熊 霞，杜啟平

（1.湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械系，湖南 長沙 410126；2.長沙商貿(mào)旅游職業(yè)技術(shù)學(xué)院 經(jīng)貿(mào)系，湖南 長沙 410007）

0 引言

本文的PCB 測試機(jī)采用FPGA 作為核心控制器，使PCB 測試機(jī)測試算法在FPGA 上實現(xiàn)，這種方案不僅使測試軟件大大簡化，邏輯控制電路變得簡單，而且還提高了測試速度。由于FPGA 有可重構(gòu)特性，因此系統(tǒng)設(shè)計靈活，便于升級換代。

1 系統(tǒng)組成

圖1 系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。在系統(tǒng)中FPGA 處于核心地位，基于它來實現(xiàn)所有的測試算法,它是作為底層硬件電路的控制中心，周圍的電路模塊都是由它來控制。同時，它還負(fù)責(zé)與上位機(jī)PC104 進(jìn)行通訊，接收PC104 發(fā)送來的控制命令并向PC104 反饋測試結(jié)果。PC104 是結(jié)構(gòu)緊湊的嵌入式計算機(jī)，它提供人機(jī)交互的平臺，所有的命令發(fā)送以及結(jié)果顯示都由其完成，它是系統(tǒng)最上層的 “指揮者”，PCB 測試機(jī)的應(yīng)用程序在其上運行，并實現(xiàn)和FPGA 的通信。上圖的開關(guān)矩陣是由PNP 和NPN 三級管組成 （兩種三極管的耐壓均在300V以上），一個PNP 和一個NPN 三級管組成一對開關(guān)，整個開關(guān)矩陣一共有2048 對，2048 對開關(guān)分布在16 張開關(guān)卡上。任意兩對的PNP 和NPN 三級管之間都可以構(gòu)成回路，每對三極管的集電極是聯(lián)在一起的，形成一個公共端，由一根導(dǎo)線將此公共端和夾具上的帶有彈簧的鋼針連接起來，鋼針是固定在夾具上的，這種夾具也稱為針床，這些鋼針和被測電路板上的被測點的分布情況保持一致，即每個鋼針對應(yīng)一個被測點。夾具是固定在機(jī)械裝置上面的，在測試時機(jī)械裝置上的氣缸推動針床運動，使針床和被測電路板緊密接觸，從而使鋼針和被測點接觸，如圖2 所示。

在系統(tǒng)組成框圖中邏輯控制電路直接控制開關(guān)矩陣，而邏輯控制電路又由FPGA 來控制，它是連接FPGA 和開關(guān)矩陣的 “橋”。邏輯控制電路分為PNP 管邏輯控制電路和NPN 管邏輯控制電路，PNP 管邏輯控制電路在同一時刻只有一個PNP 管可被操作，其余PNP 管全部關(guān)閉；而NPN 管邏輯控制電路具有四種控制模式： 模式一為狀態(tài)鎖存模式，在此模式下只有一個NPN 管可被操作，其余NPN 管狀態(tài)均保持不變；模式二為狀態(tài)保持模式，在此模式下所有NPN 管不隨邏輯控制電路的輸入而改變；模式三為多選一模式，在此模式下只有一個NPN 管可被操作，其余NPN 管都處于關(guān)閉狀態(tài)；模式四為清零模式，所有NPN 管處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖2 開關(guān)矩陣與測試點的連接圖

在系統(tǒng)組成框圖中，測試電壓產(chǎn)生與控制電路是測試產(chǎn)生及控制的電路。系統(tǒng)的測試為50V、100V、150V、200V、和250V，共五個等級，供絕緣測試使用。電壓產(chǎn)生與控制電路受FPGA 的控制，測試時根據(jù)不同的電壓要求產(chǎn)生不同等級的電壓。

以上介紹的是系統(tǒng)組成的主要部分，系統(tǒng)中的參考電壓控制電路、電壓比較電路，測試電流比較電路等是輔助電路，它們的電路組成比較簡單，功能比較單一，在此不再一一介紹。

2 PCB 測試機(jī)硬件系統(tǒng)的故障分析

PCB 測試機(jī)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在調(diào)試過程中難免有各種各樣的故障，有兩種故障是比較典型的。

2.1 測試進(jìn)入死循環(huán)

（1）故障現(xiàn)象。當(dāng)設(shè)置50V 到150V 進(jìn)行絕緣自檢或進(jìn)行測試時，始終被加載，測試機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入死循環(huán)而不能退出。

（2）故障診斷方法。在出現(xiàn)程序進(jìn)入死循環(huán)時，首先檢查上層控制軟件，看是否有問題，經(jīng)過設(shè)置消息框的方式逐一檢查，并沒有發(fā)現(xiàn)任何問題，逐一檢查FPGA程序也沒有發(fā)現(xiàn)任何問題。那么問題出現(xiàn)的最大可能性應(yīng)該在硬件上。

首先檢查16 塊開關(guān)卡，將所有開關(guān)卡全部拆下，再逐一裝上進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)故障依舊，說明故障并不在開關(guān)卡。再檢查FPGA 控制卡，用萬用表檢查各點電壓值及阻值，也沒有發(fā)現(xiàn)異常，最后將問題鎖定在測試電壓產(chǎn)生與控制電路。先將電壓設(shè)定在50V，然后測產(chǎn)生的測試電壓，發(fā)現(xiàn)測試電壓為270 多伏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了設(shè)定值，那么問題基本鎖定在產(chǎn)生50V 到250V 電壓的電路上，即測試電壓產(chǎn)生與控制電路，如圖3 所示。

先檢查此電路中的電源管理芯片LM723，發(fā)現(xiàn)各基準(zhǔn)電壓值正常，那么故障最大可能性在電壓調(diào)整三極管TQ2 上面，采用替換法，用新的三極管將其替換，重新試機(jī),電壓恢復(fù)正常，系統(tǒng)測試也完全恢復(fù)正常。

圖3 測試電壓產(chǎn)生與控制電路

（3）原因分析。圖4 是形成50V，100V，150V，200V，及250V 電壓的電路圖，它給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的測試電壓，它是系統(tǒng)能否持續(xù)穩(wěn)定工作的基本保證，其中對電壓起調(diào)節(jié)與控制作用的主要部分為LM723、TQ2、及CD4051。LM723 與TQ2 及其它的一些電阻等組成電壓負(fù)反饋回路，此負(fù)反饋回路能將各等級的測試電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其穩(wěn)定。

CD4051 是一個多路門開關(guān)，有一個輸出通道，八個輸入通道，三個輸入端，通過控制這三個輸入端使輸出通道與相應(yīng)的一個輸入通道相連接，在同一時刻只能使輸出通道與一個輸入通道相連。CD4051 的輸入/輸出真值表如表1 所示。

CD4051 在圖3所示電路中起電壓控制作用，各等級的測試電壓均是通過其三輸入端的選擇得到，輸入的電壓選擇信號由圖3 中的光電選擇開關(guān)產(chǎn)生。

從LM723 的Vref 的輸出電壓為一恒定值7.15V，它通過7 個同阻值的電阻連接到AGND （模擬地），在CD4051 的C、B、A 輸入端輸入不同的邏輯電平時，能使X0 到X5 得到不同的分壓，將此電壓送到LM723 的反向輸入端(見圖3)。由LM723 Vo 輸出的信號，經(jīng)過TQ2 及其它的反饋電阻最后返回LM723 的正向輸入端NON-INV，這整個回路構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)。

從圖3 可知： 當(dāng)LM723 的正向輸入端NON-INV 的電壓升高時，輸出端Vo 電壓也升高。TQ2 的發(fā)射極經(jīng)D2 穩(wěn)壓后的電壓是9.1V, TQ2 的基極電流受Vo 控制，從而TQ2 的集電極電流也受其控制，由于TQ2 的集電極電流全部經(jīng)過R4，R4 電流的變化會引起TQ4（場效應(yīng)管）的柵極電壓的變化，所以Vo 電壓升高時會導(dǎo)致TQ4的柵極電壓的降低，TQ4 源極電壓是跟隨柵極電壓，所以源極電壓也降低，源極電壓經(jīng)R5 及R6 分壓后反饋給LM723 的正向輸入端NON-INV，所以LM723 的正向輸入端NON-INV 的電壓也降低，削弱了升高的電壓。這樣就完成了整個的負(fù)反饋過程。

表1 CD4051 輸入/輸出真值表

當(dāng)TQ2 損壞時，其集電極的電流不隨基極電流線性變化，所以上述的整個負(fù)反饋過程就在TQ2 處中斷了，所以測試電壓（TQ4 源極與模擬地間電壓）不受控制，從而導(dǎo)致設(shè)置任何等級的測試電壓，其值一直保持在高電壓不變，即為上述的故障現(xiàn)象。

2.2 同一被測點在多個不同網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)

（1）故障現(xiàn)象。正常情況下在自學(xué)習(xí)后同一網(wǎng)絡(luò)中各被測點都是相互導(dǎo)通的，且每個網(wǎng)絡(luò)中的被測點唯一存在于該網(wǎng)絡(luò)中，但在自學(xué)習(xí)后的網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)同一個被測點卻在不同的多個網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)。

（2）故障診斷方法。在進(jìn)行自學(xué)習(xí)后，打開得到的自學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，但沒有在自檢中發(fā)現(xiàn)異常。檢測Visual C++編寫的測試軟件，通過Turbo C 編寫自學(xué)習(xí)測試程序，在DOS 環(huán)境下進(jìn)行自學(xué)習(xí)，所得到的結(jié)果和Visual C++環(huán)境下所得結(jié)果一樣，也沒有發(fā)現(xiàn)任何問題。那么問題最大的可能性在硬件電路上，因為其它的電路所引起的問題會是全局性的，而此故障現(xiàn)象只是發(fā)生在部分被測點上的局部問題，所以硬件電路出現(xiàn)問題的最大可能性在邏輯控制電路及開關(guān)矩陣。

邏輯控制電路及開關(guān)矩陣都在16 張開關(guān)卡上，那么故障診斷圍繞開關(guān)卡展開，首先找到不同網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的相同被測點所在的開關(guān)卡，并將此開關(guān)卡插在第一塊卡的位置上，將一根導(dǎo)線連接第一個被測點和其它開關(guān)卡上任意一點，用測試軟件進(jìn)行絕緣自檢，移動第一塊卡上的連接點，導(dǎo)線的另一端不動，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)谝粔K卡上的連接點從第1 點逐漸變化到第64 點時，都會有兩個故障點顯示。連接第1 點時顯示第1 和第65 點故障；連接第2 點時顯示第2 和第66 點故障；連接第64 點時顯示第64 點和第128 點故障；而當(dāng)連接第65 點時，發(fā)現(xiàn)這時的測試結(jié)果是正常的，只有第65 點顯示故障，依次連接第66 點，第67 點直到第128 點都是正常的。那么據(jù)此可以得出一個規(guī)律： 只要連接第1 點到64 點之間的點，那么其后的第64 點處的被測點也在絕緣自檢后顯示為故障點。

通過上述故障的觀察，因為64 個被測點都出現(xiàn)故障，所以出現(xiàn)問題最大可能性是開關(guān)卡的邏輯控制電路。使用PCB 測試機(jī)應(yīng)用程序的“兩點間導(dǎo)通測試”功能，選取第1 點與第100 點做兩點間導(dǎo)通測試，用示波器測試邏輯控制電路上的每個芯片引腳，發(fā)現(xiàn)74HC06 芯片的輸入腳第一腳為低電平時，輸出腳第二腳為高電平，而輸入腳第一腳為高電平，第二腳仍為高電平（4.2V）。74HC06 是一個非門，那么由此可見此芯片已經(jīng)失去了高電平反相功能。更換此開關(guān)卡上的74HC06 芯片，問題得到解決。

（3）原因分析。自學(xué)習(xí)時是采用兩點間導(dǎo)通測試的方式將各被測點劃分到不同的網(wǎng)絡(luò)，兩點間導(dǎo)通測試是打開兩對開關(guān)進(jìn)行測試的，其中一對開關(guān)是打開PNP 管，另一對是打開NPN 管。開關(guān)矩陣中的PNP 管和NPN 管分別由兩組不同的邏輯控制電路來控制，圖4 和圖5 為PNP 管邏輯控制電路，NPN 管的邏輯控制電路和其類似，在此不再說明。

圖4 PNP 管邏輯控制電路（一）

圖5 PNP 管邏輯控制電路（二）

PNP 管邏輯控制電路中每個CD4051 芯片控制8 個PNP 管，共有16 個CD4051 芯片，所有CD4051 芯片的使能端受圖5 中的電路控制，所以PNP 的邏輯控制電路是分層級控制的，在同一時刻只有一個PNP 管被打開。

圖5 是PNP 管邏輯控制電路的第二部分，該電路是由一個非門和兩個74LS138 芯片組成，共有16 個輸出，每個輸出控制一個CD4051 的使能端。在上圖中的兩片74LS138 是由74HC06 控制其使能端的，當(dāng)74HC06 被損壞失去高電平反向功能時，其第二腳輸出始終為高電平。當(dāng)?shù)诙?4LS138 被使能時第一片74LS138 依然被使能，所以同一時刻會有兩個PNP 管被打開，這就是上述故障現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

3 結(jié)論

PCB 測試機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，涉及到的電子器件非常多，經(jīng)常有電子器件質(zhì)量不穩(wěn)定給系統(tǒng)造成各種問題，產(chǎn)生的各種故障也比較難以排除，所以在對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時不僅要重視其功能設(shè)計，系統(tǒng)的可靠性也是很重要，提高系統(tǒng)的可靠性不僅使產(chǎn)品質(zhì)量可靠，而且在產(chǎn)品的研發(fā)調(diào)試階段可以節(jié)省大量的時間。

[1] Bill Maillet, ECT Test Services, San Jose, CA; and Kevin Wheel,ECT Test Services,Hudson,NH-Test&Measurement World,2/1/1999.

[2] 夏宇聞.Verilog 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2003.