Многофункциональный диагностический комплекс

Многофункциональный диагностический комплекс относится к устройствам для диагностики, ремонта и разработки различных электронных и электрических схем и систем, и может быть полезна, в первую очередь при ремонте и диагностике современных электронных устройств собираемых на многослойных печатных платах, особенно при трассировке проводников находящихся на внутренних слоях многослойных печатных плат, а также при работе с микросхемами в BGA корпусах. Также предлагаемая полезная модель может быть полезна при ремонте и диагностике устройств при отсутствующей принципиальной электрической схеме ремонтируемого устройства.

Особенностью устройства является то что в общем корпусе щупа, конструкция которого внешне напоминает многоцветную шариковую ручку, дополненную выходным кабелем, находятся:

1. Стандартный щуп-контакт мультиметра/осциллографа.

2. Индуктивный или магниторезистивный датчик для бесконтактного измерения тока, используемый при ручной трассировке низкоимпедансных цепей или диагностике компонентов.

3. Электрометрический или емкостной датчик для бесконтактного измерения потенциала напряжения, используемый при ручной трассировке высокоимпедансных цепей или диагностике компонентов.

4. Термопара или термосопротивление.

5. Соответствующие усилители сигналов каждого канала и устройство механической и электронной коммутации каналов.

Кроме того в состав комплекса входит комбинированное устройство блок питания/усилитель мощности, которое может быть использовано как в качестве регулируемого источника напряжения/тока, так и в качестве регулируемого по амплитуде и фазе усилителя мощности, нагрузкой которого может являться диагностируемая цепь или компонент, а датчик соответствующего канала, с целью повышения чувствительности может быть включен в цепь положительной обратной связи, или с целью повышения избирательности, в цепь отрицательной обратной связи.

Также имеется возможность включения встроенного громкоговорителя для аудио контроля выходного сигнала.

Полезная модель относится к области устройств для измерения и диагностики и может быть использована для диагностики, ремонта и разработки различных электронных и электрических устройств и цепей.

Уровень техники. Известны:

(1) Милливольтметры с активным щупом, в котором схема предварительного усиления находится непосредственно в корпусе щупа, например В3-48 или В3-52/1.

(2) Трассоискатели скрытой электропроводки, например LA-1010 или АСТ-1210.

(3) Электронные измерители температуры, например термометр ТМ979Н.

(4) Лабораторные блоки питания, например АКИП Б5-71.

(5) Устройство для параметрического контроля многослойных печатных плат RU 6187225 C1 опубликованное 10.07.2005

Наиболее близким устройством (прототипом) к заявляемому мною является Устройство для параметрического контроля многослойных печатных плат RU 2256187 C1 опубликованное 10.07.2005.

Устройство предназначено для выходного контроля качества многослойных печатных плат, и состоит из N пар подпружиненных, для обеспечения качественного контакта зондовых головок, которые размещаются на противоположенных сторонах тестируемой печатной платы, и передвигаются блоками координатного многоосевого перемещения, которые, в свою очередь управляются блоками управления перемещением по командам встроенной микроЭВМ, согласно программе, индивидуальной для каждой многослойной печатной платы.

Как данное устройство, так и предлагаемый мною многофункциональный диагностический комплекс могут быть использованы для контроля качества многослойных печатных плат.

Раскрытие полезной модели.

Недостатками, (применительно конечно к решаемой мною задаче), вышеуказанных устройств является то, что поскольку функции вышеуказанных устройств не интегрированы, пользование ими по отдельности неудобно.

Кроме того использование устройств (2), ввиду их размеров, низкой чувствительности и разрешающей способности затруднено, а устройства (4), ввиду отсутствия в нем функции усилителя мощности невозможно, в предлагаемом устройстве, предназначенном, главным образом для ремонта и диагностики современных электронных устройств собираемых на многослойных печатных платах, в том числе и с применением микросхемах в BGA корпусах.

Недостатком устройства (5) является то, что поскольку данное устройство предназначено для выходного контроля качества изготовленных многослойных печатных плат оно, ввиду своих конструктивных особенностей, непригодно для работы с готовыми изделиями собранных на таких платах, поскольку зондовая головка в вышеуказанном устройстве состоит из пары подпружиненных контактов и видеокамеры, необходимой для точного позиционирования зондовой головки, и предназначена только для контактного измерения сопротивлений проводников, межслойных переходов, металлизированных отверстий, изоляции цепей и электрических соединений между монтажными площадками на наружных слоях контролируемых многослойных печатных плат.

При этом вся дальнейшая обработка сигнала производится измерительно-коммутационными модулями, которые находятся вне зондовых головок.

Никаких других измерений, ни контактным, ни бесконтактным способом данное устройство не производит, поэтому авторы изобретения позиционирует данное устройство как устройство для параметрического контроля, а не как многоканальный зонд. Кроме того данное устройство ввиду его стоимости и габаритов труднодоступно для небольших предприятий и индивидуальных лиц.

Задачей заявляемой мною полезной модели является интеграция функций вышеуказанных устройств в одном, с целью повышения функциональности и удобства пользования для целей ремонта и диагностики различных электронных и электрических схем и систем, в том числе и современных, собираемых на многослойных печатных платах, и особенно может быть полезно при ручной трассировке проводников находящихся на внутренних слоях многослойных печатных плат и работе с микросхемами в BGA корпусах. Также предлагаемое устройство может быть полезно для работы при отсутствующей принципиальной электрической схеме диагностируемого устройства.

Технический результат достигается тем, что едином общем корпусе щупа, конструкция которого внешне напоминает многоцветную шариковую ручку, дополненную выходными кабелями, размещаются:

1. Щуп-контакт мультиметра/осциллографа.

2. Бесконтактный датчик тока индуктивного или магниторезистивного типа с соответствующей схемой предварительного усиления токового сигнала.

3. Бесконтактный датчик напряжения электрометрического или емкостного типа с соответствующей схемой предварительного усиления данного сигнала.

4. Датчик температуры типа термопара или термосопротивление с соответствующей схемой предварительного усиления сигнала термопары или термосопротивления.

А также устройство механической и электронной коммутации вышеуказанных каналов расположены в едином общем корпусе измерительного щупа.

Кроме того в состав комплекса входит комбинированное устройство которое может быть использовано как в качестве регулируемого по амплитуде и частоте источника напряжения/тока, так и в качестве регулируемого по амплитуде и фазе усилителя мощности, нагрузкой которого может являться диагностируемая цепь и/или компонент, а датчик соответствующего канала, с целью повышения чувствительности может быть включен в цепь положительной обратной связи, или с целью повышения избирательности в цепь отрицательной обратной связи.

Также имеется возможность включения встроенного громкоговорителя для аудио контроля выходного сигнала.

Таким образом предлагаемое мною устройство имеет 4 канала измерения, упомянутых выше, каждый из которых может быть использован 4-х режимах, а именно:

А) Режим измерения диагностируемой системы питающейся от ее собственного источника питания.

Б) Режим измерения диагностируемой системы питающейся от регулируемого источника питания входящего в состав комплекса.

В) Режим измерения диагностируемой системы при котором, с целью повышения чувствительности комплекса, диагностируемая цепь или компонент подключается к выходу регулируемого источника питания/усилителя мощности, а соответствующий канал включается в цепь положительной обратной связи по току или напряжению.

Г) Режим измерения диагностируемой системы при котором, с целью повышения избирательности комплекса, диагностируемая цепь или компонент подключается к выходу регулируемого источника питания/усилителя мощности, а соответствующий канал включается в цепь отрицательной обратной связи по току или напряжению.

Также система видеоконтроля места диагностики, имеющаяся в прототипе, заменена на устройство аудиоконтроля диагностируемой цепи и/или компонента, в предлагаемом мною устройстве.

Осуществление полезной модели "Многофункциональный диагностический комплекс". Конструктивно устройство состоит из А:

Щупа, в общем корпусе которого расположены датчики, предварительные усилители всех каналов с соответствующей системой механической и электронной коммутации каналов. Внешне конструкция щупа напоминает многоцветную шариковую ручку дополненную выходными кабелями.

Система механического переключения каналов также может быть аналогичной системе переключения цветов многоцветной шариковой авторучки.

Одна из возможных реализаций щупа показана на фиг. 1/3. Рассмотрим работу многоканального щупа:

Канал контактного измерения. Щуп-контакт мультиметра/осциллографа выдвигается нажатием переключателя П1, при этом щуп-контакт с помощью контактной группы S1 подключается к выходной шине, выходы других каналов при этом отключаются.

Канал бесконтактного измерения тока, предназначенный главным образом для трассировки скрытых проводников (дорожек) с низким импедансом и работы с микросхемами в BGA корпусах, включается нажатием переключателя П2, при этом:

1) Выдвигается магнитопровод индуктивного датчика магнитного поля механически соединенный с переключателем П2.

2) Схема (изображенная на фиг. 1/3) переходит в режим каскодного усилителя с динамической нагрузкой сигнала индуктивного датчика магнитного поля, а именно: предварительное усиление сигнала индуктивного датчика магнитного поля осуществляется малошумящим транзистором типа КТ 3102 включенного по схеме с общим эмиттером, коллекторной нагрузкой которого является триод-нувистор типа 6C51H включенный по схеме с общей сеткой (контактная группа S 2/2 механически соединенная с переключателем П2 находится в верхнем положении) анодной нагрузкой нувистора является источник тока собранный по схеме токовое зеркало на транзисторах VT2 И VT3 типа КТ361Г, выход каскодного усилителя с помощью контактной группы S2/2 подключается к выходной шине, при этом выходы других каналов отключается.

Канал бесконтактного измерения напряжения, предназначенный главным образом для трассировки скрытых проводников (дорожек) с высоким импедансом, включается нажатием переключателя ПЗ, при этом схема изображенная на фиг. 1/3 с помощью контактной группы S 3/1 переходит в режим генератора синусоидальных колебаний работающий на частоте порядка 50 мегагерц, собранного на нувисторе 6С51Н по классической схеме емкостной трехточки (генератор Колпитца). Выбор нувистора обусловлен его значительно большей, по сравнению с полупроводниковыми устройствами, устойчивостью к электростатике. Паразитная емкость проводника и/или компонента диагностируемого устройства является нижней, по схеме, обкладкой Сэкв. колебательного контура L5 Сэкв, верхняя же обкладка Сэкв. расположена на корпусе зонда. Схема на варикапе служит для подстройки эквивалентной емкости колебательного контура для получения устойчивой генерации. Входной сигнал каскада на транзисторе VT1 с помощью контактной группы S2.1 заземляется и этот каскад входит в режим катодного резистора нувистора 6С51Н. Выход генератора с помощью контактной группы S 3 подключается, для дальнейшей обработки, к выходной шине, выходы других каналов при этом отключаются.

Канал измерения температуры включается нажатием переключателя П4 при этом:

1) Выдвигается датчик температуры типа термопара, механический соединенный с переключателем П4.

2) Схема изображенная на фиг. 1/3, являющаяся усилителем сигнала термопары, выполнена по стандартной схеме на специализированном операционном усилителе типа AD8551 и с помощью контактной группы S4 подключается к выходной шине, выходы других каналов при этом отключаются.

и B:

Регулируемого по амплитуде, частоте и фазе комбинированного устройства блока питания/усилителя мощности.

Работа комбинированного устройства блок питания/усилитель мощности в режиме блока питания.

Рассмотрим работу комбинированного устройства на примере блок-схемы популярной микросхемы TL494, широко применявшейся в импульсных блоках питания (см. фиг. 2/3).

Основой узла широтно-импульсного регулирования данной микросхемы является компаратор DA2, на инвертирующий вход которого, с генератора DA6, частота работы которого определяется номиналами резистора RT и конденсатора СТ, подается сигнал пилообразной формы, а на неинвертирующий вход который подсоединен к операционному усилителю DA3 - (усилитель сигнала ошибки напряжения), операционному усилителю DA4 - (усилитель ошибки по ограничению тока) и выводу 3, при этом, подается сигнал который необходимо промодулировать.

В режиме блока питания на этот вход подается напряжение

Uвх=k1*Uоп.-k2*Uвых.+k3*Iвых.

Где:

Uоп. опорное напряжения которое необходимо стабилизировать,

Uвых. выходное напряжение стабилизатора

Iвых. выходной ток стабилизатора

k1, k2 k3 коэффициенты специфичные для каждой конкретной схемы блока питания.

На выходе компаратора получаем прямоугольные импульсы ширина которых пропорциональна уровню модулируемого сигнала, в данном случае Uвх. Затем из выходного сигнала компаратора блоком вспомогательной логики на элементах DD1, DD2, DD3, DD4, DD5, DD6 формируется парафазный сигнал для полумостового выходного каскада работающего в ключевом режиме.

В случае нагрузки выходного ключевого каскада на развязывающий и согласующий трансформатор выходное напряжение с этого трансформатора выпрямляется и подается на LC фильтр. LC фильтр включенный между выходным ключевым каскадом и нагрузкой фильтрует и сглаживает импульсы выходного тока.

Работа комбинированного устройства блок питания/усилитель мощности в режиме усилителя мощности.

Вариант 1.

Работа комбинированного устройства блок питания/усилитель мощности в режиме усилителя класса D.

Класс D - режим работы каскада в котором активные приборы работают в ключевом режиме. В основе этой схемы - задающий генератор пилообразной или треугольной схемы, частота которой обычно равняется десяткам или сотням килогерц, быстродействующий компаратор и формирователь импульсов, управляющий выходными транзисторами, работающими в ключевом режиме. Демодулирование усиленного сигнала производит LC фильтр который включается между выходным каскадом и нагрузкой.

Теорема Котельникова: Любой аналоговый сигнал может быть восстановлен с какой угодно точностью по своим дискретным отсчетам, взятым с частотой f>2fc, где fc - максимальная частота, которой ограничен спектр реального сигнала.

Таким образом для получения полосы пропускания усилителя мощности равной 0-10 килогерц частота задающего генератора пилообразной или треугольной должна быть не менее 20 килогерц.

Так как основой узла широтно-импульсного регулирования усилителя является компаратор DA3, на инвертирующий вход которого с генератора DA6 подается сигнал пилообразной формы, на другой вход при этом подается сигнал который необходимо промодулировать, в нашем случае, на этот вход подается напряжение с выхода щупа. Если мгновенное значение входного напряжения превышает напряжение на выходе генератора, компаратор подает сигнал на открытие верхнего плеча, если нет то на открытие нижнего плеча. В случае необходимости, усилители DA3 и DA4 могут быть использованы для введения отрицательной или положительной обратных связей по напряжению или току. Затем из выходного сигнала компаратора блоком вспомогательной логики на элементах DD1, DD2, DD3, DD4, DD5, DD6 формируется парафазный сигнал для полумостового выходного каскада работающего в ключевом режиме. Формирователь импульсов усиливает эти сигналы попеременно открывая транзисторы верхнего и нижнего плеча, а включенный между ними и нагрузкой LC фильтр демодулирует и сглаживает отдаваемый в нагрузку ток. На выходе усилителя - усиленная и демодулированная, очищенная от высокочастотных помех копия выходного сигнала.

Недостатками, препятствующим широкому использованию усилителей класса D, являются довольно высокий коэффициент нелинейных искажений и более высокие требования к быстродействию компонентов, но в нашем случае эти недостатки не столь существенны.

Вариант 2.

Работа комбинированного устройства блок питания/усилитель мощности в режиме усилителя класса А.

Комбинированное устройство состоящее из понижающего сетевого трансформатора, выпрямителя, сетевого фильтра, первичного параметрического стабилизатора, последовательного компенсационного регулируемого стабилизатора на базе операционного усилителя и переключателя режима.

В данной схеме, (изображенной на фиг. 3/3) операционный усилитель фактически включен по схеме неинвертирующего усилителя, выход которого подключен к базе мощного транзистора включенного по схеме с общим эмиттером (усилитель тока). Соотношение резисторов в цепи обратной связи такого усилителя задают его коэффициент усиления, Ky=1+R1/R3, который определяет во сколько раз выходное напряжение будет выше входного, то есть напряжения поданного на неинвертирующий вход операционного усилителя. В режиме блока питания (стабилизатора напряжения) на этот вход подается опорное напряжение с параметрического стабилизатора Rv D1. В режиме усилителя мощности этот вход переключается на выходной сигнал щупа, а к выходу усилителя подключается диагностируемая цепь или компонент.

Переменное сопротивление R2 стоящее в цепи отрицательной обратной связи и являющееся регулятором напряжения в режиме блока питания, в режиме усилителя мощности служит регулятором усиления.

Вариант 3.

Комбинированное устройство блок питания/усилитель мощности в котором функция усилителя мощности может быть реализована на микросхеме усилителя мощности, например такой как TDA1557, которая конструктивно и схемотехнически объединена с блоком питания для реализации задач заявляемой полезной модели.

ИСТОЧНИКИ

Устройство для параметрического контроля многослойных печатных плат, RU 2256187 C1

Лабутин, В.К. Усилитель класса D. М. Госэнергоиздат.1956 г.

Лившиц, И.И. Транзисторные усилители в режиме D. Л. Энергия, 1973 г.

Bohn, D.A. Pro Audio Reference, Rane Audio, 2012, Amplifer classes: Class D

Bohn, D.A. Pro Audio Reference, Rane Audio, 2012, Amplifer classes: Class A

Texas Instruments, Datasheet TL494.

Philips, Datasheet TDA1557.

Analog Devices, Datasheet AD88551.

1. Многофункциональный диагностический комплекс, состоящий из многоканального щупа, включающий в себя канал контактного измерения параметров, то есть щуп-контакт мультиметра/осциллографа, каналы бесконтактного измерения тока и напряжения, канал измерения температуры, а также комбинированного устройства блок питания/усилитель мощности, который может быть использован как в качестве регулируемого блока питания, так и в качестве усилителя мощности, и выходных цепей для подключения к мультиметру и осциллографу.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в состав многофункционального диагностического комплекса входят 4- или более канальный щуп с соответствующими датчиками, схемами предварительной обработки сигналов и системой механической и электронной коммутации каналов.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в состав многофункционального диагностического комплекса входит комбинированное устройство блок питания/усилитель мощности, которое может быть использовано как в качестве регулируемого по напряжению, току и частоте источнику напряжения/тока для испытуемых цепей, так и в качестве регулируемого по амплитуде и фазе усилителя мощности, с целью организации положительной и отрицательной обратных связей по току и напряжению для повышения чувствительности и избирательности комплекса.

4. Устройство по п. 2, отличающееся возможностью опционального выбора канала контактного измерения сигнала, то есть щупа-контакта мультиметра/осциллографа.

5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что датчик контактного измерения сигнала, то есть щуп-контакт мультиметра/осциллографа, а также устройство механической и электронной коммутации канала контактного измерения сигнала расположены в общем корпусе измерительного щупа.

6. Устройство по п. 2, отличающееся возможностью опционального выбора канала бесконтактного измерения тока в цепях с низким импедансом.

7. Устройство по. 2, отличающееся тем, что датчик тока, схема предварительного усиления токового сигнала, а также устройство механической и электронной коммутации канала бесконтактного измерения тока расположены в общем корпусе щупа.

8. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что датчик тока может быть изготовлен как с использованием катушки индуктивности, так и на основе полупроводниковых структур таких как магниторезисторы, датчики Холла и т.п.

9. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что канал бесконтактного измерения тока может быть использован для пассивного мониторинга токовых цепей.

10. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что канал бесконтактного измерения тока может быть включен в цепь положительной или отрицательной обратной связи по току.

11. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что параметры положительной или отрицательной обратной связи по току, такие как сила тока, частота, фаза регулируются.

12. Устройство по п. 2, отличающееся возможностью опционального включения канала бесконтактного измерения напряжения в цепях с высоким импедансом.

13. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что бесконтактный датчик напряжения, схема предварительного усиления сигнала, а также устройство механической и электронной коммутации канала бесконтактного измерения напряжения расположен в общем корпусе измерительного зонда.

14. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что бесконтактный датчик напряжения может быть как емкостного, так и электрометрического типа.

15. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что канал бесконтактного измерения напряжения может быть использован для пассивного мониторинга потенциала напряжения высокоимпедансных цепей.

16. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что канал бесконтактного измерения напряжения может быть включен в цепь положительной или отрицательной обратной связи по напряжению.

17. Устройство по п. 3, отличающееся возможностью регулировки параметров положительной или отрицательной обратной связи по напряжению, таких как амплитуда, частота и фаза.

18. Устройство по п. 2, отличающееся возможностью опционального включения канала измерения температуры.

19. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что датчик температуры, схема предварительного усиления сигнала, а также устройство механической и электронной коммутации канала измерения температуры расположены в общем корпусе измерительного зонда.

20. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в качестве датчика температуры может быть использована как термопара, так и датчики температуры на основе полупроводниковых структур.

21. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что имеется возможность включения встроенного громкоговорителя для аудиоконтроля выходного сигнала.

РИСУНКИ