通用電路板自動測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：介紹了一種通用的電路板自動測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。系統(tǒng)從針床到測試軟件的各個環(huán)節(jié)都采用了開放型的設(shè)計，通用性很強，可以用于多種電路板的自動測試；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，隨著電子技術(shù)及印制板制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電子產(chǎn)品日趨復(fù)雜，印制電路板的密度日趨增加，隨之而來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化程度，設(shè)計電路板的自動測試系統(tǒng)是非常必要的。

目前，印制電路板自動測試技術(shù)發(fā)展迅速，印制板在線測試系統(tǒng)（ATE）廣泛應(yīng)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(jié)。由于用戶的測試要求、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、單臺定制才能滿足用戶的要求，并且系統(tǒng)的通用性較差，資源可重復(fù)利用率低。鑒于上述狀況，本文設(shè)計了一款較為通用的自動測試系統(tǒng)，用來測試電路板是否工作正常，實現(xiàn)了對多款電路板的在線測試。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)總體考慮

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

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本自動測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖1。系統(tǒng)的工作原理是：通過針床將待測信號導(dǎo)出，F(xiàn)PGA 通過控制多路模擬開關(guān)將待測信號采集進來，將數(shù)據(jù)通過相應(yīng)協(xié)議傳送到PC 機，用自動測試軟件測試各個信號是否正常。

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(tǒng)采用低頻和高頻2 組信號采樣電路，來適應(yīng)不同信號采集的需要。

1.3 主要芯片介紹

本系統(tǒng)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 種芯片進行簡要介紹：

EP2S63 是ALTERA 公司的Strati 系列的FPGA，該系列的FPGA 采用先進的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個專用LVDS 差分邏輯接收通道，每個LVDS 通道數(shù)據(jù)傳輸速率最高達1 Gb/ｓ。其內(nèi)部具有專門的高速數(shù)字鎖相環(huán)電路，能夠產(chǎn)生可供ADC 電路使用的時鐘信號。

AD7864 是一種較低速、低功耗、可以4 通道同時采樣的12b A/D轉(zhuǎn)換器。它擁有12 位A/D轉(zhuǎn)換器，可同時采樣4 個輸入通道，并具有4 個采樣、保持放大器；單電源供電（+5 V），多個轉(zhuǎn)換電壓范圍， 對于每一個模擬輸入通道均有過壓保護電路；4 通道同時工作時，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(zhuǎn)換精度，每個通道具有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(yīng)用場合的要求，模擬輸入、數(shù)字時鐘輸入、數(shù)字時鐘輸出、數(shù)據(jù)輸出，同步時鐘輸出都采用差分方式。數(shù)據(jù)輸出采用LVDS標準，其傳輸率可達1 Gb/ｓ，使用其內(nèi)部的多路分離器，可以降低輸出數(shù)據(jù)率，也可以方便地與多種類型的高速FPGA 直接相連。

采用1∶2 模式時，輸出數(shù)據(jù)速率降為533 Mb/ｓ，可以滿足多數(shù)FPGA 接收數(shù)據(jù)的要求。

2 系統(tǒng)詳細設(shè)計

2.1 針床設(shè)計

針床是電路板測試系統(tǒng)的重要部件，是電路板信號導(dǎo)出的平臺。針床的通用性較差，一般是每種電路板對應(yīng)一個特定的針床，這使系統(tǒng)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(tǒng)中對針床的相關(guān)部件進行了一些改進：

（1）探針設(shè)計。探針見圖2 ａ。本探針是以目前市場上的探針為基礎(chǔ)、自行設(shè)計的內(nèi)含彈簧的探針，易于固定，信號導(dǎo)出方便：

探針的一端為探頭，是與電路板接觸，并導(dǎo)出信號的部分；另一端是固定座，是絕緣體，中空，內(nèi)含彈簧，使探頭能夠伸縮；中間為信號的導(dǎo)出端子。為減少各個信號間的干擾，導(dǎo)線均采用屏蔽線。為適應(yīng)不同信號要求，按粗細和允許的信號帶寬要求探針分為多種型號，使用時根據(jù)需要對探針型號進行選擇。

（2）探針的固定：在本系統(tǒng)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(jù)電路板的技術(shù)文件來確定，孔的大小需根據(jù)選取探針的型號來決定。擋板可以在整個針床的底座上進行移動調(diào)整，以適應(yīng)不同尺寸電路板的固定要求；擋板的寬度，前后兩個為233 mm，左右兩個為73 mm。