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通用电路板自动测试系统的设计与实现

    电路板已经成为当今电子产品的重要组成部分,随着电子技术及印制板制造技术的发展,现代电子产品日趋复杂,印制电路板的密度日趋增加,随之而来的是印制板的测试及修理也愈加困难。为了提高印制电路板的检测及维修的自动化程度,设计电路板的自动测试系统是非常必要的。
    目前,印制电路板自动测试技术发展迅速,印制板在线测试系统(ATE)广泛应用于印制板光板及各种产品的印制电路板的生产、检测和维修等环节。由于用户的测试要求、测试对象各不相同,其具体性能(或功能)、测试原理及测试方法也各不相同,它需要量体裁衣、单台定制才能满足用户的要求,并且系统的通用性较差,资源可重复利用率低。鉴于上述状况,本文设计了一款较为通用的自动测试系统,用来测试电路板是否工作正常,实现了对多款电路板的在线测试。
    1系统的总体结构
    1.1系统总体考虑
    本系统的主要目的是测试电路板是否工作正常,是通过对电路板上关键信号进行测试来达到的。因此,本系统的任务就是对电路板上的关键信号进行采集,通过PC端的软件进行分析得出测试结果。系统分为针床、信号采集和传输模块、测试软件3个部分。作为一个通用的测试系统,在3个部分中均考虑了较强的通用性。
    1.2系统结构
    本自动测试系统的结构框图见图1。系统的工作原理是:通过针床将待测信号导出,FPGA通过控制多路模拟开关将待测信号采集进来,将数据通过相应协议传送到PC机,用自动测试软件测试各个信号是否正常。
    由于待测信号的频率相差较大,有直流信号,也有频率高于103MHz的脉冲信号,以及在其间的多种频率的信号,因此本系统采用低频和高频2组信号采样电路,来适应不同信号采集的需要。
    1.3主要芯片介绍
    本系统中用到的主要芯片有:主芯片EP2S63,AD采样芯片AD7864和AT84AD331。以下对这3种芯片进行简要介绍:
    EP2S63是ALTERA公司的Strati系列的FPGA,该系列的FPGA采用先进的93nm生产工艺;将FPGA性能推向了新高度,该系列是业界最快、密度最高的FPGA。EP2S63拥有多达84个专用LVDS差分逻辑接收通道,每个LVDS通道数据传输速率最高达1Gb/s。其内部具有专门的高速数字锁相环电路,能够产生可供ADC电路使用的时钟信号。
    AD7864是一种较低速、低功耗、可以4通道同时采样的12bA/D转换器。它拥有12位A/D转换器,可同时采样4个输入通道,并具有4个采样、保持放大器;单电源供电(+5V),多个转换电压范围,对于每一个模拟输入通道均有过压保护电路;4通道同时工作时,最大采样率为133kHz。
    AT84AD331是Atmel公司生产的高速采集芯片。该器件集成了两路(I和Q)独立的ADC,具有8b转换精度,每个通道具有lGs/s的采样率,在交错模式下采样率达2Gs/s。本芯片基于高速应用场合的要求,模拟输入、数字时钟输入、数字时钟输出、数据输出,同步时钟输出都采用差分方式。数据输出采用LVDS标准,其传输率可达1Gb/s,使用其内部的多路分离器,可以降低输出数据率,也可以方便地与多种类型的高速FPGA直接相连。
    采用1∶2模式时,输出数据速率降为533Mb/s,可以满足多数FPGA接收数据的要求。
    2系统详细设计
    2.1针床设计
    针床是电路板测试系统的重要部件,是电路板信号导出的平台。针床的通用性较差,pcb抄板一般是每种电路板对应一个特定的针床,这使系统的通用性受到很大的限制。为使针床具有一定的通用性,本系统中对针床的相关部件进行了一些改进:
    (1)探针设计。探针见图2a。本探针是以目前市场上的探针为基础、自行设计的内含弹簧的探针,易于固定,信号导出方便:
    探针的一端为探头,是与电路板接触,并导出信号的部分;另一端是固定座,是绝缘体,中空,内含弹簧,使探头能够伸缩;中间为信号的导出端子。为减少各个信号间的干扰,导线均采用屏蔽线。为适应不同信号要求,按粗细和允许的信号带宽要求探针分为多种型号,使用时根据需要对探针型号进行选择。
    (2)探针的固定:在本系统的针床上,探针的固定是采用两块相同的探针固定板和4块挡板组成,固定板和探针的固定示意图见图2b和图2c:固定板的大小与待测板相同,板上固定孔位置需根据电路板的技术文件来确定,孔的大小需根据选取探针的型号来决定。挡板可以在整个针床的底座上进行移动调整,以适应不同尺寸电路板的固定要求;挡板的宽度,前后两个为233mm,左右两个为73mm。
    2.2信号采集
    电路板上输出的待测信号主要有三类:电源信号、脉冲数字信号、电平变换信号。此外还有一些频率较高的模拟信号,如音视频信号,此类信号一般不作为关键测试信号,若需测试时可按高频信号进行采集。其中电源信号和电平变换信号均可视为直流信号来采集,用AD7864完成采集。而脉冲数字信号的频率较高,动辄就几十兆赫兹甚至上百兆赫兹,需要用高速的AD(本系统中用的是AT84AD331)来进行采集,并且需要对频率进行测量。因此本系统信号采集分为低频和高频两个部分,下面分别叙述: