Как проверить микросхему осциллографом: куда подключаться и что смотреть

Микросхема может получать питание и при этом не выполнять свою функцию: не формировать выходной сигнал, не запускаться после включения или работать нестабильно. Обычного измерения напряжения в таких случаях часто недостаточно, потому что проблема может проявляться только во времени — например, как короткий провал питания, нарушение последовательности запуска или пропадающий тактовый сигнал.

Поэтому вопрос «как проверить микросхему осциллографом» правильнее рассматривать не как проверку одного компонента, а как диагностику его работы внутри схемы. В зависимости от типа микросхемы контролируют питание, служебные линии и рабочие сигналы.

Перед измерениями желательно найти datasheet (техническую документацию) на конкретную микросхему и, если доступна, принципиальную или сервисную документацию устройства. По распиновке определяют назначение выводов и выясняют, какие уровни и сигналы должны присутствовать в исправной схеме.

Что можно проверить в микросхеме осциллографом

Осциллограф особенно полезен там, где обычное измерение напряжения не показывает всей картины. Мультиметр может показывать нормальное питание, хотя на выводе микросхемы периодически возникают короткие просадки. Цифровой уровень может присутствовать, но иметь искажённые фронты, а выходной сигнал — пропадать только при определённом режиме работы.

При диагностике осциллограф помогает выявить:

• провалы, пульсации и выбросы питания;
• нестабильность тактирования;
• неправильную работу Reset, Enable, Shutdown и других управляющих линий;
• отсутствие сигнала на входе;
• исчезновение или искажение сигнала на выходе;
• нестабильные импульсы и периодические сбои;
• нарушение последовательности сигналов при запуске устройства.

Необычная осциллограмма сама по себе ещё не доказывает неисправность микросхемы. Причина может находиться в питании, внешней обвязке или управляющих цепях.

Если при запуске нужно одновременно наблюдать несколько связанных сигналов, удобнее использовать многоканальный прибор. Например, VERDO SB1802 имеет четыре аналоговых канала, поэтому позволяет параллельно контролировать несколько точек схемы во время одного и того же события.

Если нужно подробнее разобраться, как количество каналов, полоса пропускания, частота дискретизации и память влияют на измерения, эти параметры рассмотрены в статье «Выбор осциллографа: анализ ключевых параметров». 

Куда подключаться при проверке микросхемы

Начинать нужно с распиновки. В документации находят выводы питания и земли, входы и выходы, а при необходимости — CLK, Reset, Enable и другие служебные линии.

Проверку удобно вести в такой последовательности:

• Питание.
• Reset и Enable.
• Тактовый или задающий сигнал.
• Вход.
• Выход.

Так сначала проверяются условия, необходимые для работы микросхемы, и только затем — её реакция на рабочий сигнал.

Куда подключать землю щупа

У большинства сетевых настольных осциллографов общий контакт BNC и земля обычного пассивного щупа связаны с защитным заземлением PE. Поэтому перед подключением зажима земли необходимо убедиться, что выбранная точка имеет допустимый потенциал относительно защитного заземления.

Подключение земли щупа к «плавающей» точке с другим потенциалом может фактически замкнуть её на PE через осциллограф. Отключать защитное заземление самого прибора для получения «плавающего» входа нельзя.

Если требуется измерить напряжение между двумя точками, ни одна из которых не находится на потенциале земли, применяют подходящий дифференциальный пробник или осциллограф с действительно изолированными входами, соблюдая допустимые рабочие и синфазные напряжения.

Куда подключать наконечник щупа

Наконечник устанавливают на нужный вывод микросхемы либо связанную с ним контрольную точку платы. Для корпусов с малым шагом выводов удобнее использовать тонкий пробник или тестовый крючок, чтобы случайно не замкнуть соседние контакты.

При исследовании быстрых фронтов соединение с опорной точкой должно быть максимально коротким. Если конструкция щупа позволяет, вместо длинного провода земли лучше использовать пружинный контакт: это уменьшает паразитную индуктивность измерительного подключения.

Если сначала нужно разобраться с подключением щупа, каналами и базовыми органами управления, эти вопросы отдельно рассмотрены в нашей статье «Про осциллограф для новичков — просто и понятно!».

Что смотреть на основных выводах микросхемы

Перед измерениями полезно определить, какой результат ожидается в каждой контрольной точке.

Питание

На выводе питания важно проверить не только постоянный уровень напряжения, но и переменную составляющую: пульсации, шум, короткие провалы и выбросы.

Например, устройство может циклически перезапускаться, хотя мультиметр показывает почти нормальное напряжение. На осциллограмме при этом будет видна кратковременная просадка, после которой схема снова начинает запуск.

Питание желательно контролировать непосредственно около соответствующих выводов микросхемы. Нормальное напряжение на выходе стабилизатора ещё не гарантирует такую же картину в точке питания самой микросхемы: между ними могут находиться дорожки, соединения и элементы фильтрации.

Тактовый сигнал

Если для работы микросхеме требуется внешнее или отдельное тактирование, отсутствие CLK способно полностью остановить её даже при нормальном питании.

При проверке смотрят:

• присутствует ли тактовый сигнал;
• соответствует ли его частота ожидаемой;
• соответствуют ли логические уровни требованиям микросхемы;
• стабилен ли период;
• нет ли заметных искажений фронтов.

При оценке быстрых фронтов нужно учитывать влияние самого щупа и способа его подключения. Наблюдаемая форма не всегда полностью определяется исследуемой схемой.

Reset и Enable

Микросхема может иметь исправное питание и тактирование, но не запускаться из-за неправильного состояния управляющего входа.

Reset особенно информативно контролировать во время включения устройства. В зависимости от схемы он может сначала удерживать микросхему в состоянии сброса, а после стабилизации питания переходить в рабочее состояние.

Если этого перехода нет или Reset периодически активируется повторно, сначала нужно разобраться с цепью сброса. По тому же принципу проверяются Enable, Shutdown, Standby и другие управляющие входы.

Вход и выход

Когда условия запуска проверены, можно проследить прохождение рабочего сигнала через микросхему.

Сначала определяют, приходит ли ожидаемый сигнал на вход. Затем переходят к соответствующему выходу и сравнивают его поведение с тем, которое предусмотрено схемой и документацией.

Для аналоговой микросхемы это может быть изменение амплитуды или формы сигнала. Для логического элемента — соответствие состояния выхода входным уровням. Для ШИМ-контроллера — появление управляющих импульсов при выполнении условий запуска.

Если входной сигнал присутствует, но ожидаемой реакции на выходе нет, нужно также проверить внешнюю нагрузку: неисправность следующего каскада способна перегружать выход исправной микросхемы.

Как измерять амплитуду, частоту, временные интервалы и другие параметры сигнала, подробнее разобрано в материале «Осциллограф в деле: что, как и зачем измерять?». 

Базовые настройки осциллографа

Для диагностики микросхем не нужно заново разбирать всё управление прибором. Перед измерениями достаточно проверить несколько настроек:

• Щуп и канал. Коэффициент деления щупа должен совпадать с настройкой соответствующего канала осциллографа.
• Вертикальный масштаб. В/дел выбирают так, чтобы исследуемый сигнал занимал заметную часть экрана и его детали хорошо различались.
• Временная развёртка. Масштаб по времени подбирают под длительность интересующего участка сигнала.
• Триггер. Для устойчивого периодического сигнала выбирают подходящий источник запуска и уровень срабатывания.
• Однократный захват. Режим Single полезен, если неисправность проявляется одиночным провалом, выбросом или только в момент включения устройства.

Работа триггера, режим Single и захват редких событий подробнее разобраны в статье «Что такое триггер в осциллографе: как „поймать“ сигнал и стабилизировать осциллограмму».

При измерении пульсаций питания: вертикальный масштаб можно увеличить, чтобы лучше рассмотреть небольшие изменения напряжения. При этом нужно учитывать постоянную составляющую сигнала и допустимое входное напряжение осциллографа и щупа.

Проверка схем осциллографом: как найти проблемный участок

При ремонте эффективнее искать не сразу «неисправную микросхему», а контрольную точку, после которой нормальный сигнал меняется или исчезает.

Для диагностики выбирают сигнал, который можно проследить через несколько участков устройства: тестовый сигнал в аналоговом тракте, тактовые импульсы, выход датчика или управляющую последовательность.

Если исследуемая схема сама не формирует удобный тестовый сигнал, в некоторых аналоговых трактах его можно подать от генератора. Например, VERDO SH1406 объединяет двухканальный осциллограф-мультиметр и встроенный генератор сигналов. Генератор позволяет подать известный сигнал на исследуемый тракт, а каналами осциллографа сравнить его в разных контрольных точках.

Уровень, частоту и место подачи тестового сигнала выбирают по документации конкретной схемы.

Дальше проверку проводят последовательно:

• Находят сигнал в начале исследуемого тракта.
• Переходят от одной контрольной точки к следующей.
• Сравнивают амплитуду, форму и временные параметры.
• Определяют место, после которого появляется заметное отклонение.

Если до определённого узла сигнал соответствует ожидаемому, а после него исчезает, ограничивается или становится нестабильным, область диагностики существенно сокращается.

В устройствах с одинаковыми каналами полезно сравнивать соответствующие точки исправного и неисправного трактов. Такой способ помогает локализовать проблему даже тогда, когда сервисная документация не содержит готовых контрольных осциллограмм.

При проверке схем осциллографом оценивают не только наличие сигнала, но и его амплитуду, постоянную составляющую, длительность импульсов, фронты, периодичность и посторонние колебания.

Если производитель приводит контрольные точки и допустимые параметры сигналов, ориентироваться следует именно на них, а не на условно «идеальную» форму осциллограммы.

Как понять, что неисправна именно микросхема

По одному отсутствующему сигналу заменять микросхему не стоит. Подозрение на сам компонент становится более обоснованным, если:

• питание соответствует требованиям;
• нет критических провалов и чрезмерных пульсаций;
• управляющие линии находятся в нужных состояниях;
• необходимое тактирование присутствует;
• входной сигнал приходит;
• внешняя обвязка проверена;
• выход не перегружается нагрузкой;
• ожидаемой реакции на выходе всё равно нет.

Результаты осциллографа полезно сопоставлять со статическими измерениями мультиметром. Например, VERDO MH6104 измеряет сопротивление, поддерживает прозвонку цепи и тестирование диодов. Такие проверки помогают обнаружить короткое замыкание, обрыв или проблему внешнего компонента до того, как неисправность будет ошибочно приписана микросхеме.

Для аналоговых микросхем дополнительно оценивают постоянную составляющую. Если выход оказывается близко к одной из шин питания или имеет неожиданное смещение, причина может находиться как внутри микросхемы, так и в окружающей её цепи обратной связи.

Типичные ошибки при проверке микросхем осциллографом

Ошибочный диагноз нередко связан не с самой микросхемой, а с неправильным измерением.

Наиболее частые ошибки:

• подключение земли щупа без проверки потенциала точки относительно PE;
• начало измерений без изучения распиновки;
• неверный коэффициент деления щупа;
• слишком длинное соединение с землёй при быстрых сигналах;
• вывод о состоянии микросхемы только по одному измеренному выводу;
• случайное замыкание соседних контактов наконечником щупа;
• оценка сигнала по условно «идеальной» осциллограмме без учёта допустимых параметров из datasheet или сервисной документации;
• игнорирование влияния внешней цепи на исследуемый сигнал.

Перед окончательным выводом полезно ответить на три вопроса: правильно ли выполнено измерение, соответствует ли наблюдаемый сигнал документации и исключено ли влияние соседних элементов схемы.

Частые вопросы

Почему щуп осциллографа искажает сигнал на выводе микросхемы?

Щуп добавляет к цепи собственные сопротивление и ёмкость. На высокоомных и высокочастотных узлах это может заметно изменить форму сигнала или даже режим работы схемы.

Щуп ×1 или ×10, какой лучше использовать для проверки микросхем?

Для большинства импульсных и цифровых сигналов предпочтителен режим ×10: он обычно меньше нагружает исследуемую цепь и имеет более широкую полосу. Режим ×1 полезен главным образом для небольших низкочастотных сигналов.

Почему на выходе цифровой микросхемы нет высокого уровня?

Сначала нужно проверить тип выхода. Open-drain и open-collector сами не формируют высокий уровень — для него требуется внешняя подтяжка. Некоторые выходы также могут переходить в высокоимпедансное состояние.

Может ли исправная микросхема давать неправильный сигнал на выходе?

Да. Причина может быть во внешней обвязке, нагрузке или управляющих сигналах. Поэтому выход оценивают вместе с другими контрольными точками, а не отдельно.