Нулевое правило инженера «Чудес на свете не бывает»
«А убийца — почтальон»
Продолжим записки Шерлока Омса, и, как всегда, рассмотрим случаи невозможного функционирования электронных устройств. Под катом будет сеанс черной магии с разоблачением.
Первый случай — обратился ко мне за помощью молодой коллега (если Вы читаете это, Андрей, то спасибо за наводку), которого серьезно озадачило поведение спроектированного им устройства. Помимо всего остального, в устройстве были делители напряжения, сигнал с которых через ФНЧ (резистор 50 кОм и конденсатор 0.2 мкф) подавался на входы АЦП микроконтроллера — смотрим схему на рисунке 1.
И вот в этой простенькой схеме обнаружилась загадка — на делителе (точка А) измерялось напряжение 3В, а на входе АЦП (точка Б) 2.5В, причем входное сопротивление МК никак не могло привести к подобному результату. Раздумываем над возможными причинами и экспериментируем, поскольку инженер тем и отличается от обычного человека, что «думает руками».
Версия 1) В свое время у меня был подобный дефект, вызванный присутствием на ножках МК не-отключенных резисторов подтяжки, но простая проверка — оторвать ножку МК от цепи (красный крестик на схеме) — показала, что микроконтроллер не при чем.
Версия 2) Утечка через конденсатор фильтра — ну, может быть бракованная партия кондеров попалась — убираем и конденсатор (второй красный крестик), и не помогает.
Версия 3) Утечка по плате — всерьез не рассматриваем, поскольку я не могу поверить в утечку номиналом 2.5/0.5*50=250кОм, это должна быть дико грязная плата, на всякий случай помыли спиртом — не помогло.
Версия 4) Помеха, например, наводка от сети — «конечно, мальчиков у нас недобор, но не до такой же степени» — 0.5 В на 50к — это не помеха, а помехища (не уверен, что так можно написать, но попробую). Тем не менее, смотрим осциллографом с полосой 200мГц и видим чистую постоянку, так что нет помехи (вернее, нет помехи в диапазоне до 100мГц, но в мощную гига-герцовую помеху я верю еще меньше, радаров рядом не наблюдается).
Наличествует дефицит дальнейших идей — возможна ошибка измерения (то есть тыкаемся не туда, куда надо) — беру в руки щупы и начинаю измерять сам (до того времени этим занимался мой молодой коллега, я смотрел на табло прибора). А вот и получилось — я намерял с обоих сторон резистора по 3В (ну, вернее, 3 и 2.9, но это одно и то же). Но, когда отдаю щупы и мы снова меняемся местами, эффект возвращается, несмотря на то, что точки измерения остались прежними и, на этот раз, уж точно правильными. Более того, теперь иногда при измерении на делителе видим 2.5В, а на входе МК 3В, что вообще ни в какие ворота не лезет.
В принципе, информации для определения причины явления достаточно, переходим к следующей задаче.
Вторая забавная ситуация — приносят нам на ремонт одно изделие, в котором перестал включаться светодиод (схема 2).
Красный работает, зеленый нет — бывало у нас такое, меняли эти детали и были признаки явного контрафакта, но здесь то изделие работало раньше.
Недолго думая подключаем тестовое оборудование, подаем сигнал возбуждения на красный минус (за долгие годы работы я так и не запомнил, кто катод, а кто анод, причем для ламп был замечательный стишок «раскаленный наш катод...», а вот для полупроводников я такого не знаю), измеряем прибором в точке А, изначально видим 1.5В, при возбуждении 0 (я не буду дальше указывать вольты) — все нормально.
Для контроля подаем сигнал для зеленого минуса и смотрим в точке Б, изначально видим 1.5, при возбуждении 0, сигнал доходит, наверное, все таки светодиод. Тем не менее надо осмотреть плюс диода (конечно, резисторы не перегорают, но мало ли), так что меряем в точке В и обнаруживаем -6. Как то странновато, учитывая, что на плату подается единственное питание 3.3.
Переворачиваем плату и меряем на резисторе (точки Г и Д) — на обоих концах 3.3, так что резистор исправен, значит, все таки неисправен светодиод, но тут замечаем, что он засветился.
Дефект тривиален — непропай резистора, но что за странное отрицательное напряжение — недрогнувшей рукой сносим резистор вообще (все равно перепаивать), переворачиваем плату — меряем в точке В и опять видим -6. Переворачиваем плату еще раз и меряем в точке Г — 0 (это не ноль в смысле нулевого потенциала), что и ожидалось. То есть в переходном отверстии сидит генератор слабого отрицательного напряжения — «ну ни фига себе пельмешка», так не бывает, неужели уже и в печатные платы стали делать закладки. Опять отбираю у молодого коллеги (на этот раз другого, ничего, что я Вас тут упоминая, Данил?) щупы и сам тыкаюсь в точку Г и вижу -4, что несколько лучше, но по прежнему загадочно.
Опять информации для понимания происходящего достаточно, те, кому ее по прежнему мало, могут нажать на кнопочку.
А вот и разоблачение магии, как всегда, естественнонаучное,«я — материалист» (граф Калиостро в редакции Горина).
В обоих случаях мы имеем дело с принципом Паули о влиянии факта измерения на измеряемый параметр. Считалось, что он проявляется только в микро-мире, но и на макро-уровне его нам удалось наблюдать. Это, конечно, неудачная шутка, но дело именно в измерителе, поскольку в измерениях, кроме прибора, участвовал еще и человек (будем называть его далее измерителем).
Дело в том, что первая плата была залачена и для доступа к точкам применялся зонд, изображенный на КДПВ. Обычно человек держит измерительный щуп за изолирующую накладку и не влияет на исследуемую схему, но крайне сложно изолироваться от зонда, если Вы не надели перчатки. Да, я знаю, что есть области электротехники, где за подобное поведение мгновенно лишают допуска (и совершенно правильно делают), но мы слаботочники (термин мало-напряженники как то не прижился, хотя лучше отражает суть разграничения) и позволяем себе многое.
Кстати, по поводу слаботочности — когда я был молодым, были у меня в одном изделии конденсаторы (электролитические, конечно, К50-18) емкостью 100 тысяч мкф на 6.3 (те, кто видел, вспомнят, остальные могут посмотреть картинки в Сети, чтобы оценить масштаб бедствия). Так вот, было у нас развлечение — зарядить его, а потом на клеммы положить отвертку и наблюдать, как из нее выгрызается кусок металла миллиметра на 3. И наблюдалось интересное поведение — мы прекрасно понимали, что напряжение абсолютно безопасно, но все равно после получения снопа искр прикасались к клеммам конденсатора с явной опаской — разум утверждает одно, а инстинкты говорят, что не все так просто и не может эта вещь быть безопасной.
Возвращаемся к нашим измерениям и делаем вывод, что в первую схему мы должны добавить еще один элемент — измерителя, эквивалентная схема которого для данного случая будет представлена резистором (схема 1а).
Тогда для молодого коллеги можно рассчитать сопротивление и оно составит 250к — прошу его взять в каждую руку по щупу и действительно видим эту цифру. Для меня соответствующее сопротивление должно составить 2м, что и было блистательно подтверждено экспериментом. Схема, которая спроектирована коллегой, совершенно рабочая и исправно функционирует, просто не следует хвататься голыми руками за что ни попадя.
Со вторым случаем поинтереснее и наша эквивалентная схема наблюдателя не может ответить, почему напряжение питания не просто уменьшилось, а еще и про-инвертировалось. Нам придется привлечь расширенную модель, где сферический измеритель находится не в вакууме, а в реальной среде, которая характеризуется наличием электромагнитных волн, в первую очередь связанных с сетевым напряжением. Тогда можно рассматривать его как эквивалентный источник сигнала (рисунок 2а):
И действительно, если взять в руку щуп осциллографа, то этот сигнал можно наблюдать. Частота его составит 50 Гц, форма будет весьма далека от синусоидальной (кстати, а почему далека — я полагаю, что в силу реактивности потребления, но я могу и ошибаться), а вот амплитуда весьма различается от измерителя к измерителю.
Тем не менее, если мы возьмем в руку щуп прибора, то напряжения не наблюдаем (в режиме измерения постоянного напряжения), поскольку среднее значение наведенного сигнала равно нулю, а на плате показывает отрицательное напряжение. Этот факт прекрасно объясняется наличием в точке подключения плюса исправного диода. Диод гасит на себе положительную полу-волну сигнала с амплитудой более 1.5 и возникает среднее отрицательное значение, которое и индицируется прибором. Поскольку плата не залачена, прибегать к услугам зонда нет необходимости, поэтому с обратной стороны платы просто смотрим щупом и там имеем ожидаемый 0, а на ножках диода мастика, поэтому пользуемся зондом и получаем то, что получаем — наведенное напряжение с отрицательным средним, значение которого зависит от конкретного измерителя, в частности, состояния его кожных покровов (наверняка, еще и от множества других факторов, но не будем на этом заострять внимание, это скорее предмет биологии, а не электроники).
«Кстати о птичках», когда я писал про 0, я вовсе не имел в виду потенциал земли, а всего лишь отсутствие на щупе сколько нибудь значимого напряжения, то есть обрыв цепи. Сколько нахожусь в профессии, столько мечтаю о приборе, который будет по-разному показывать настоящий ноль и отсутствие сигнала. Если среди читателей данного поста есть изготовители компактных измерительных приборов (что маловероятно, поскольку пишу я не по-китайски), рассматривайте данный абзац, как техническое задание, относящееся также и к щупам для осциллографов. Мне кажется, что данная функция вполне может быть реализована (и не дорого, впрочем, а что наши южные коллеги делают дорого?) при современном уровне развития электроники, но, наверное, я чего то не знаю.
Вот такие две забавные истории, объединенные главным героем — измерительным зондом в совокупности с измерителем, которые должны напомнить читателю необходимость учитывать все факторы, воздействующие на схему в процессе измерения.
Автор: Автушенко Игорь
