Назначение и особенности выполнения операций ТП регулировки (наладки) ЭУ

Основными техническими документами, используемыми регулировщиками для наладки ЭУ в единичном и мелкосерийном производстве являются: ТУ, технологические инструкции (ТИ) и реже – маршрутные карты (МК). Регулировщик должен хорошо знать не только основную документацию на изделие, но и четко представлять работу изделия (объекта регулировки (ОР)), а также требования, предъявляемые к ОР в процессе эксплуатации. Для качественного выполнения технологических операций на данном этапе важно правильно организовать ТП, включая оборудование рабочего места регулировщика. В частности, точность применяемой измерительной аппаратуры (или контрольно-измерительных средств (КИС)) должна быть на порядок выше точности измеряемых параметров; при оценке точности измерения необходимо правильно выбирать диапазон измерения контролируемого параметра и учитывать дополнительные ошибки, вносимые в результате измерений, вследствие влияния подключаемых приборов на налаживаемое ЭУ. Подключение измерительных приборов создает новую систему, процессы и режимы в которой отличны от процессов и режимов до подключения приборов. Любой измерительный прибор с соединительными проводами имеет входное сопротивление. Соединительные провода емкостно и индуктивно связаны между собой и с компонентами проверяемого ЭУ. Для уменьшения влияния подключаемых приборов надо ослаблять их связь с проверяемой схемой. Это можно сделать, например, путем подключения приборов через небольшие емкости, но при этом нарушается градуировка приборов и необходима их юстировка. Внешние паразитные связи и наводки можно уменьшить правильным расположением приборов и измеряемой схемы. Приборы для измерения сигнала надо располагать соответственно его распространению. Например, если измеряют входное и выходное напряжения, то выходной вольтметр должен быть расположен ближе к выходу, а входной к входу.

Рис. 2. Схема основных операций типового ТП регулировки ЭУ; ОР – объект регулировки; ДУ – дефекты устранены; КЦМС – контроль целостности механических соединений; КЦЭЦ – контроль целостности электрических цепей; ИОК – идентификация оценочных критериев; КФП – контроль функциональных параметров; ТОИ – технологические отбраковочные испытания, чередуемые с КФП и ИОК; ПСИ – приемо-сдаточные испытания; ЕН – есть несоответствия после ИОК; НД – неустраняемые дефекты; ЭП – электрические параметры; ТЭВМ – тестирование с применением технологической ЭВМ; ТП – технологический процесс; БТ – бесконтактное тестирование; пунктиром показаны возможные дополнительные этапы ТП регулировки; под многоточием следует понимать разнообразие ФП и режимов их контроля; ПО – причина определена; ПН – причина не определена; ЭУ – электронное устройство; НН – несоответствий нет.

Точная аналитическая оценка погрешностей измерения, вносимых вследствие подключения измерительных приборов, практически трудно выполнима, но даже примерные расчеты, обычно приводимые в ТИ, помогают их оценить.

Перед наладкой необходимо установить степень влияния отдельных ЭРК на выходные параметры схемы. В общем случае контролируемый параметр изделия А является функцией ряда ЭРК и параметров схемы:

(1)

Значение абсолютной погрешности контролируемого параметра можно получить разложив уравнение (1) в ряд Тейлора:

, (2)

где – коэффициент влияния, который можно считать постоянным во всем диапазоне возможных вариаций.

Схема и конструкция изделия должны обеспечивать возможность независимых регулировок. Изменение параметров с помощью переменных ЭРК или других методов должно действовать автономно и не приводить к изменению других выходных параметров, вариация которых данной доводочной операцией не предусмотрена. Взаимозависимость доводочных операций резко увеличивает время, необходимое для их проведения.

Наладку схемы проводят в следующем порядке (см. рис. 2). После сборки и монтажа ЭУ подвергают тряске на вибростенде в течение нескольких минут с последующим контролем целостности механических соединений с применением (либо без применения) средств визуализации. Это необходимо для выявления плохих контактов, либо обрывов электрических цепей, получившихся вследствие небрежной работы монтажников, а также удаления случайно попавших при сборке предметов (винтов, шайб, капель припоя и др.). Затем проверяют правильность (целостность) электрических цепей в соответствии с контрольными картами (картами с таблицами сопротивлений и (или) напряжений), в которых указывают, между какими точками схемы какое должно быть сопротивление; допустимые границы изменений режимов и параметров ЭРК, уровней сигналов и др. Простейшим прибором, служащим для проверки цепей, является пробник. Если оценочные критерии соответствуют заданным в таблицах контрольных карт, то ЭУ подвергают функциональному контролю (контролю функциональных параметров (ФП)) в заданных режимах. В противном случае осуществляют поиск причин несоответствия и устранения вызванных ими дефектов (если это возможно).

Функциональный контроль может оказаться более трудоемкой операцией, если на предыдущей операции не оптимально выбран объем проверяемых параметров, либо электрическая принципиальная схема налаживаемого ЭУ слишком сложна и наладка на данной операции требует выполнения большого объема работ, например таких, как:

- согласование выходных и входных каскадов модулей;

- контроль и идентификация выходных параметров в требуемых режимах;

- поиск и устранение причин несоответствия измеряемых функциональных параметров требуемым;

- настройка отдельных каскадов с использованием переменных R, C, L - компонентов, либо доведение выходных параметров до требуемых значений другими методами (или способами);

- калибровка;

- юстировка и др.

Регулировку аппаратуры в зависимости от типа производства осуществляют универсальной измерительной аппаратурой или специальной заводской оснасткой, которая представляет собой различные имитаторы, эквиваленты нагрузок, пульты управления и автоматические стенды. При работе с ВЧ-ЭУ регулировку производят в экранированной камере, которая способствует устранению помех от внешних электромагнитных полей. Нередко в условиях серийного производства нецелесообразно оборудовать рабочие места регулировщиков аппаратуры некоторыми индивидуальными измерительными средствами, например, применение индивидуальных генераторов стандартных сигналов (ГСС) на каждом рабочем месте вызывает ряд неудобств, связанных с затратой лишнего времени на перестройку генератора. Помимо этого, частые перестройки индивидуальных ГСС при наладочных работах увеличивают погрешности установки частоты. Чтобы избежать указанных недостатков, применяют централизованную подачу сигналов стандартных частот от кварцевого генератора по ВЧ линиям на рабочие места, расположенные вдоль конвейера.

Если идентификацию измеряемых параметров осуществляют по ТУ (или ТИ, либо по другому документу), то измерительные схемы (или стенды) на рабочем месте регулировщика оснащаются необходимым набором измерительной аппаратуры (ИА) (рис. 3, а), а при использовании базы данных ЭВМ для идентификации – измерительная схема может включать и технологическую ЭВМ. В случае применения в качестве идентификатора – образца кондиционного ЭУ (налаженного аналога регулируемого объекта), принятого за эталон, измерительная схема, кроме ИА, содержит и эталонный образец (рис. 3, б), обеспечивающий при выполнении наладочных работ сравнение электрических параметров регулируемого объекта с эталоном (то есть электрическое копирование).

При использовании в процессе наладки переменных ЭРК (с регулировочными или подстроечными элементами) и схемы рис. 3,а, то есть когда известны (из ТУ) значения напряжений на входе и выходе регулируемого объекта (или абсолютные значения измеряемых величин), общая погрешность доведения ФП до требуемых значений определяется выражением

,

где – ошибка измерительных приборов в определении ФП налаживаемой ЭУ; – ошибка в измерении ФП из-за отличия температуры при наладке от нормальной; – ошибка, вызванная старением прибора (она зависит от числа циклов измерения параметра, прошедших до момента наблюдения); – ошибка, вызываемая неточностью поддержания режима питания; – коэффициент, учитывающий одновременное действие всех факторов.

В случае применения электрического копирования производится сравнение эффекта воздействия источника возбуждающего напряжения определенной частоты как на регулируемый объект, так и на объект, принятый за образец. Следовательно, при использовании схемы рис. 3,б, общая погрешность доведения ФП до эталонных будет определяться выражением

,

где – погрешность образца (эталона); – ошибка, идентификации (сравнения); , – коэффициенты, учитывающие одновременность действия всех факторов.

Таким образом, выполнение доводочных работ при идентификации ФП по эталонному образцу характеризуется большей погрешностью по сравнению с применением других способов идентификации.

Поиск причин несоответствия контролируемых параметров требуемым (т.е. причин неисправности ЭУ). Изменения контролируемых параметров (налаживаемого ЭУ), выходящие за допустимые пределы, обычно вызваны наличием в изделиях различного рода дефектов и ошибок (вносимых на разных стадиях жизненного цикла ЭУ). Дефекты, как и ошибки, не могут быть обнаружены до тех пор, пока не будут созданы условия для возникновения из-за них наблюдаемых (или фиксируемых другими способами) неисправностей ЭУ. Процесс определения причин появления ошибок и наличия (или возникновения) дефектов в ЭУ называют диагностикой неисправностей.

Рис. 3. Простейшие структурные схемы измерительных стендов, используемых при выполнение регулировочных работ для ЭУ (модулей 1-ого и 2-ого уровней); а – идентификатором являются данные ТУ, ТИ и другие документы; б – идентификатором являются ЭО; ОР – объект регулировки; ЭО – эталонный объект; ГСС – генератор стандартных сигналов; ИА – измерительная аппаратура; ИВ – индикатор выхода; ТУ – технические условия; ТИ – технологическая инструкция.

Причинами неисправностей, например ячеек ЭУ, могут быть:

- несовершенство материалов ЭУ (в том числе наличие скрытых дефектов);

- дефекты сборки и монтажа (в том числе скрытые дефекты);

- дефекты изготовления печатных плат (в том числе скрытые дефекты);

- дефекты компонентов (в том числе скрытые);

- ошибки, допущенные при разработке схемы электрической принципиальной и др., а также трассировки платы;

- ошибки, вносимые на этапе регулировки ЭУ (например, при использовании измерительных схем и средств, нарушающих электрические и тепловые режимы объекта регулировки; при использовании не оптимально разработанного или недостаточно отлаженного программного обеспечения для параметрического и функционального контроля и др.).

Поиск причин неисправностей – наиболее сложный процесс налаживания ЭУ и во многом зависит от уровня подготовки и опыта работы регулировщика. Объем работы в этом случае может быть разным для аналоговых, цифровых, аналого-цифровых и других ЭУ и определяться их сложностью, а также возможностями используемых измерительных и программных средств.

Существуют различные методы поиска причин неисправностей ЭУ, но большое распространение в условиях производства получили следующие методы:

- с использованием таблиц (в составе, например, технологической или другой нормативной документации), содержащих разновидности и причины неисправностей;

- с использованием классификаторов дефектов (с указанием направления их поиска);

- с применением анализа физических принципов функционирования устройства и поиска причин неисправности логическим путем, либо постепенным приближением к дефектному участку (или месту) конструктива с использованием измерительных средств;

- за счет исключения нормально функционирующих каскадов и других частей электрической принципиальной схемы с применением технологических карт электрических сопротивлений и напряжений;

- при помощи дополнительного сканирующего тестирования с целью локализации дефектного участка электрической цепи;

- при помощи тестирующих программ, локализующих дефектные участки электрической схемы устройства;

- с применением эвристической имитации (поисковой замены) отдельных каскадов схемы, узлов ЭУ и т.п., в том числе при использовании технологических ЭВМ.

Каждому из методов присущи свои достоинства и недостатки, возможности применения в конкретных условиях производства (или в условиях эксплуатации при сбоях* или отказах** ЭУ) для изделия разной степени сложности и точности. Однако, использование программного контроля (т.е. преимущественно тестирования – проверки работоспособности ЭВС путем воздействия на него тестовых (испытательных программ)) в большинстве случаев может оказаться наиболее рациональным при поиске неисправностей, особенно для цифровых ЭУ.

Доведение контролируемых параметров до требуемых значений осуществляется после определения причин неисправности ЭУ. В зависимости от характера дефекта, вызвавшего неисправность, а также от особенностей функционирования ЭУ, доведение оценочных параметров может выполняться с применением методов:

- использования регулировочных (и подстроечных) элементов в составе переменных компонентов (обычно R, C, L), если они имеются в составе ЭУ;

- замены компонентов на их аналоги с параметрами, обеспечивающими заданные оценочные критерии и нормальное функционирование ЭУ (с использованием операций демонтаж – монтаж);

- использования функциональной подгонки пленочных элементов микросборок (МСБ), если они имеются в составе ЭУ (например, с помощью лазерного луча (рис. 4) или другим способом);

- использования топологических подгоночных пленочных элементов (обычно для МСБ (рис. 5, а…в));

- использования резервных элементов, компонентов, перемычек, если они предусмотрены в составе ЭУ (обычно в МСБ (рис. 6));

- устранения дефектов пайки, микросварки, очистки с применением специальной ремонтной технологической оснастки (например, микротермофена, вакуумных прецизионных приспособлений с наконечниками для отсоса излишков припоя и т.п., микродозаторов и др.);

- репрограммирования (для полупроводниковых БИС, СБИС).

Рис. 4. Пример использования функциональной подгонки лазерным лучом (для плавно погоняемого сопротивления) пленочного резистора МСБ; 1 – прямой и Г-образный подгоночные резы на рабочем участке резистора; 2 – прямой подгоночный рез на дополнительном участке грубой подгонки; 3 – прямой подгоночный рез на дополнительном участке точной подгонки.

Использование регулировочных элементов в составе навесных компонентов заключается в получении заданных выходных параметров ЭУ путем изменения величины сопротивления (индуктивности, емкости) специально введенного в схему переменного навесного компонента с помощью вращения (или перемещения) подвижного контакта (например, движка, ползунка, ротора, сердечника и т.п.) в его конструкции. Переменные регулировочные, обычно дискретные, ЭРК допускают изменение величины своего основного параметра как при наладке, так и при эксплуатации ЭУ (для операций настройки определенных схем) и чаще всего выносятся на лицевую панель блока. Подстроечные (также переменные дискретные) ЭРК используются при разовой или периодической регулировке ЭУ и не допускают изменения основного параметра в процессе эксплуатации ЭУ (т.е. устанавливаются на плате ячейки с фиксацией подвижного контакта после выполнения настройки (по завершении регулировочных работ)).

Достоинства метода:

- возможно получение высокой точности выходных параметров изделия при широких диапазонах допусков на параметры компонентов схемы;

- возможно поддержание работоспособности схемы и заданных режимов работы компонентов при старении материалов ЭУ, включая ЭРК, или резких изменениях условий эксплуатации;

- в большинстве случаев обеспечивается наименьшее время выполнения доводочных операций.

Недостатки метода:

- наличие регулировочных элементов в составе навесных компонентов несколько снижает надежность ЭУ, заметно увеличивает массогабаритные показатели и стоимость изделий;

- требует обеспечения надежной фиксации подстроечных компонентов;

- затрудняет выполнение операций по влагозащите и усложняет сборочно-монтажные операции при изготовлении ЭУ.

Метод замены компонентов состоит в том, что соответствие измеряемых параметров заданным выходным параметрам ЭУ достигается удалением (демонтажом) компонентов (параметры которых не обеспечивают требуемые выходные параметры ЭУ) и последующим монтажом на их месте (т.е. включением в схему) аналогичных компонентов, но обеспечивающих требуемые выходные параметры ЭУ.

Достоинства метода:

- заданные параметры достигаются без использования переменных ЭРК;

- можно первоначально использовать компоненты без жесткого отбора.

К недостаткам можно отнести возможность применения данного метода только в цифровой технике, а также потребность в подборе аналога-заменителя и дополнительного времени на демонтаж-монтаж компонентов.

Рис.6. Примеры вариантов использования резервных элементов, компонентов и (или) перемычек в составе пленочной МСБ для доведения ФП ЭУ до требуемых значений; а – при использовании резервных элементов, перемычек и компонентов; б – при использовании резервных элементов и перемычек; 1 – подложка; 2 – резервные контактные площадки; 3 – резистивные элементы; 4 – перемычка (проволочная или др.); 5 – резервный компонент; стрелками указаны возможные перемещения поз. 4 и 5.

Метод функциональной подгонки (обычно лазерной), как и метод использования топологических подгоночных элементов состоит в том, что требуемая величина функционального параметра ЭУ достигается путем удаления участков пассивных пленочных элементов чаще всего лазерным лучом (см. рис. 4 и 5). При этом в первом случае лазерный луч воздействует непосредственно на пленочный (например, резистивный) элемент (изменяя (уменьшая) его топологическую ширину, см. рис. 4), а во втором – на топологические подгоночные элементы (спроектированные при разработке топологии, см. рис. 5), прерывая нужную электрическую связь, для доведения выходных параметров ЭУ до требуемых значений.

Достоинствами данных методов является высокая точность доводки (подгонки), особенно во втором случае, и меньшее, по сравнению с методом замены компонентов, время, затрачиваемое непосредственно на доведение выходных параметров ЭУ до требуемых значений.

К недостаткам данных методов можно отнести:

- пригодность использования только для пленочных МСБ;

- потребность в специальном подгоночном оборудовании;

- необходимость увеличения площади плат МСБ, если используются топологические подгоночные элементы и усложнение топологии плат в этом случае.

При использовании резервных элементов, компонентов, либо перемычек (см. рис. 6) заданные выходные характеристики изделия обеспечиваются путем подбора одного или нескольких компонентов с постоянными параметрами, либо перемычек, применение которых обеспечивает частичную или полную компенсацию отклонения выходных параметров ЭУ от нормы. При этом в топологию платы должны быть включены резервные топологические элементы (например, знакоместа (или резервные контактные площадки) и др., см. рис. 6).

Достоинства метода:

- обеспечение высокой точности и стабильности выходных параметров (выше по сравнению с предыдущими методами для МСБ);

- повышенная надежность изделия (по сравнению с предыдущими методами для МСБ).

Недостатки метода:

- потребность в регулировщиках высокой квалификации;

- высокая трудоемкость;

- некоторое усложнение топологии плат.

Репрограммирование БИС (СБИС) используется в цифровой технике при отладке аппаратного и программного обеспечения.