ITTO960168A1 - Sonda per dispositivi attuatori di guasto - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Sonda per dispositivi attuatori di guasto

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce in generale alle cosiddette tecniche di attuazione o inserzione di guasto (fault insertion) utilizzate per sottoporre a prova il funzionamento di apparecchiature elettroniche.

Nelle apparecchiature e nei sistemi elettronici (soprattutto se molto complessi: per fare un esempio, che non deve peraltro essere interpretato in senso limitativo, le centrali delle reti di telecomunicazioni) insorge spesso l'esigenza di verificare e sottoporre a prova il comportamento dell'apparecchiatura e del sistema a fronte del manifestarsi di particolari condizioni di guasto. Tutto questo soprattutto per quanto riguarda il collaudo dell'apparecchiatura e delle sue parti, le funzioni di diagnosi e/o identificazione del guasto ed ancora le funzioni automatiche di riconfigurazione di cui tali apparecchiature e sistemi sono spesso provviste al fine di assicurare la continuit? di funzionamento (almeno parziale) anche in presenza di guasti.

Nelle apparecchiature digitali i tipi di guasto che si desiderano attuare o inserire (nel seguito i termini "attuazione" e "inserzione" verranno utilizzati in modo indifferente, come sinonimi) a livello hardware sono in linea di massima riconducibili al forzamento d? determinati punti dell'apparecchiatura ad un livello di segnale f?sso, corrispondente ad esempio, ad uno "0" logico o ad un "1" logico. Una soluzione tradizionalmente adottata nella tecnica ? dunque quella di realizzare, in corrispondenza del punto che si vuole forzare ad un livello di segnale predeterminato, un collegamento elettrico (di solito costituito da un ponticello conduttivo) verso il livello di massa od un livello fisso di tensione di alimentazione (+VCC o -Vcc) .

Questa soluzione non ? particolarmente facile da attuarsi, anche per il suo carattere intrinsecamente fisso: una volta applicato il ponticello, il punto interessato viene mantenuto stabilmente al livello di segnale al quale fa capo il ponticello. Non esiste quindi la possibilit? di verificare in modo rapido quale sia la reazione dell'apparecchiatura al momento dell'inserzione del guasto e/o, cosa che pu? essere non meno interessante, al momento dell'eliminazione dello stesso.

Per superare questi inconvenienti ? stata proposta, almeno a livello sperimentale, una soluzione che prevede di collegare ai punti di inserzione di guasto conduttori elettrici fuoriuscenti dall'apparecchiatura sottoposta a prova. I.conduttori in questione fanno capo ad un gruppo di interruttori elettromeccanici (quali tipicamente rel?) che consentono di realizzare i collegamenti voluti alle tensioni di riferimento.

Questa soluzione non pu? essere considerata del tutto soddisfacente, per diversi motivi.

In primo luogo, si tratta di una soluzione intrinsecamente ingombrante. Inoltre, i conduttori facenti capo ai punti di inserzione di guasto perturbano comunque il sistema sottoposto a prova. Le condizioni di guasto simulato a livello di prova finiscono quindi per non corrispondere esattamente dal punto di vista elettrico alle condizioni di guasto suscettibili di manifestarsi nell'apparecchiatura (questo soprattutto qualora si desideri anche rilevare l'assorbimento di corrente che si manifesta a li-* vello del punto di guasto). In pi?, gli stessi conduttori finiscono per perturbare il funzionamento dell'apparecchiatura anche in condizioni normali, ossia quando non c'? l'attuazione di guasto.

Sussiste quindi l'esigenza di fornire una soluzione in grado di superare i problemi delineati in precedenza ed in particolare di una soluzione che:

- renda del tutto flessibile la riproduzione delle condizioni di guasto, cos? da poter passare in modo virtualmente istantaneo dalla condizione di funzionamento normale dell'apparecchiatura sottoposta a prova alla condizione di guasto simulata;

- non perturbi il funzionamento dell'apparecchiatura in questione, n? a livello di simulazione di guasto, n? nelle condizioni in cui l'apparecchiatura stessa funziona normalmente, senza guasti applicati, - risulti intrinsecamente poco ingombrante, cos? da poter consentire l'inserzione di guasti, in modo simultaneo o pressoch? simultaneo, in un dato numero di punti di un'apparecchiatura sottoposta a prova, ad esempio a livello di una scheda inserita in un armadio, secondo una tipica soluzione realizzativa di apparecchiature elettroniche complesse, e

- si presti all'automatizzazione dello svolgimento delle operazioni di prova.

Come elemento aggiuntivo va ancora notato che si vuole inoltre disporre di dispositivi che, almeno a livello delle parti {sonde) utilizzate direttamente per il collegamento all'apparecchiatura sottoposta a prova, risultino di costo molto esiguo, cos? da poter essere eventualmente lasciate in loco una volta completata la prova, secondo tipiche modalit? di impiego di un prodotto monouso.

Secondo la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto grazie ad un dispositivo avente le caratteristiche richiamate in modo specifico nelle rivendicazioni che seguono.

L'invenzione verr? ora descritta, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni annessi, nei quali:

- la figura 1 illustra, a livello di schema a blocchi generale, la tipica configurazione di un sistema per l'inserzione di guasti in unione ad un'apparecchiatura sottoposta a prova utilizzando un tale sistema,

- le figure 2 a 5 illustrano, in quattro diverse soluzioni realizzative possibili, le caratteristiche di una sonda per dispositivi attuatori di guasto secondo l'invenzione, e

- la figura 6 rappresenta un tipico esempio di pratica attuazione di una sonda secondo l'invenzione.

Nella figura 1 ? indicata nel complesso con A un'apparecchiatura elettronica che si desidera sottoporre a prova secondo le tipiche modalit? dell'attuazione o inserzione di guasto (fault insertion).

Per fissare le idee (ma senza che questo riferimento assuma carattere limitativo della portata dell'invenzione) si pu? pensare che l'apparecchiatura A sia, ad esempio, una centrale numerica di un sistema per telecomunicazioni, o anche semplicemente una parte della stessa (ad esempio l'insieme dei circuiti che si trovano su una scheda c). Nella stessa figura i riferimenti Pi, P2 indicano, a titolo di esempio, due punti dell'apparecchiatura A in cui si vuole realizzare un'azione di inserzione di guasto. E' del tutto evidente che il numero dei punti interessati pu? essere qualsiasi, in funzione delle esigenze applicative. Come gi? detto l'azione di inserzione di guasto comporta, in pratica, il forzamento del rispettivo punto interessato (nel seguito genericamente indicato come Pi) ad un livello di segnale predeterminato, ad esempio OV (tensione di massa) ovvero ? 5V (ossia una tensione di alimentazione ?vcc) . I livelli di segnale indicati corrispondono di solito, nelle apparecchiature digitali, a livelli di "0" e "1" logico .

All'apparecchiatura A ? di solito associato (spesso come parte integrante della stessa) un sistema Al di identificazione/diagnosi dei guasti e/o di riconfigurazione dell'apparecchiatura A cos? da rendere la stessa resistente al manifestarsi di determinati guasti.

Le caratteristiche di un sistema d? questo genere sono di per s? note ai tecnici del settore, e non richiedono di essere illustrate in modo specifico in questa sede, anche perch? di per s? non rilevanti ai fini della comprensione dell'invenzione.

Come indicato in precedenza, l'invenzione affronta in modo specifico il problema dell'inserzione di guasto in un generico punto Pi, indipendentemente dal tipo di reazione indotta dall'attuazione dei suddetti guasti nel sistema Al e dall'eventuale osservazione di tale attivit?.

L'inserzione di guasto nel punto Pi viene realizzata da un dispositivo 1 comprendente una o pi? sonde 10 (eventualmente del tipo monouso) la cui struttura ? oggetto specifico della presente invenzione.

In pratica, il dispositivo 1 pu? essere realizzato, ad esempio, sotto forma di una rete logica 2 pi? o meno complessa in grado di applicare alla sonda o alle sonde 10 ad esso associate segnali di comando destinati a produrre il funzionamento di ciascuna sonda secondo le modalit? che verranno meglio descritte nel seguito.

In una forma di attuazione preferita la rete 2 ? comandata da un'unit? di controllo 3 costituita da un elaboratore elettronico che, eventualmente, ? anche in grado di dialogare con il sistema Al per coordinare fra loro l'azione di attuazione di guasto e l'osservazione del comportamento del sistema Al. Negli esempi di attuazione a cui fanno riferimento gli schemi delle figure 4 e 5, a ciascuna sonda ? anche associato un organo di retroazione in grado di rinviare verso il dispositivo 1 un segnale amperometrico indicativo dell'assorbimento di corrente in corrispondenza del punto Pi in cui ? stato attuato il guasto. Questa indicazione pu? risultare particolarmente interessante in quelle situazioni in cui il guasto determina una sollecitazione anomala (ad esempio un carico di cortocircuito) di un organo di pilotaggio (quale un cosiddetto "driver"), per cui risulta importante stabilire quale sia l'intensit? del sovraccarico, a livello di corrente erogata, applicato a tale driver per effetto del guasto.

In tutte e quattro le possibili forme di attuazione illustrate nelle figure 2 a 5, il componente base della sonda 10 ? costituito da un transistore 12, costituito di preferenza da un transistore bipolare rispettivamente di tipo n-p-n nelle soluzioni di cui alle figure 2 e 4 {inerenti ad una sonda che consente di forzare il relativo punto di guasto Pi alla tensione di massa M) e del tipo p-n-p nelle soluzioni di cui alle figure 3 e 5 (inerenti ad una sonda che consente di forzare il rispettivo punto di guasto Pi ad una tensione fissa e positiva di riferimento Vec) .

In pratica, in tutte le forme di attuazione illustrate, il collettore del transistore 12 corrisponde al terminale della sonda 10 destinato ad essere collegato in modo fisso o temporaneo al punto di inserimento di guasto Pi. L'emettitore del transistore 12 corrisponde invece al terminale della sonda destinata ad essere collegato, anche qui in modo fisso o temporaneo, al livello di segnale predeterminato. Le stesse configurazioni di collegamento possono comunque essere adottate anche per circuiti con logica ECL, operanti fra OV (massa M) e -5V (-vcc) , collegando l'emettitore del transistore 12,rispettivamente alla tensione -Vcc (figure 2 e 4) ed alla tensione di massa M (figure 3 e 5). In termini pi? generali, la soluzione con transistore n-p-n (figure 2 e 4) consente di forzare il punto Pi, collegato al collettore, ad un livello di tensione di riferimento che ? quello minimo, ossia M (tipicamente 0 Volt) o -Vcc (ad es. -5V). La soluzione con transistore p-n-p (figure 3 e 5) consente invece di forzare il punto Pi - sempre collegato al collettore negli esempi qui illustrati - ad un livello di tensione di riferimento che ? quello massimo, ossia VCC.

Il collegamento della sonda 10 con il dispositivo di comando 1 si realizza fra la base e l'emettitore del transistore 12, ad esempio tramite un cavo coassiale disposto con lo schermo 14 collegato alla tensione di riferimento (massa M o tensione di alimentazione ? Vcc) e con il conduttore interno 16 facente capo, tramite un resistere di polarizzazione 18 di valore dell'ordine, ad esempio, di 100 Ohm, alla base del transistore 12 stesso.

In sintesi, quando il transistore 12 ? in condizioni di interdizione (cut-off) i rispettivi terminali di emettitore e di collettore possono essere visti come elettricamente isolati fra loro, per cui il dispositivo 10, anche se collegato al punto di inserzione di guasto (Pi), risulta (fatte salve le precisazioni che seguono) di fatto ininfluente sull'apparecchiatura A. Le modalit? con cui si pu? ottenere questa condizione sono ben note.

Portando - in modo parimenti noto - il transistore 12 in condizione di saturazione, esso si comporta di fatto, fra i terminali di collettore e di emettitore, come un cortocircuito. Il punto Pi viene di fatto collegato a livello di massa (soluzione delle figure 2 e 4) od al livello della tensione di alimentazione Vcc (nella soluzione di cui alle figure 3 e 5). In tali condizioni si realizza la desiderata inserzione di guasto.

Il comportamento appena descritto ai fini di illustrare il generale principio di funzionamento della sonda 10 secondo l'invenzione costituisce in realt? un modello ideale che non tiene conto della presenza della capacit? parassita collettore-base (CCB) del transistore 12. L'esistenza di tale capacit?, avente un valore dell'ordine del picoFarad (pF) fa s? che la presenza della sonda 10 collegata al punto Pn non risulti completamente inavvertita, soprattutto nelle condizioni in cui non viene attuata l'inserzione di guasto .

Per capire questo ? sufficiente far riferimento allo schema della figura 2 (la situazione ? identica per lo schema della figura 4 e complementare nel caso degli schemi delle figure 3 e 5).

Nelle condizioni di normale funzionamento dell'apparecchiatura, ossia quando non si realizza l'inserzione di guasto, il livello del punto Pi varia in funzione dei livelli assunti dai segnali che transitano e/o sono presenti su tale punto. Per fissare le idee, sempre con riferimento allo schema della figura 2, il punto Pi commuter? alternativamente tra il livello di massa M ("0" logico) e il livello Vcc {"1" logico) . Ogni volta che si ha un fronte di salita del segnale presente sul punto Pi, la capacit? parassita presente fra il collettore e la base del transistore 12 tende a realizzare fra tali terminali un accoppiamento elettrico tale da portare, almeno per un breve istante, la base del transistore 12 ad un livello sufficiente a portare in conduzione la giunzione base-emettitore. Il tutto con un conseguente flusso di corrente attraverso il collettore e l'emettitore del transistore 12 stesso. Questo si traduce, in pratica, in un fronte di salita piuttosto "sporco", con la tensione sul punto Pi che non cresce rapidamente con una forma a scalino ma piuttosto con un andamento pi? o meno arrotondato influenzato dalla fase di conduzione indotta nel transistore 12.

Il comportamento nel caso dello schema della figura 4 ? del tutto analogo. Nel caso delle soluzioni delle figure 3 e 5 un fenomeno simile si determina invece nel caso dei fronti di discesa. Anche in questo caso, l'accoppiamento capacitivo parassita fra collettore e base del transistore 12 ? tale da portare, almeno per un breve intervallo, la giunzione emettitore-base in conduzione. Ne deriva il conseguente passaggio, almeno momentaneo, del transistore 12 in conduzione, il che, nuovamente, "sporca" il suddetto fronte di discesa.

Per evitare il manifestarsi del suddetto inconveniente, la soluzione secondo l'invenzione prevede di inserire una capacit? 19 collegata direttamente fra la base e l'emettitore del transistore 12 ed avente un valore genericamente superiore, di preferenza di almeno due ordini di grandezza (dunque con un valore, ad esempio, di 100 pF) rispetto alla capacit? parassita esistente fra il collettore e la base .

Cos? come verificato dalla Richiedente, e come si pu? appurare anche per via analitica, la presenza della capacit? 19 ? tale da contrastare (ed agli effetti pratici da annullare) l'azione di inseguimento del collettore da parte della base del transistore 12 indotta per effetto dell'accoppiamento capacitivo parassita esistente tra tali terminali.

in pratica, grazie alla presenza della capacit? 19 {scelta che va contro le pi? normali regole di progettazione di circuiti a transistori), la sonda 10 non perturba in modo apprezzabile l'apparecchiatura A, pur essendo in grado di realizzare con molta precisione ed affidabilit? l'azione di inserzione di guasto a livello locale (dunque evitando gli inconvenienti tipici di quelle soluzioni che prevedono di portare, per cos? dire, il punto Pi all'esterno tramite conduttori pi? o meno lunghi).

Le soluzioni di cui alle figure 4 e 5 differiscono, rispettivamente, dalle soluzioni omologhe di cui alle figure 2 e 3 per la presenza di un resistore amperometrico 20, avente ad esempio un valore dell'ordine dell'Ohm, collocato di preferenza sulla linea di emettitore del transistore 12. Il resistore 20 ? quindi attraversato dalla corrente che fluisce nel transistore 12 (fra collettore ed emettitore) quando il transistore 12 stesso ? in saturazione, ossia nelle condizioni in cui si realizza l'inserzione di guasto. Il resistore 20 fornisce ai suoi capi un segnale di tensione indicativo del valore di tale corrente e suscettibile di essere rinviato verso il dispositivo 1 attraverso una linea di retroazione, a.nch'essa costituita per esempio da un cavo coassiale comprendente uno schermo 21 (di solito collegato elettricamente in 22 allo schermo 14 del cavo di eccitazione della base del transistore 12) ed un conduttore interno 23 facente capo all'emettitore del transistore 12. Di conseguenza, il cavo 21, 23 porta un segnale indicativo dell'assorbimento di corrente in corrispondenza del punto di guasto Pi, il che consente di ottenere indicazioni sul carico elettrico indotto sull'apparecchiatura A dall'inserimento del guasto.

Di preferenza, la sonda secondo l'invenzione viene realizzata cos? come schematicamente illustrato nella figura 6.

Il corpo della sonda 10 vero e proprio, comprendente gli elementi circuitali 12, 18, 19 e, nel caso della forma di attuazione delle figure 4 e 5, il resistore 20, ? realizzato di preferenza come circuito miniaturizzato, ad esempio con tecnologia SMD. Il corpo della sonda assume cos? l'aspetto di un piccolo contenitore, di solito annegato in resina, con dimensioni dell'ordine di alcuni millimetri. Dal contenitore emergono due terminali 120, 121 corrispondenti all'emettitore ed al collettore del transistore 12, destinati al collegamento al circuito C secondo le modalit? in precedenza descritte.

Nella figura 6 (che si riferisce in modo specifico alla forma di attuazione delle figure 4 e 5) sono visibili gli schermi di due cavi coassiali di collegamento con i rispettivi connettori 140, 210 all'estremit? opposta al corpo della sonda. Evidentemente, nella forma di attuazione delle forme 2 e 3 ? presente uno solo dei cavi in questione.

Il ricorso a cavi di collegamento di tipo coassiale risulta vantaggioso ai fini della esatta conservazione delle forme d'onda, soprattutto per quanto riguarda l'azione di monitoraggio amperometrico (resistere 20 e cavo 21, 23).

Naturalmente, fermo restando il principio dell?invenzione, i particolari di realizzazione e le forme di attuazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato in precedenza. Ci? vale in particolare per quanto riguarda la possibilit? di sostituire al transistore 12 un componente avente caratteristiche di funzionamento equivalenti. La dizione "transistore", ed in particolare la dizione "transistore bipolare", cos? come utilizzate nelle rivendicazioni che seguono, vanno quindi interpretate nel senso di comprendere anche tali dispositivi elettronici equivalenti; e questo anche per quanto riguarda le denominazioni "collettore", "emettitore" e "base" identificative dei terminali di un transistore bipolare.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sonda (10) per dispositivi attuatori di guasto (1) per forzare un punto (Pi) di un'apparecchiatura elettronica (A) sottoposta a prova ad un livello di segnale determinato (M; ?VCC) , caratterizzata dal fatto che comprende: - un transistore (12) con il collettore e l'emettitore collegabili rispettivamente a detto punto (Pi) e a detto livello di segnale determinato (M; ?VCC) , - mezzi di comando (14, 16, 18) agenti sulla base del transistore (12) per commutare selettivamente il transistore (12) stesso fra lo stato di interdizione e lo stato di saturazione; la condizione di saturazione del transistore (12) determinando,nell'impiego, il forzamento di detto punto (Pi) a detto livello di segnale determinato (M; ?VCC) , e - una capacit? (19) collegata fra la base e l'emettitore del transistore (12); detta capacit? avendo un valore sostanzialmente superiore al valore della capacit? parassita esistente fra il collettore e la base del transistore (12).
2. 2. Sonda secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta capacit? (19) presenta un valore di circa due ordini di grandezza superiore rispetto al valore della suddetta capacit? parassita.
3. 3. Sonda secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detta capacit? (19) presenta un valore dell'ordine di circa 100 picoFarad.
4. 4. Sonda secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, caratterizzata dal fatto che detto transistore (12) ? un transistore bipolare.
5. 5. Sonda secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che detto transistore (12) ? un transistore n-p-n per cui, nell'impiego, detta sonda ? suscettibile di forzare detto punto (Pi) ad un livello di segnale minimo determinato (M; -Vcc) .
6. 6. Sonda secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che detto transistore (12) ? un transistore p-n-p per cui, nell'impiego, detta sonda ? suscettibile di forzare detto punto (Pi) ad un livello di segnale massimo determinato (Vcc; M).
7. 7. Sonda secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che all'emettitore del transistore (12) ? associata una resistenza amperometrica (20) che, con il transistore (12) in stato di saturazione, ? attraversata dalla corrente che fluisce fra il collettore e l'emettitore del transistore (12) stesso; detta resistenza (20) presentando ai suoi capi un valore di tensione amperometrica indicativa dell'assorbimento di corrente in corrispondenza di detto punto (Pi) con il punto stesso forzato a detto livello di segnale determinato (M; ?vcc) -
8. 8. Sonda secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto di essere realizzata come circuito miniaturizzato.
9. 9. Sonda secondo la rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto di essere realizzata come circuito di tipo SMD.
10. 10. Sonda secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto di comprendere terminali conduttori sporgenti (120, 121) corrispondenti al collettore ed all'emettitore di detto transistore (12).
11. 11. Sonda secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che detti mezzi di comando (14, 16, 18) comprendono almeno un cavo di collegamento di tipo coassiale (14, 16).
12. 12. Sonda secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che a detta resistenza amperometrica (20) ? associato almeno un cavo di tipo coassiale (21, 23) per portare un segnale indicativo di detto assorbimento . Il tutto sostanzialmente come descritto ed illustrato e per gli scopi specificati.