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：