DE19606512A1 - Meßvorrichtung zur Abbildung einer Signalverteilung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur Abbildung einer Signalverteilung in einem Meßobjekt, die von einem eingekoppelten Testsignal verursacht wird.

Bei Meßvorrichtungen zur Qualitätssicherung wird ein Meßobjekt, beispielsweise eine Platine mit elektronischer Schaltung, meist in der Weise untersucht, daß in seiner Umgebung nach einem Störsignal, das von einem Stromfluß in der Platine verursacht wird, gesucht wird. Dazu wird an einer festgelegten Position ein Testsignal in die Platine eingekoppelt. In interessierenden Bereichen in der Umgebung der Platine wird das Störsignal detektiert, so daß an bestimmten Stellen in der elektronischen Schaltung ein Strom nachgewiesen werden kann. Damit kann eine beabsichtigte oder fehlerhafte Verbindung in der Schaltung ermittelt werden. Dabei ist die Messung jedoch auf eine örtlich begrenzte Detektion beschränkt, da nicht die Auswirkungen einer Fehlfunktion an einer bestimmten Position im gesamten Meßobjekt gemessen werden können. Insbesondere ist in verschiedenen Entwicklungsstufen eines neuen Produktes jedoch eine detailliertere Messung und Darstellung von verschiedenen Störsignalen in einem größeren Bereich wünschenswert.

Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Meßvorrichtung zu schaffen, die eine unbeschränkte Messung und Darstellung der Auswirkungen einer Fehlfunktion an einer bestimmten Position in einem Meßobjekt ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung dadurch gelöst, daß die Meßvorrichtung mit einer Einkoppeleinheit zur Einkoppelung eines Testsignals an einer beliebigen Position in einem Meßobjekt, einer Sensoreinheit zum Empfang von vom Testsignal verursachten Störsignalen an mehreren Positionen am gesamten Meßobjekt und mit einer Auswerteeinheit zur Bildung einer Signalverteilung im gesamten Meßobjekt aus den empfangenen Störsignalen ausgestattet ist.

Durch die Einkoppelung eines Testsignals an einer beliebigen Position im Meßobjekt können alle möglichen Testsituationen geschaffen werden. Dabei ist auch die Art des Testsignals frei wählbar. Da die Sensoreinheit beispielsweise durch einen geeigneten Filter nur die Störsignale empfängt, die vom Testsignal verursacht werden, kann das jeweilige Meßobjekt in einem normalen Betriebszustand getestet werden. Die Auswerteeinheit bildet eine Verteilung eines gewünschten Signals, das sich aus den empfangenen Störsignalen ableiten läßt. Damit stehen Meßwerte für die Signalvertei­ lung im gesamten Meßobjekt zur Verfügung. So können beispielsweise die Auswirkungen beliebiger Fehlersituationen im normalen Betrieb simuliert und ausgewertet werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der anspruchsgemäßen Erfindung ergibt sich, wenn als Testsignal ein elektrisches Signal mit wählbarer Frequenz, als Einkoppeleinheit ein optoelektronischer Wandler zum Einbau im Meßobjekt und ein mit der wählbaren Frequenz modulierbarer optischer Strahler zur Energieversorgung des Wandlers und als Sensoreinheit ein positionierbarer Meßkopf mit einer Meßsonde zum Empfang von elektromagnetischen Emissionen der wählbaren Frequenz vorgesehen ist. Mit einem elektrischen Testsignal können z. B. bei einer zu testenden elektronischen Schaltung von unterschiedlichen Bauelementen ausgehende Fehler simuliert werden. Mit einem optoelektronischen Wandler, der vorzugsweise durch eine Photodiode realisiert wird, kann eine gesteuerte Stromquelle in die Schaltung integriert werden, ohne daß deren normaler Betrieb gestört wird. Um das Testsignal zu generieren, versorgt ein optischer Strahler die Photodiode mit Photonenenergie. Dazu kann insbesondere ein LASER verwendet werden, der mit der wählbaren Frequenz moduliert wird. Möglich wäre auch eine Einkopplung des elektrischen Signals über einen Kondensator, wobei das Testsignal dann jedoch über elektrische Kabel zugeführt werden müßte, deren elektromagnetische Emissionen bei fließendem Strom von der Sensoreinheit empfangen werden. Da diese Emissionen im Frequenzbereich des Testsignals liegen, werden sie von der Auswerteeinheit ebenfalls verarbeitet und führen zu einer fehlerhaften Abbildung. Die für den Frequenzbereich des verwendeten Testsignals geeignete Meßsonde im Meßkopf empfängt die elektromagnetischen Emissionen und führt sie der Auswerteeinheit zu, die aus diesem Signal die Frequenz des Testsignals herausfiltert. Dabei ist der Meßkopf vorzugsweise so ausgeführt, daß er das Meßobjekt nicht berührt und bei einer Kollision automatisch nachgibt und ausweicht. Des weiteren ist er vorteilhaft so ausgebildet, daß er die Messung der elektromagnetischen Emissionen durch Störung der Felder nicht verfälscht. Außerdem ist die Meßsonde so gelagert, daß sie ausgetauscht werden kann, um an den gewählten Frequenzbereich angepaßt werden zu können.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Sensoreinheit zur aufeinanderfolgenden Messung zweier orthogonaler Magnetfeldkomponenten an jeweiligen Meßorten und die Auswerteeinheit jeweils zur Bildung eines Meßwertes für den Strom an diesen Meßorten vorgesehen. Mit geeigneten Meßsonden kann jeweils nur der Anteil des Magnetfeldvektors an einem Meßort aufgenommen werden, der in eine bestimmte Richtung zeigt. Durch eine Vektoraddition dieser zwei Anteile des Magnetfeldvektors an einem Meßort, die nacheinander aufgenommen werden, ergibt sich ein die Stromstärke an diesem Ort charakterisierender Wert. Ein entsprechendes Verfahren kann beispielsweise auch angewendet werden für den Vektor des elektrischen Feldes und die Spannung an einem Meßort.

Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist zur visuellen Darstellung der Signalverteilung eine zweidimensionale Abbildung einer Ansicht des Meßobjektes auf einem Bildschirm mit einer farblichen Kennzeichnung für die Leistungsstärke der elektromagnetischen Emission am jeweiligen Meßort vorgesehen. Zur Darstellung der Auswertung der Messung wird eine zweidimensionale Karte des Meßobjektes angelegt, in der an den jeweiligen Meßorten die Leistungsstärke des gewünschten Signals angegeben wird. Dabei kann jedes graphische Ausgabegerät verwendet werden, das vorzugsweise eine annähernde Echtzeitkontrolle erlaubt.

Des weiteren betrifft die Erfindung ein Meßverfahren zur Abbildung einer Signalverteilung in einem Meßobjekt durch Einkoppelung eines Testsignals in das Meßobjekt an einer beliebigen Position, durch Empfang von vom Testsignal verursachten Störsignalen an mehreren Positionen am gesamten Meßobjekt und durch Auswertung der empfangenen Störsignale zu einer Abbildung der Signalverteilung im gesamten Meßobjekt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll im folgenden anhand einer Zeichnung offenbart und erläutert werden. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung.

Die Fig. 1 enthält eine prinzipielle Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung. In einem Meßobjekt 1, eine Platine mit elektronischer Schaltung, ist ein optoelektronischer Wandler in Form einer PIN-Photodiode 2 eingebaut. Diese wird über einen Lichtwellenleiter 3 von einem LASER 4 angesteuert, so daß eine gesteuerte Stromquelle realisiert wird. Damit wird ein Testsignal in Form eines Stromes mit der Modulationsfrequenz des LASER′s 4 in die Schaltung 1 injiziert. Eine Sensoreinheit 5, die auf einer Seite parallel zur Schaltung 1 frei positionierbar ist, ist mit einer Meßsonde 6 verkoppelt. Diese Meßsonde 6 nimmt an bestimmten Positionen die von der Schaltung 1 ausgehenden Signale auf. Die Sensoreinheit 5 ist mit einer Auswerteeinheit 7 gekoppelt, die die von der Meßsonde 6 empfangenen Signale so auswertet und aufbereitet, daß von einem Ausgabegerät in Form eines Bildschirms 8 die Auswirkungen des injizierten Testsignals angezeigt werden können.

Da das Testsignal mit der lichtempfindlichen PIN-Photodiode 2 eingekoppelt wird, kann es an jeder beliebigen Position in die Schaltung 1 injiziert werden. Dadurch kann jede mögliche Fehlersituation simuliert werden und die Schaltung 1 dabei jeweils dennoch im normalen Betriebszustand arbeiten. Die Erzeugung der für das Testsignal notwendigen Energie durch einen LASER 4 ermöglicht zusammen mit der Zuführung als Photonenenergie über den Lichtwellenleiter 3 eine störarme Energieversorgung der gesteuerten Stromquelle 2. Durch die Modulation des LASER′s 4 wird ein hochfrequenter Strom eingeprägt. Der Empfang des Störsignals durch die Meßsonde 6 wird von der optischen Übertragung nicht beeinflußt, da sie in einem anderen Frequenzbereich stattfindet. Aus diesem Grund ist eine Einkoppelung über Kabel und eine Kapazität zwar möglich, aber weniger vorteilhaft. Da die elektrischen Verhältnisse zur Bezugsmasse durch ein zusätzliches Kabel gegenüber einem normalen Betriebszustand stark abweichen, verändert sich die Ausbreitung der Ströme dadurch völlig.

Mit Hilfe einer solchen Meßvorrichtung nach dem Injektionsverfahren können die Wege eines Testsignals in der Schaltung 1 von der Quelle bis zur Senke dargestellt werden. Die Wahl der Position der PIN-Photodiode 2 und der Frequenz des injizierten Testsignals richtet sich nach der zu simulierenden Situation. Dabei wird die PIN-Photodiode 2 an die Position einer möglichen Fehlerquelle geschaltet und die Testfrequenz möglichst nah an die nachzubildende Frequenz eines möglichen Fehlersignals angeglichen. Um eine auswertbare Trennung zwischen vom Testsignal verursachten Störsignalen und durch den normalen Betrieb der Schaltung 1 entstandenen Signalen zu ermöglichen, darf die Testfrequenz nicht exakt mit der Fehlersignalfrequenz übereinstimmen.

An bestimmten Meßpositionen nimmt die für die Frequenz des Testsignals geeignete Meßsonde 6 der Sensoreinheit 5 Magnetfeldmeßwerte auf. Es werden zwei orthogonale Komponenten des zeitabhängigen Magnetfeldvektors an dieser Position aufgenommen, wobei durch einen schmalbandigen Filter in der Auswerteeinheit 7 nur der Frequenzbereich des Testsignals zur Ausgabe 8 kommt. Zur exakteren Auswertung kann eine Referenzmessung ohne Testsignal vorgenommen werden, deren Meßergebnis jeweils von den folgenden Messungen subtrahiert wird. Der Leistungspegel des eingekoppelten Testsignals wird jeweils so groß gewählt, daß gerade noch keine Funktionsstörung in der Schaltung 1 auftritt, um bei fehlerfreiem Betrieb möglichst große Magnetfeldmeßwerte zu erhalten.

In der Auswerteeinheit 7 wandelt nach dem schmalbandigen Filter ein A/D-Wandler die empfangenen Magnetfeldvektorkomponenten um, und ein Prozessor steuert das Einschreiben der digitalen Werte in einen entsprechenden Speicher. In einem nächsten Schritt wird der digitalisierte Wert der zweiten, senkrechten Komponente des Magnetfeldes am selben Meßort in den Speicher eingeschrieben. In einem weiteren Schritt bildet der Prozessor aus den zwei quantisierten Magnetfeldwerten an einem Meßort durch Umrechnung einen Wert für den Strom an diesem Meßort. Dieser Wert kann unmittelbar zur Ausgabe gebracht oder in einen weiteren Speicher eingeschrieben werden. Vorzugsweise kann der Prozessor noch zwei gespeicherte Werte für den Strom an einem Meßort voneinander subtrahieren und so jeweils einen dritten, relativierten Wert erzeugen, der ebenfalls gespeichert oder unmittelbar ausgegeben werden kann.

Aus den zwei aufgenommen orthogonalen Komponenten des Magnetfeldes, aus denen jeweils der Frequenzbereich des Testsignals herausgefiltert wurde, läßt sich durch eine Vektoraddition in der Auswerteeinheit 7 eine Größe für die Stromstärke gewinnen. Dabei gehören jeweils zwei Ortskoordinaten der Position der Sensoreinheit 5 zu einem Meßwert, so daß eine zweidimensionale Karte aufbereitet werden kann, in der die Meßorte jeweils eine Kennzeichnung für die Stromstärke besitzen. Diese Karte wird auf einem Bildschirm 8 angezeigt, wobei durch die Meßpositionen eine Raster entsteht, dessen Felder verschiedene Farben entsprechend der gemessenen Stromstärke annehmen. Jede andere sinnvolle Darstellung eines Zahlentripels aus jeweils zweidimensionalen Ortskoordinaten und einem Meßwert kann auch verwendet werden, um die Signalverteilung in der Schaltung 1 sichtbar zu machen. Ebenso ist eine Ausgabe über einen Drucker oder einen Plotter möglich.

Claims (5)

1. Meßvorrichtung mit einer Einkoppeleinheit (2) zur Einkoppelung eines Testsignals an einer beliebigen Position in einem Meßobjekt (1), mit einer Sensoreinheit (5) zum Empfang von vom Testsignal verursachten Störsignalen an mehreren Positionen am gesamten Meßobjekt (1) und mit einer Auswerteeinheit (7) zur Bildung einer Signalverteilung im gesamten Meßobjekt (1) aus den empfangenen Störsignalen.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als Testsignal ein elektrisches Signal mit wählbarer Frequenz,
daß als Einkoppeleinheit (2) ein optoelektronischer Wandler (2) zum Einbau im Meßobjekt (1) und ein mit der wählbaren Frequenz modulierbarer optischer Strahler (4) zur Energieversorgung des Wandlers (2) und
daß als Sensoreinheit (5) ein positionierbarer Meßkopf (5) mit einer Meßsonde (6) zum Empfang von elektromagnetischen Emissionen der wählbaren Frequenz vorgesehen ist.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit (5) zur aufeinanderfolgenden Messung zweier orthogonaler Magnetfeldkomponenten an jeweiligen Meßorten und daß die Auswerteeinheit (7) jeweils zur Bildung eines Meßwertes für den Strom an diesen Meßorten vorgesehen ist.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur visuellen Darstellung der Signalverteilung eine zweidimensionale Abbildung einer Ansicht des Meßobjektes auf einem Bildschirm (8) mit einer farblichen Kennzeichnung für die Leistungsstärke der elektromagnetischen Emissionen am jeweiligen Meßort vorgesehen ist.

5. Meßverfahren zur Abbildung einer Signalverteilung in einem Meßobjekt (1) durch Einkoppelung eines Testsignals in das Meßobjekt an einer beliebigen Position, durch Empfang von vom Testsignal verursachten Störsignalen an mehreren Positionen am gesamten Meßobjekt und durch Auswertung der empfangenen Störsignale zu einer Abbildung der Signalverteilung im gesamten Meßobjekt (1).