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通用电路板自动测试系统的设计与实现

时间:10-03 来源:中电网 点击:

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103 MHz 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93 nm 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1 Gb/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12b A/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(+5 V),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133 kHz。

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8 b 转换精度,每个通道具有l Gs/s 的采样率,在交错模式下采样率达2 Gs/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1 Gb/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533 Mb/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,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2 a。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2 b 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233 mm,左右两个为73 mm。

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

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