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Praktische Fehlersuche in Digitalschaltungen


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Fehlersuche in Digitalschaltungen

Für die praktische Übung nehmen wir ein Modul, das in einem Projekt vorgestellt wurde:

das Quarzgenerator-Modul.

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Bild 1: Schaltung des Quarzgenerator-Moduls

Das Quarzgenerator-Modul besteht aus einer Reihe hintereinander geschalteter Elemente, sequentielle Elemente oder Stufen.

Fehler

Die blaue LED3 blinkt nicht.

Die Stromversorgung scheint in Ordnung zu sein, weil die grüne LED (in Bild 1 nicht dargestellt) leuchtet.

Wir prüfen mit einem Logiktester mit Transistoren und Impulserkennung.

Klar, als erstes wird die Stromversorgung geprüft. Sie ist OK.

Wir können an allen Ausgängen testen, ob Impulse anliegen.

Beginnen wir beim Quarzgenerator (10MHz), würden wir feststellen, dass am 1Hz-Anschluss keine Impulse ankommen. Der Fehler muss also in der Stufe U2B liegen. Wir haben den Fehler nach 15 Messungen näher eingekreist.

Wir hätten auch bei 0,1Hz anfangen und Richtung 10MHz gehen können. Dann hätten wir den Fehler nach drei Messungen eingekreist.

  • Diese beiden Vorgehensweisen sind sequenziell: eine Stufe nach der anderen untersuchen.

Es gibt ein weiteres effizienteres Vorgehen.

Wir beginnen in der Mitte. Das wäre im Beispiel 1kHz. Wenn dann das Signal Ok ist, gehen wir weiter nach vorn, andernfalls zurück.

Bei 1kHz werden Impulse erkannt. Wir gehen also Richtung 0,1Hz, aber in die Mitte zwischen 1kHz und 0,1Hz, also 10Hz.

Bei 10Hz werden Impulse erkannt. Wir gehen wieder Richtung 0,1Hz und messen bei 1Hz.

Es werden keine Impulse gemessen. Der Fehler muss also zwischen 1Hz und 10Hz liegen.

Entsprechend unserer Strategien müssen wir zurückgehen und messen bei 5Hz. Dort liegen Impulse. Der Fehler liegt also in der Stufe U2B.

Wir haben vier Messungen benötigt, um den Fehler einzukreisen.

4 gegen 13 oder 3. Die 13 sind Pech, die 3 Glück. Mit 4 kommen wir immer hin - na ja mit viel Pech mit 5.

  • Diese effiziente Methode wird Split-Half-Methode genannt.

Wir haben den Fehler eingekreist. Er liegt zwischen 5Hz und 1Hz.

Wir messen genauer:

Was liegt an Pin 14 von U2B? - Impulse.

Was liegt an Pin 9 von U1B? - Keine Impulse.

Es gibt also keine Verbindung zwischen Pin 14 von U2B und Pin 9 von U1B, aber auch keine Verbindung zwischen Pin 14 und dem Ausgang 1Hz.

Vermutlich ist Pin 14 von U2B nicht angeschlossen.

Die Sichtkontrolle der Platine zeigt, dass Pin 14 von U2B schlecht verlötet wurde.

  • Wir haben eine Unterbrechung gefunden.
Attention pin

Strategie bei sequentiellen Stufen

  • Am besten ist die Split-Half-Methode.
  • Wir beginnen in der Mitte zu messen und gehen
  • bei keinem Fehler nach vorn und
  • bei einem Fehler zurück
  • mitten zwischen vorher gemessenen Messpunkten
  • Von vorne oder hinten zu beginnen ist nicht ganz so schnell, aber auch erfolgversprechend.
  • Einfach herumzustochern bringt selten Erfolg.

Fehler Nr 2.

Die gleichen Symptome wie Fehler 1

Wir wenden die Split-Half-Methode an und stellen fest, dass an den Ausgängen für 1kHz, 10Hz, 1Hz, 5Hz Impulse liegen.

  • Der Fehler kann nicht in der Sequenz der Stufen liegen, sondern auf einem anderen Weg.

Er auf dem Weg von Pin 12 U2B zu LED3 liegen.

Wir wenden die Split-Half-Method zwischen Pin 12 U2B und LED3 an.

An R2 Richtung Pin 12 U2B liegen Impulse. Auf der anderen Seite von R2 liegen keine Impulse.

Ist R2 defekt?

Wir können R2 auslöten und seinen Wert messen oder ihn einfach austauschen. Ergebnis: Die blaue LED3 leuchtet nicht.

Wenn die Verbindung zur LED3 unterbrochen wäre, würden hinter R2 Impulse liegen. Ebenso, wenn LED3 verpolt wäre.

Es kann nur sein, dass LED3 kurzgeschlossen ist.

Wir überprüfen und finden eine dünne Lötverbindung zwischen den Anschlüssen der LED3.

  • Strategisch wäre es auch sinnvoll, nur das Bein von R2, das in Richtung LED3 liegt, abzulöten. Wir würden feststellen, dass hinter R2 Impulse liegen.

Hinter R2 muss also ein Kurzschluss nach *Gnd liegen.*

  • Um Kurzschlüsse zu finden, müssen wir meistens Leitungen auftrennen.
Attention pin

Unterbrechung und Kurzschluss

  • Bei einer Unterbrechung liegt vor der Unterbrechung ein Signal und dahinter keins.
  • Einen Kurzschluss können wir nur finden, wenn wir Leitungen, die zu dem Fehler führen, auftrennen.
  • Unterbrechungen sind einfacher als Kurzschlüsse zu finden.

Paralleler Weg

Wenn wir unser Vorgehen im zweiten Fall genauer ansehen, haben wir zunächst die Reihe der Stufen untersucht und dann festgestellt, dass der Fehler nicht auf diesem Weg liegt.

Wir haben einen parallelen Weg zur LED3 untersucht.

Attention pin

Alternative Wege

  • In Schaltungen kann es verschiedene parallele Wege zur Fehlerursache geben.
  • Wir folgen einem Weg bis wir feststellen, dass auf diesem der Fehler nicht liegt.
  • Dann gehen wir zurück bis sich im Schaltbild eine Verzweigung ergibt.
  • Und gehen allen Zweigen nach, bis wir den Fehler gefunden haben.

Fehler Nr. 3

Fehler

Die blaue LED3 blinkt.

Geräte und Schaltungen, die an 0,5Hz oder 0,1Hz angeschlossen werden, erkennen die Impulse manchmal nicht.

Die Stromversorgung scheint in Ordnung zu sein, weil die grüne LED (in Bild 1 nicht dargestellt) leuchtet.

Als erstes überprüfen wir natürlich die Ausgänge 0,5Hz und 0,1 Hz.

Es treten Impulse auf:
Die blaue LED des Logiktesters blinkt. Die rote LED blinkt.
Die grüne LED blinkt nicht.

Offensichtlich gibt U1B kein gutes LOW-Signal ab.

Ist U1B defekt?

Wir messen die Stromversorgung von U1:

  • Vcc (Pin 16):
    die rote LED des Logiktesters leuchtet und wir messen 5V, wie erwartet.
  • Gnd (Pin 8):
    keine LED des Logiktesters leuchtet und anstelle von 0V messen wir 1V: Fehler.

Ist Gnd (Pin 8) angeschlossen?

  • Sichtkontrolle: Pin 8 ist schlecht verlötet.

Der nicht angeschlossene Gnd-Anschluss bewirkt außerdem einen relativ hohen Strom in U1: 120mA anstelle von 3mA. Mit der Zeit erwärmt sich U1.

Attention pin

Weitere Strategien

Wir haben weitere Strategien angewandt:

  • Zuerst an den fehlerhaften Ausgängen messen.
  • Sich überzeugen, ob die Stromversorgung einer Stufe/Baugruppe korrekt ist.
  • Auch in Digitalschaltungen kann es sinnvoll sein, Spannungen zu messen.
Attention :-)

Und das Wichtigste

  • Wir brauchen Phantasie, um uns Fehlersituationen vorzustellen.
  • Wir spekulieren, was der Fehler sein könnte und messen nach.
  • Immer, wenn wir einen Idee (Hypothese) als nicht zutreffend erkennen, ist das positiv, weil wir eine Fehlerursache mehr ausgeschlossen haben.
  • Bei der Fehlersuche brauchen wir viel Geduld.
  • Und wir gehen systematisch vor.
  • Wir machen uns Notizen, um unnötige Messungen zu vermeiden.
  • Mit der Zeit werden wir immer besser.
Attention >

Üben

Fehlersuche lernen wir am besten, indem wir üben.

  • Wir bitten einen Freund, einen Fehler in eine Schaltung einzubauen
  • und wir suchen ihn
  • den Fehler natürlich und nicht den Freund