通用电路板自动测试系统的设计与实现

摘要：介绍了一种通用的电路板自动测试系统的设计与实现。系统从针床到测试软件的各个环节都采用了开放型的设计，通用性很强，可以用于多种电路板的自动测试；具有高达2 Gｓ/ｓ 的信号采样率，可以比较准确地采集频率为153 MHz 的信号，用于多款电路板的测试。

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。