého členu NAND se chová, jako kdyby byl připojen na
zdroj trvalé jedničky, protože v důsledku přerušení nemůže vstupním tranzistorem protékat
proud do výstupu předcházejícího stupně. Protože však vstupnímu vektoru (1,1,1) odpovídá
správná hodnota D=0 a tedy E=1, projeví se popsané přerušení změnou hodnoty na výstupu
na E=0.

Příklad 3.3:
Na obr. 3.3 je schéma členu NAND realizovaného technologií TTL. V tomto schématu
je vyznačeno 6 základních poruch vývodů (čipu nebo pouzdra). Křížek označuje přerušení
vodiče (poruchy č. 1,2,3), čárkovaný oblouk označuje zkrat (poruchy č. 4,5,6). Poruchy
označené čísly s čárkou jsou ekvivalentní poruchám označeným stejným číslem bez čárky
(jsou to vždy poruchy členu, který je připojen na výstup). Odvoďte pro každou z označených
poruch logický model, tj. vyjádření pomocí poruch typu t resp.z.

10 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně


Obrázek 3.3: Obrázek k příkladu 3.3


Řešení příkladu:
1. Přerušení vstupního vodiče způsobí, že součinový proud I
S
nemůže protékat
emitorem vstupního tranzistoru do výstupu předcházejícího logického členu, který je ve stavu
0. Odpojený vstup se chová, jako kdyby byl trvale připojen na logickou jedničku. Tuto
poruchu lze tedy modelovat jako t1 na vstupu.
2. Přerušení přívodu napájecího napětí vede k tomu, že nemůže protékat proud I
S
, který
by sepnul tranzistor T4, ani proud I
T
, který by vybudil tranzistor T3. Oba výstupní tranzistory
jsou zavřeny a výstup se chová jako kdyby byl odpojen (1´). Tuto poruchu lze modelovat jako
t1 na výstupu.
3. Přerušení přívodu země způsobí, že tranzistory T2 a T4 nevedou proud, takže I
T

trvale otevírá tranzistor T3. Výstup má hodnotu logické jedničky, takže tuto poruchu lze
interpretovat jako t1 na výstupu.
4. Zkrat mezi signálními vodiči nelze modelovat poruchou typu t, proto pro něj byla
zavedena porucha typu z. Podle typu logických členů, jejichž výstupy takto byly zkratovány,
vznikne porucha typu z0, z1, zA nebo zB.
5. Zkrat signálního vodiče na napájecí napětí je klasický příklad poruchy t1.
6. Zkrat signálního vodiče na zem je klasický příklad poruchy t0.

Příklad 3.4:
Na obr. 3.4 je nakreslena část zapojení obvodu sestaveného z prvků TTL. Určete jakými
logickými poruchami lze vyjádřit tyto fyzikální poruchy:
1) zkrat A na zem,
2) zkrat A1 na zem,
3) zkrat A na napájecí napětí,
4) zkrat A2 na napájecí napětí,
Název učebního textu 11
5) přerušení vodiče A,
6) přerušení vodiče A1,
7) přerušení vodiče A2.



Obrázek 3.4: Obrázek k příkladu 3.4

Řešení příkladu: Popsané fyzikální poruchy lze logicky vyjádřit takto:
1) t0 na A, A1 a A2,
2) t0 na A, A1 a A2,
3) t1 na A, A1 a A2,
4) t1 na A, A1 a A2,
5) t1 na A1, A2 a části A za místem přerušení. (Toto upřesnění má význam pouze při
použití logické sondy. Z hlediska chování na výstupech B a C se jedná o poruchu t1 na A, A1
i A2.)
6) t1 na A1,
7) t1 na A2.

Příklad 3.5:
Na vývodech součinového členu vznikl zkrat, který uzavírá zpětnou vazbu (obr. 3.5).
Nakreslete náhradní logické schéma a odvoďte chování obvodu pro případ, že zkrat je typu
z0.


Obrázek 3.5: Obrázek k příkladu 3.5
Řešení příkladu: Zkrat typu z0 lze modelovat fiktivním logickým součinem, na jehož
vstupy přivedeme zkratované vodiče. Tím vznikne náhradní zapojení dle obrázku 3.6.a.

12 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně


Obrázek 3.6: Obrázek k řešení příkladu 3.5

Spojením obou součinových členů, které můžeme provést vyloučením vodiče D,
vznikne výsledný obvod, který vidíme na obr. 3.6.b. Jeho chování nelze popsat pravdivostní
tabulkou, protože se jedná o sekvenční obvod s jednou vnitřní proměnnou C. Tabulka stavů,
popisující chování tohoto obvodu, je v tab. 3.2. Z ní je zřejmé, že do stavu C=1 se obvod
může dostat jen bezprostředně po zapnutí sítě, byl-li vstupní vektor AB=(1,1). Žádný
z přechodů již do tohoto stavu nevede. Jestliže hledáme úplný test pro součinový člen, který
by detekoval i popsanou poruchu z0, můžeme použít minimální test ABC= (0,1,0), (1,0,0),
(1,1,1), přičemž ze šesti možných pořadí kroků je nepřípustné každé takové, které začíná
vstupním vektorem (1,1).

Tabulka 3.2: Tabulka k příkladu 3.5



Shrnutí: Nejčastěji používané modely jsou poruchy typu t (trvalá 0 a trvalá 1) a poruchy
typu z (zkraty). Model poruchy vždy představuje určité zjednodušení. Pomocí těchto
modelů lze však vyjádřit podstatnou část fyzikálních poruch v logických systémech
realizovaných v bipolárních i unipolárních technologiích.


4 Metody generování testů pro kombinační obvody

Cíle kapitoly: Na řešených příkladech ukázat syntézu seznamu poruch pro vybrané
logické obvody.

Název učebního textu 13
Ve většině příkladů obsažených v této kapitole, je cílem generovat úplný test. Za úplný
budeme považovat test, který detekuje poruchy t0 a t1 na všech vodičích. Tyto poruchy
budeme zkráceně zapisovat jménem vodiče lomeným hodnotou poruchového signálu, např.
A/0 znamená poruchu t0 na vodiči A. Vzhledem k tomu, že prakticky všechny známé metody
jsou založeny na postupném generování testů pro jednotlivé poruchy, hraje významnou roli
sestavení seznamu poruch testovaného obvodu. Práci spojenou s generováním testu i
kontrolou jeho úplnosti lze redukovat zkrácením seznamu na základě vět o úplnosti testu.
Tyto věty lze shrnout tak, že kontrolní body ( tj. body, v nichž je třeba testovat výskyt
poruchy t0 a t1) v obvodech, sestavených ze základních logických členů, jsou všechny
primární vstupy a všechny větve ze všemi body větvení.
Příklad 4.1:
Pro obvod, jehož topologie je nakreslena na obr. 4.1, určete kontrolní body. Určete,
kolik cest vede ze vstupu B na výstup F.



Obrázek 4.1: Obrázek k příkladu 4.1

Řešení příkladu: Umístění kontrolních bodů je v obr. 4.1 vyznačeno křížky. Z B na F
vedou 4 cesty.

Příklad 4.2:
Pro obvod z obr. 4.2 sestavte seznam poruch, jehož pokrytí zaručuje úplný test.

14 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně


Obrázek 4.2: Obrázek k příkladu 4.2

Řešení příkladu: Seznam poruch:
A/0,A/1,B/0,B/1,C/0,C/1,D/0,D/1,E/0,E/1,F/0,F/1,G/0,G/1,H/0,H/1,K/0,K/1,L/0,L/1,N/
0,N/1,P/0,P/1,T/0,T/1,U/0,U/1.

Shrnutí: Významnou roli v generaci testu hraje sestavení seznamu poruch testovaného
obvodu. Generování testu i kontrolu jeho úplnosti lze redukovat zkrácením seznamu na
základě vět o úplnosti testu. Kontrolní body v obvodech, sestavených ze základních
logických členů, jsou všechny primární vstupy a všechny větve ze všemi body větvení.


5 Intuitivní zcitlivění cesty

Cíle kapitoly: Na řešených příkladech hlouběji pochopit a procvičit metodu intuitivního
zcitlivění cesty pro generaci testů vybraných logických obvodů.

Odvození jednoho kroku testu metodou intuitivního zcitlivění cesty lze popsat takto:
Volba poruchy, která má být detekována.
Přivedení hodnoty 0 do místa výskytu poruchy t1, nebo hodnoty 1 do místa výskytu
poruchy t0.
Zcitlivění cesty z místa výskytu poruchy na primární výstup obvodu.
Odvození hodnot proměnných na primárních vstupech obvodu ( operace konzistence ).
Nalezení všech poruch, pokrytých sestaveným krokem testu.

Název učebního textu 15
Sestavené kroky testu i poruchy, které jsou jimi pokryty, obvykle přehledně zapisujeme
do tabulky. Každému vodiči, jehož porucha má být detekována, je v ní vyhrazen jeden
sloupec, každému kroku testu jeden řádek.
Mezi obvody, které jsou použity v této kapitole, se vyskytují též obvody obsahující
redundantní součástky (vodiče, logické členy). Redundantní a neredundantní obvody jsou
úmyslně promíchány, protože schopnost rozpoznat redundanci je nutná zejména při řešení
praktických problémů diagnostiky. Při generování testu pro redundantní obvody se za správný
výsledek považuje:
zjištění, že obvod obsahuje redundanci a výčet všech nedetekovatelných poruch,
sestavení testu, který je úplný vůči všem detekovatelným poruchám.
Tento postup odpovídá požadavkům praxe.
Příklad 5.1:
Metodou intuitivního zcitlivění cesty sestavte úplný test pro obvod dle obr.5.1.



Obrázek 5.1: Obrázek k příkladu 5.1

Řešení příkladu: Vyobrazený obvod obsahuje jeden bod větvení, takže kromě
primárních vstupů A, B, C je třeba testovat též větve B1 a B2. Popsané větvení je
rekonvergentní s různou paritou inverze ve větvích, takže při testování primárního vstupu B je
třeba zamezit současnému zcitlivění cest B, B1, D, F a B, B2, E, F. Poruchy větví B1 a B2 je
tedy třeba testovat odděleně. Postup odvození jedné varianty testu je společně s pokrytými
poruchami zapsán do tab.5.1. Ve třetím a čtvrtém kroku jsou vstupní vektory voleny tak, aby
byla zcitlivěna vždy jen jedna cesta z primárního vstupu B na výstup F. Tyto kroky tedy
znovu detekují poruchy primárního vstupu. Naproti tomu v druhé variantě testu, popsané
v tab.5.2, jsou hodnotami C=0 ve třetím kroku a A=1 ve čtvrtém kroku zcitlivěny obě cesty
z B na F. Protože tyto cesty jsou rekonvergentní s různou paritou inverze, nejsou v těchto
krocích detekovány poruchy společné části obou cest, tedy vodiče B. Protože však tyto
poruchy byly detekovány v prvních dvou krocích, není tato změna na závadu úplnosti testu.
Vzhledem k tomu, že máme pro třetí i pro čtvrtý krok testu dvě alternativy, můžeme sestavit
celkem čtyři testy s délkou 4.
Tabulka 5.1: Tabulka k příkladu 5.1
16 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně


Tabulka 5.2: Tabulka k příkladu 5.1



Příklad 5.2:
Metodou intuitivního zcitlivění cesty sestavte úplný test pro obvod na obr.5.2.



Obrázek 5.2: Obrázek k příkladu 5.2

Řešení příkladu: Všechny tři primární vstupy obvodu se větví, takže kromě poruch
vodičů A, B, C, musí úplný test pokrývat též poruchy větví A1, A2, B1, B2, C1, C2. Postup
odvození testu společně s poruchami pokrytými v jednotlivých krocích je popsán v tab.5.3.
První čtyři kroky detekují všechny poruchy z uvedeného seznamu kromě poruch A1/0 a C1/0.
Pokus o detekci těchto poruch, provedený v posledním řádku, skončil nezdarem, protože pro
proměnnou B vyžaduje zcitlivění cesty současně dvě různé hodnoty.
Pokus o odvození kroku testu, detekujícího poruchy A1/0 a C1/0 je též zapsán
přímo do obr. 2.1.2. Z požadavku zcitlivění cesty výstupním členem NAND vyplývají
hodnoty L=1 a M=1. Z nich můžeme odvodit požadavky na hodnoty přiřazené vodiči B a jeho
Název učebního textu 17
větvím, a to B1=1 (non B1=0, protože A2=1) a B2=0 (protože C2=1). Z tohoto rozporu je
zřejmé, že vodiči B nelze přiřadit hodnotu, která by uspokojovala současně oba tyto
požadavky.
Z toho, že poruchy A1/0 a C1/0 nelze detekovat, vyplývá, že člen NAND se
vstupy A1, C1 je redundantní, takže pro vyobrazený obvod neexistuje úplný test. Test
obsažený v prvních čtyřech řádcích tab. 5.3 je úplný pro všechny detekovatelné poruchy.
Tabulka 5.3: Tabulka k příkladu 5.2




5.1 Kontrolní otázky a příklady
Příklad 5.3:
Metodou intuitivního zcitlivění cesty sestavte úplný test pro obvod z obr.5.3.



Obrázek 5.3: Obrázek k příkladu 5.3

Příklad 5.4:
Metodou intuitivního zcitlivění cesty sestavte úplný test pro obvod z obr.5.4.

18 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně


Obrázek 5.4: Obrázek k příkladu 5.4


Příklad 5.5:
Metodou intuitivního zcitlivění cesty sestavte úplný test pro obvod z obr.5.5



Obrázek 5.5: Obrázek k příkladu 5.5

Příklad 5.6:
Metodou intuitivního zcitlivění cesty sestavte úplný test pro obvod z obr.5.6.

Název učebního textu 19


Obrázek 5.6: Obrázek k příkladu 5.6

Příklad 5.7:
Metodou intuitivního zcitlivění cesty sestavte úplný test pro obvod z obr.5.7.



Obrázek 5.7: Obrázek k příkladu 5.7

Příklad 5.8:
Metodou intuitivního zcitlivění cesty sestavte úplný test pro obvod z obr.5.8.

20 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně


Obrázek 5.8: Obrázek k příkladu 5.8

Příklad 5.9:
Metodou intuitivního zcitlivění cesty sestavte úplný test pro obvod z obr.5.9



Obrázek 5.9:. Obrázek k příkladu 5.9


Příklad 5.10:
Metodou intuitivního zcitlivění cesty sestavte úplný test pro obvod z obr.5.10.

Název učebního textu 21