通用電路板自動(dòng)測試系統的設計與實(shí)現

摘要：介紹了一種通用的電路板自動(dòng)測試系統的設計與實(shí)現。系統從針床到測試軟件的各個(gè)環(huán)節都采用了開(kāi)放型的設計，通用性很強，可以用于多種電路板的自動(dòng)測試；具有高達2 Gｓ/ｓ 的信號采樣率，可以比較準確地采集頻率為153 MHz 的信號，用于多款電路板的測試。

電路板已經(jīng)成為當今電子產(chǎn)品的重要組成部分，隨著(zhù)電子技術(shù)及印制板制造技術(shù)的發(fā)展，現代電子產(chǎn)品日趨復雜，印制電路板的密度日趨增加，隨之而來(lái)的是印制板的測試及修理也愈加困難。為了提高印制電路板的檢測及維修的自動(dòng)化程度，設計電路板的自動(dòng)測試系統是非常必要的。

目前，印制電路板自動(dòng)測試技術(shù)發(fā)展迅速，印制板在線(xiàn)測試系統（ATE）廣泛應用于印制板光板及各種產(chǎn)品的印制電路板的生產(chǎn)、檢測和維修等環(huán)節。由于用戶(hù)的測試要求、測試對象各不相同，其具體性能（或功能）、測試原理及測試方法也各不相同，它需要量體裁衣、單臺定制才能滿(mǎn)足用戶(hù)的要求，并且系統的通用性較差，資源可重復利用率低。鑒于上述狀況，本文設計了一款較為通用的自動(dòng)測試系統，用來(lái)測試電路板是否工作正常，實(shí)現了對多款電路板的在線(xiàn)測試。

1 系統的總體結構

1.1 系統總體考慮

本系統的主要目的是測試電路板是否工作正常，是通過(guò)對電路板上關(guān)鍵信號進(jìn)行測試來(lái)達到的。因此，本系統的任務(wù)就是對電路板上的關(guān)鍵信號進(jìn)行采集，通過(guò)PC 端的軟件進(jìn)行分析得出測試結果。系統分為針床、信號采集和傳輸模塊、測試軟件3個(gè)部分。作為一個(gè)通用的測試系統，在3 個(gè)部分中均考慮了較強的通用性。

1.2 系統結構

本自動(dòng)測試系統的結構框圖見(jiàn)圖1。系統的工作原理是：通過(guò)針床將待測信號導出，FPGA 通過(guò)控制多路模擬開(kāi)關(guān)將待測信號采集進(jìn)來(lái)，將數據通過(guò)相應協(xié)議傳送到PC 機，用自動(dòng)測試軟件測試各個(gè)信號是否正常。

由于待測信號的頻率相差較大，有直流信號，也有頻率高于103 MHz 的脈沖信號，以及在其間的多種頻率的信號，因此本系統采用低頻和高頻2 組信號采樣電路，來(lái)適應不同信號采集的需要。

1.3 主要芯片介紹

本系統中用到的主要芯片有：主芯片EP2S63，AD 采樣芯片AD7864 和AT84AD331。以下對這3 種芯片進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹：

EP2S63 是ALTERA 公司的Strati 系列的FPGA，該系列的FPGA 采用先進(jìn)的93 nm 生產(chǎn)工藝；將FPGA 性能推向了新高度，該系列是業(yè)界最快、密度最高的FPGA。EP2S63 擁有多達84個(gè)專(zhuān)用LVDS 差分邏輯接收通道，每個(gè)LVDS 通道數據傳輸速率最高達1 Gb/ｓ。其內部具有專(zhuān)門(mén)的高速數字鎖相環(huán)電路，能夠產(chǎn)生可供ADC 電路使用的時(shí)鐘信號。

AD7864 是一種較低速、低功耗、可以4 通道同時(shí)采樣的12b A/D轉換器。它擁有12 位A/D轉換器，可同時(shí)采樣4 個(gè)輸入通道，并具有4 個(gè)采樣、保持放大器；單電源供電（+5 V），多個(gè)轉換電壓范圍， 對于每一個(gè)模擬輸入通道均有過(guò)壓保護電路；4 通道同時(shí)工作時(shí)，最大采樣率為133 kHz。

AT84AD331 是Atmel 公司生產(chǎn)的高速采集芯片。該器件集成了兩路（I 和Q）獨立的ADC，具有8 b 轉換精度，每個(gè)通道具有ｌ Gs/ｓ 的采樣率，在交錯模式下采樣率達2 Gs/ｓ。本芯片基于高速應用場(chǎng)合的要求，模擬輸入、數字時(shí)鐘輸入、數字時(shí)鐘輸出、數據輸出，同步時(shí)鐘輸出都采用差分方式。數據輸出采用LVDS標準，其傳輸率可達1 Gb/ｓ，使用其內部的多路分離器，可以降低輸出數據率，也可以方便地與多種類(lèi)型的高速FPGA 直接相連。

采用1∶2 模式時(shí)，輸出數據速率降為533 Mb/ｓ，可以滿(mǎn)足多數FPGA 接收數據的要求。

2 系統詳細設計

2.1 針床設計

針床是電路板測試系統的重要部件，是電路板信號導出的平臺。針床的通用性較差，一般是每種電路板對應一個(gè)特定的針床，這使系統的通用性受到很大的限制。為使針床具有一定的通用性，本系統中對針床的相關(guān)部件進(jìn)行了一些改進(jìn)：

（1）探針設計。探針見(jiàn)圖2 ａ。本探針是以目前市場(chǎng)上的探針為基礎、自行設計的內含彈簧的探針，易于固定，信號導出方便：

探針的一端為探頭，是與電路板接觸，并導出信號的部分；另一端是固定座，是絕緣體，中空，內含彈簧，使探頭能夠伸縮；中間為信號的導出端子。為減少各個(gè)信號間的干擾，導線(xiàn)均采用屏蔽線(xiàn)。為適應不同信號要求，按粗細和允許的信號帶寬要求探針?lè )譃槎喾N型號，使用時(shí)根據需要對探針型號進(jìn)行選擇。

（2）探針的固定：在本系統的針床上，探針的固定是采用兩塊相同的探針固定板和4 塊擋板組成，固定板和探針的固定示意圖見(jiàn)圖2 b 和圖2ｃ：固定板的大小與待測板相同，板上固定孔位置需根據電路板的技術(shù)文件來(lái)確定，孔的大小需根據選取探針的型號來(lái)決定。擋板可以在整個(gè)針床的底座上進(jìn)行移動(dòng)調整，以適應不同尺寸電路板的固定要求；擋板的寬度，前后兩個(gè)為233 mm，左右兩個(gè)為73 mm。