Verfahren zum Testen von Bauelementen einer Schaltungsplatine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Schaltungsplatinen sind mit Bauelementen unterschiedlicher Art bestückt und müssen nach der Bestückung auf ordnungsgemäße Funktion getestet werden.
Eine Möglichkeit ist der Funktionstest. Die aktive, also an eine Versorgungsspannung angeschlossene Schaltungsplatine wird in ihrer bestimmungsgemäßen Funktion betrieben, also beispielsweise mit Eingangssignalen, aus denen sich vorgegebene Ausgangssignale bilden sollen. In Abhängigkeit von den Eingangssignalen werden die Ausgangssignale überprüft und bei Abweichung ein Fehler festgestellt. Dies kann bei analogen und auch bei digitalen Schaltungen durchgeführt werden. Ein Computer-Motherboard kann z.B. in simulierter Computerumgebung betrieben und mit unterschiedlichen Anwendungsprogrammen getestet werden.
Nachteilig dabei ist, daß nur die Gesamtfunktion überprüfbar ist. Wenn Fehler auftreten, können diese nicht hinsichtlich des verursachenden defekten Bauelementes oder einer defekten Lötstelle lokalisiert werden. Außerdem besteht die Gefahr, daß bei bestimmten Defekten die ganze Schaltungsplatine zerstört werden kann.
Daher wird zumeist allein oder vor einem Funktionstest ein gattungsgemäßer Test durchgeführt, bei dem die Bauelemente einzeln auf ordnungsgemäße Funktion und Verlötung in der Schaltung überprüft werden.
Bei einem gattungsgemäßen Verfahren wird die Gesamtschaltung der Schaltungsplatine in Schaltungsteile zerlegt, die einzeln mit einem Anregungssignal beaufschlagt werden. Das Antwortsignal, das vom Schaltungsteil beeinflußt ist, wird untersucht und mit dem bekannten Sollsignal verglichen. Bei dem gattungs- gemäßen Verfahren ist die Schaltungsplatine nicht an die Spannungsversorgung angeschlossen, also inaktiv. Es handelt sich um einen völlig passiven Test der Bauelemente.
Nach dem üblichen Stand der Technik bestehen dabei die Schaltungsteile aus einzelnen Bauelementen, die auf der Schaltungsplatine einzeln kontaktiert werden müssen. Dabei ergeben sich eine Reihe von Problemen.
Bei größeren Schaltungsplatinen müssen für sehr viele Bauelemente sehr viele Kontaktpunkte kontaktiert werden. Werden mit einem Testgerät vom Nadelbett- Typ alle Kontaktpunkte gleichzeitig kontaktiert, so ist ein sehr aufwendiges Nadelbett mit einer Vielzahl von Nadeln erforderlich. Wird mit einem Testgerät mit wenigen bewegten Nadeln gearbeitet, so müssen diese von Bauelement zu Bauelement sehr viele Kontaktpunkte abfahren, woraus sich eine lange Testzeit ergibt. Zudem bestehen immer wieder Probleme mit der Umgebung eines zu mes-
senden Bauelementes, die das Meßergebnis beeinflussen kann. Auch wenn mit der üblichen Guard-Technik gearbeitet wird, lassen sich häufig Bauelemente nicht mit ausreichender Sicherheit einzeln messen.
Aus der DE 43 09 842 Cl ist Testverfahren bekannt, bei dem statische Anregungsspannungen angelegt und statische Antwortströme gemessen werden, um daraus die Impedanz der Schaltung zu bestimmen. Aus vielen derart gemessenen Impedanzen ergeben sich Kurven aus deren Form auf in der Schaltung enthaltene Dioden und Widerstände geschlossen werden kann. Aussagen über andere Bauteile wie z.B. Kondensatoren sind nur schwer möglich. Außerdem ist die Messung langwierig.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gattungsgemäßes Testverfahren zu schaffen, das mit einem einfachem Testgerät und höherer Testgeschwindigkeit auch ungünstig verschaltete schwierige Bauelemente wie z.B. Kondensatoren und Induktivitäten sicher messen kann.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß werden die Bauelemente nicht einzeln zur Messung kontaktiert, sondern immer jeweils ein Schaltungsteil, das mehrere Bauelemente aufweist. Damit verringert sich die Anzahl der Messungen und es läßt sich je nach Art des Testgerätes die Zahl der Nadeln verringern bzw. die mechanische Testgeschwindigkeit erhöhen. Es wird mit einem Anregungsimpuls gearbeitet, wobei das Antwortsignal, also ebenfalls ein Impuls, an unterschiedlichen Stellen seiner Signalform durch zu unterschiedlichen Klassen gehörende Bauelemente geprägt wird. Besteht der zu messende Schaltungsteil aus Bauelementen, die zu unterschiedlichen Klassen gehören, so läßt sich aus den zugeordneten Formbeeinflussungen des Antwortsignals eindeutig auf die jeweiligen Bauelemente schließen,
so daß diese einzeln genau bestimmbar sind. Solche unterschiedlichen Klassen sind Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten und Dioden, welche auf voneinander unabhängige Weise die Form des Antwortimpulses beeinflussen. Dioden beeinflussen beispielsweise bei Spannungsbeaufschlagung mit unterschiedlicher Polarität des Antwortsignals durch Unterdrückung des Stromes in einer Polarität. Kondensatoren lassen sich aufgrund ihrer in dem Anwortsignal wiederfindbaren Ladekurve erkennen. Widerstände können je nach Beschallung in dem Schaltungsteil ebenfalls eindeutig erkannt werden. Die Erfindung ermöglicht also mit einer Formaus Wertung des Antwortsignals die gleichzeitige eindeutige Erkennung unterschiedlicher Bauelemente eines Schaltungsteiles in einem sehr kurzen Messvorgang. Dabei erfolgt die Formauswertung des Antwortsignals z.B. in einfacher Weise durch Auswertung auf Signalhöhe oder Steigung oder durch , und zwar zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Die Anzahl der auszuwertenden Zeitpunkte des Antwortsignals hängt von der Anzahl der unterschiedlichen Bauelemente des Schaltungsteiles ab. Es ergeben sich bei n Bauelementen n unabhängige Bestimmungsgleichungen, die die Bestimmung der Werte aller Bauelemente eπΗöglichen. Da stets Schaltungsteile mit mehren Bauelementen geprüft werden, stört eine ungünstige Verschaltung innerhalb des Schaltungsteiles, die die konventionelle Einzelprüfung behindern würde, nicht. Die Auswertung des Antwortsignals, z.B. mit einem geeigneten Auswerteprogramm in einem Computer, stellt bei heutiger Technologie weder ein zeitliches Problem noch ein Kostenproblem dar.
Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 2 vorgesehen. Ein Anregungssignal, daß eine Rechteckflanke aufweist, führt zu Antwortsignalen, die sich besonders einfach auswerten lassen. Besonders vorteilhaft ist die Auswertung hinsichtlich eines im Schaltungsteil vorhandenen Kondensators, da sich nach einer Rechteckflanke im Antwortsignal die bekannte Kondensatorladekurve ergibt, aus deren Anfangssteilheit nach bekannter Formel die Kapazität des Kondensators
errechenbar ist. Auch Widerstände lassen sich im Antwortsignal leicht erkennen. Sie ergeben sich stets aus der Höhe eines zeitlich konstanten Abschnittes des Antwortsignals. Liegt ein Kondensator und ein Widerstand im Schaltungsteil vor, so ergibt sich eine Kondensatorladekurve, die sich dem Wert des Widerstandes nähert. Beide Bauelementtypen lassen sich also anhand unterschiedlicher Abschnitte des Antwortsignals unabhängig voneinander bestimmen.
Nach den vorteilhaften Merkmalen des Anspruches 3 lassen sich Dioden erkennen.
Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 4 vorgesehen. Durch Analyse der Schaltung einer Schaltungsplatine lassen sich mit relativ geringem Aufwand von einem Durchschnittsfachmann für das erfindungsgemäße Meßverfahren geeignete Schaltungsteile finden, die anschließend der erfindungsgemäßen Messung unterzogen werden. Vor allem bei dem üblichen Testen sehr großer Serien identischer Schaltungsplatinen fällt der Analyseaufwand kostenmäßig kaum ins Gewicht. Diese Analyse kann auch von geeigneten Programmen anhand des Schaltbildes der Schaltungsplatine automatisch durchgeführt werden.
Die Sollwerte bei Messung eines Schaltungsteiles lassen sich aus der internen Schaltung der Bauelemente in dem Schaltungsteil und bei Kenntnis von deren Sollwerten mit den elektrischen Grundgesetzen berechnen. Vorteilhaft wird jedoch gemäß Anspruch 5 vor Beginn der Messung zu testender Schaltungsplatinen eine intakte Schaltungsplatine ("Gutboard") getestet und es werden von dieser die Sollwerte bestimmt. Dadurch wird Rechenarbeit eingespart und es lassen sich auch Einflüsse berücksichtigen, die sich bei der Messung eines Schaltungsteiles aus der umgebenden Schaltung ergeben können.
Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 6 vorgesehen. Wird an einem Schaltungsteil ein Fehler festgestellt, so kann dieser durch sorgfältige Analyse der Form des Antwortsignals dem defekten Bauelement innerhalb des Schaltungsteils zugeordnet werden. Wird bei Auftreten eines Fehlers jedoch anschließend ein herkömmlicher Einzelbauelementtest durchgeführt, so läßt sich der Fehler unter Umständen exakter bestimmen. Außerdem kann bei der erfindungsgemäßen Messung der Meßaufwand verringert werden. Es braucht bei der Messung von Schaltungsteilen nur die Form des Antwortsignals mit dem Sollwert grob verglichen zu werden. Bei Feststellen einer Abweichung kann die genaue Lage des Fehlers mit dem anschließenden Bauelement-Einzeltest ermittelt werden.
In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und schematisch an einigen Meßbeispielen erläutert. Es zeigen:
Fig. la, Fig. 2a, Fig. 3a, Fig. 4a, Fig. 5a fünf unterschiedliche
Schaltungsteile,
Fig. lb, Fig. 2b, Fig. 3b, Fig. 4b, Fig. 5b dazu das beaufschlagende
Anregungssignal und
Fig. lc, Fig. 2c, Fig. 3c, Fig. 4c, Fig. 5c dazu das sich ergebende
Antwortsignal.
In Fig. la ist ein Ausschnitt einer Schaltungsplatine S dargestellt, auf der zwei Bauelemente, nämlich ein Widerstand R und ein Kondensator C in Parallelschaltung angeordnet sind. An zwei Kontaktpunkten Pl und P2 läßt sich der aus R und C gebildete Schaltungsteil kontaktieren. Mit gestrichelten Linien sind weiterführende Leitungsbahnen angedeutet, mit denen der dargestellte Schaltungsteil in die Gesamtschaltung auf der Schaltungsplatine S eingebunden ist.
Die Kontaktpunkte Pl und P2 sind mit den dargestellten Leitungen mit einer Meßeinrichtung M verbunden, welche den aus R und C bestehenden Schaltungsteil mit einem Anregungssignal in Form einer Meßspannung beaufschlagt und die resultierende Stromantwort, also das Antwortsignal des Schaltungsteiles, mißt. Die Schaltungsplatine S ist dabei nicht an die Spannungsversorgung angeschlossen, also inaktiv. Es handelt sich um einen Passivtest der Bauelemente.
Bei herkömmlichem Einzelkomponententest würde dieser Schaltungsteil nacheinander mit zwei unterschiedlichen Meßeinrichtungen, nämlich mit einer Widerstandsmeßeinrichtung und einer Kondensatormeßeinrichtung kontaktiert. In beiden Meß fällen würde die jeweils andere Komponente den Meßvorgang verfälschen. Außerdem wären zwei Kontaktiervorgänge erforderlich bzw. bei Kontak- tierung mit einem Nadelbett eine Umschaltung der beiden kontaktierenden Nadeln auf das eine und das andere Meßgerät erforderlich.
Erfindungsgemäß legt die Meßeinrichtung M eine Meßspannung in Form eines Impulses an, und zwar in einem einfachen Beispiel, wie in Fig. lb dargestellt, einen Spannungssprung von 0 auf einen festen Spannungswert. Das sich ergebende Antwortsignal, das ein Stromimpuls ist, ist in dem Diagramm der Fig. lc dargestellt.
Elektrotechnische Kenntnisse zeigen, daß bei der vorliegenden Parallelschaltung von R und C an der Flanke 1 des Spannungssignales der Fig. lb in der Stromantwort der Fig. lc der Strom bei 0 mit der Form einer Kondensatorladekurve 2 ansteigt, um schließlich in einen stationären Endbereich 3 überzugehen, wenn der Kondensator C vollständig geladen ist.
Aus der Höhe der angelegten Spannung (Fig. lb) und der Höhe des Stromes im Endbereich ergibt sich nach dem Ohm'schen Gesetz der Wert des Widerstandes
R. Ferner ergibt sich in Fig. lc aus der Anfangssteilheit (bei 2) der Kurve der Wert des Kondensators C. Die Form der in der Fig. lc dargestellten Stromantwort wird also an unterschiedlichen Stellen in ihrer Form eindeutig durch die beiden Bauelemente R, C des in Fig. 1 dargestellten Schaltungsteiles bestimmt. In einer einzigen Messung kann das gesamte Schaltungsteil gemessen werden. Die Auswertung der Form der Stromantwort gemäß Fig. lc kann z.B. in einem der Meßeinrichtung M nachgeschalteten oder in diese eingebauten Computer durchgeführt werden.
In Fig. 2a ist ein anderes Schaltungsteil dargestellt, in dem ein Widerstand R und ein Kondensator C in Serie zwischen den beiden Kontaktpunkten Pl und P2 geschaltet sind. Fig. 2b zeigt die beaufschlagende Meßspannung mit der Flanke 1. Fig. 2c zeigt die sich ergebende Stromantwort.
Die Stromantwort steigt an der Stelle der Flanke 1 auf einen Maximalwert und fällt von diesem mit der Kondensatorladekurve ab. Aus der Höhe des Maximums ergibt sich der Wert des Widerstandes R. Aus der Anfangssteilheit (bei 2) der Ladekurve ergibt sich der Wert des Kondensators C.
Fig. 3a zeigt ein weiteres Schaltungsteil in Serienschaltung, bestehend aus einer Diode D, einem Kondensator C und einem Widerstand R.
Die als Anregungssignal anzulegende Meßspannung wird gemäß Fig. 3b hier etwas anders gewählt, und zwar mit zwei aufeinanderfolgenden Rechteckimpulsen 6, 5 unterschiedlicher Polarität. Die Diode D ist so gepolt, daß sie nur bei dem ersten positiven Spannungsimpuls Strom durchläßt. Bei umgekehrter Polarität sperrt die Diode. Es ergibt sich als Antwortsignal die Stromantwort der Fig. 3c.
An der Stelle 4, also an der Stelle des negativen Spannungsimpulses 5, kann am fehlenden Antwortstrom festgestellt werden, daß die Diode D in Umkehrrichtung ordnungsgemäß sperrt. Daraus ergibt sich, daß die Diode ordnungsgemäß funktioniert und die korrekte Einbaulage hat, also nicht falsch herum eingelötet ist.
An der Stelle des positiven Spannungsimpulses 6 entspricht die Stromantwort im wesentlichen der, die in Fig. 2c dargestellt ist. Es läßt sich hier wiederum aus der Höhe des Maximums der Widerstand R berechnen und aus der Anfangssteilheit der Abfallkurve der Wert des Kondensators C.
Es lassen sich also bei dem in Fig. 3a dargestellten Schaltungsbeispiel mit drei Bauelementen D, C und R, die unterschiedlichen Klassen angehören, jedes der Bauelemente aus der Form der Stromantwort gemäß Fig. 3c an getrennten Stellen ermitteln durch Auswertung unterschiedlicher Formanteile der Stromantwort, die unabhängig voneinander von den drei Bauelementen der Fig. 3a beeinflußt werden.
Fig. 4a zeigt in Darstellung gemäß Fig. la ein weiteres Schaltungsteil etwas komplexerer Bauart. Es enthält eine Diode D, einen Kondensator C und zwei Widerstände Rl und R2. Als Anregungssignal wird die Meßspannung der Signalform gemäß Fig. 4b verwendet und es ergibt sich als Antwortsignal die Stromantwort gemäß Fig. 4c.
Bei der ersten Spannungsstufe 7 (Fig. 4b) liegt die Spannung unter der Durchlaßspannung der Diode D, so daß diese sperrt. Der Strom fließt nur durch Rl . Die Höhe der ersten Stromstufe 1' in Fig. 4c ermöglicht die Berechnung des Widerstandes Rl ungestört von den übrigen Bauelementen.
Bei der Anstiegsflanke 8 der Meßspannung wird die Durchlaßspannung der Diode D überschritten, so daß diese durchläßt. Kondensator C wird über R2 aufgeladen. Es ergibt sich in der Stromantwort gemäß Fig. 4c die Kondensatorladekurve, aus deren Anfangssteilheit bei 9 die Kapazität des Kondensators C ermittelt werden kann. Der Maximalwert bei 10 ergibt sich bei noch ungeladenem Kondensator C, der dann wie ein unendlich kleiner Widerstand wirkt. Es läßt sich aus diesem Stromwert bei 10 der Widerstand R2 berechnen.
Es läßt sich also bei dem Schaltungsteil 4a für jedes der Bauelemente des in Fig. 4a dargestellten Schaltungsteiles die korrekte Funktion mit nur einer Messung überprüfen.
Fig. 5a zeigt ein weiteres Schaltungsteil, aufweisend zwei Widerstände Rl und R2 und zwei Kondensatoren Cl und C2.
Genauso wie bei den vorhergehenden Beispielen könnte auch hier als Anregungssignal ein Spannungssignal, vorzugsweise eine Impulsflanke, verwendet werden. Es ist in diesem Fall aber vorteilhafter, als Anregungssignal einen Strom- impuls, der in Fig. 5b dargestellt ist, zu verwenden, und als Antwortsignal an den Kontaktpunkten Pl und P2 die Spannungsantwort zu messen, die in Fig. 5c dargestellt ist.
Da dieses Beispiel etwas unübersichtlicher ist, wird die Auswertung des Antwortsignals, also der Spannungsantwort gemäß Fig. 5c, hier etwas näher beschrieben. Es wird ein Beispiel verwendet, mit den folgenden Werten der Bauelemente
Rl = 1MΩ R2 = 10KΩ Cl = lOOnF
C2 = lnF
Beim Einschalten des Stromimpulses startet die Spannung bei 0, der Strom fließt über die beiden Kondensatoren, die zunächst einen unendlich niedrigen Widerstand haben. Mit wachsender Ladung der Kondensatoren steigt die Spannung. Zu Beginn lassen sich die Widerstände vernachlässigen und es gilt näherungsweise
U = I*(l/Cl+l/C2)*t.
Aus dem Zeitpunkt der Messung beispielsweise am Punkt 11 ergeben sich in dieser Gleichung nur noch die Variablen Cl und C2.
Zu einem späteren Zeitpunkt 12 (Fig. 5c), also im mittleren Bereich der Kurve, ist C2 gegen R2 vernachlässigbar. Für den Zeitpunkt t wird hier vorteilhaft der Wert der halben Zeitkonstanten der Ladekurve verwendet, der ungefähr gleich R2*C1 ist. Es ergibt sich
U = I*R2+I*t* l/Cl.
Durch Einsetzen der Werte für Strom und Spannung und für die Zeit bei diesem Zeitpunkt ergeben sich hier als Variable Cl und R2. Mit zwei Messungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten in diesem Bereich ergeben sich zwei Gleichungen für zwei Unbekannte.
Zu einem sehr viel späteren Zeitpunkt bei 13 läuft die Spannungskurve gemäß Fig. 5c gegen den gestrichelt dargestellten Endwert. Bei diesem gilt
U = I*R1.
Aus den erläuterten insgesamt vier Gleichungen lassen sich alle Werte für die Bauelemente Rl, R2, Cl und C2 errechnen.
Dieses Beispiel zeigt, daß unter Umständen die Verwendung einer Stromanregung der Verwendung einer Spannungsanregung vorzuziehen ist. Bei einfacheren Beispielen, wie z.B. gemäß Fig. la, können beide Anregungsarten gleich gut verwendet werden. Bei Verwendung einer Stromanregung hätte die Spannungsantwort dieselbe Form wie in Fig. lc.
In den dargestellten Beispielen wird ein Schaltungsteil stets nur an zwei Kontaktpunkten kontaktiert. In Weiterbildung der Erfindung kann jedoch derselbe Schaltungsteil auch noch an zwei weiteren Kontaktpunkten mit einer ähnlichen Messeinrichtung kontaktiert werden. Es lassen sich dann komplexere Messungen durchführen, die nach den bekannten Regeln der Vierpoltheorie auswertbar sind.
Die dargestellten Beispiele zeigen Schaltungsteile, wie sie so oder ähnlich häufig in Schaltungen vorliegen. Auf der zu testenden Schaltungsplatine S können solche Schaltungsteile von Hand gesucht werden, oder auch per Computeranalyse mit einem geeigneten Programm. Dabei ist möglichst dafür zu sorgen, dass alle Bauelemente der Schaltungsplatine erfaßt werden. Dabei können auch überlappende Erfassungen möglich sein, so daß also beispielsweise ein Bauelement einmal. in einem Schaltungsteil und dann noch einmal in einem anderen Schaltungsteil enthalten ist.
Zeigt eine Messung eines Schaltungsteiles an, das dieses defekt ist, so kann aus dem ausgewerteten Antwortsignal nicht immer exakt angegeben werden, welches Bauelement defekt ist. Dann kann an diesem Schaltungsteil auf Einzeltest der Bauelemente umgeschaltet werden.
Nicht in den Beispielen dargestellte Induktivitäten L lassen sich analog zu den dargestellten Kondensatoren C bestimmen.