PCB測試機(jī)的基本測試原理與方法

熊霞

（湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410126）

PCB測試機(jī)的基本測試原理與方法

熊霞

（湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410126）

文章首先介紹PCB測試機(jī)系統(tǒng)組成，根據(jù)PCB測試機(jī)的基本原理即歐姆定理，采用先自檢，再自學(xué)習(xí)，最后針對不同的檢測要求，采用不同的測試方法，有兩點間導(dǎo)通測試，兩點間絕緣測試，及多點絕緣測試。測出被測點間是導(dǎo)通或者絕緣。

PCB測試機(jī)；FPGA；導(dǎo)通測試；絕緣測試

PCB測試機(jī)是用來檢測PCB光板電氣特性（文中所提的PCB均指PCB光板），判斷質(zhì)量好壞的專用設(shè)備，它通過一定的測試電壓能高速，準(zhǔn)確地檢測PCB的導(dǎo)通及絕緣性能，它用于電子產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)的前端工序和PCB生產(chǎn)企業(yè)的末端工序，是PCB檢測領(lǐng)域中不可或缺的理想工具。本文從PCB測試機(jī)的系統(tǒng)組成入手，介紹PCB測試機(jī)的基本測試原理與方法。

1 系統(tǒng)組成

目前市場上的PCB測試機(jī)常常采用PC機(jī)和相應(yīng)的邏輯控制電路組成，其中測試算法完全由PC機(jī)來實現(xiàn)，這不僅使測試軟件復(fù)雜，而且執(zhí)行速度也受到影響。對于邏輯控制電路而言，其電路也是過于復(fù)雜，而且可靠性低。文章針對這些問題提出了采用FPGA作為核心控制器，使PCB測試機(jī)測試算法在FPGA上實現(xiàn)的方案，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。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖 1系統(tǒng)組成框圖

在系統(tǒng)中FPGA處于核心地位，所有的測試算法都基于它來實現(xiàn),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。

圖2 開關(guān)矩陣與測試點的連接圖

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)。

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 測試原理及方法

PCB測試機(jī)的基本原理是歐姆定理，其測試方法是將被測點間加一定的測試電壓，F(xiàn)PGA按照一定的測試算法來控制邏輯控制電路，從而選中PCB板上被測點對應(yīng)的開關(guān)，將開關(guān)中的NPN、或者PNP三極管打開進(jìn)行測試，獲得被測點間電阻值對應(yīng)的電壓信號后，通過電壓比較電路，測出被測點間是導(dǎo)通或者絕緣。

測試設(shè)備首要條件是測試工具本身的準(zhǔn)確性和可靠性。在對PCB進(jìn)行測試前必須對測試機(jī)進(jìn)行自檢，以判斷測試機(jī)自身是否存在問題，測試機(jī)自檢包括導(dǎo)通自檢、閉鎖自檢、絕緣自檢、PNP開關(guān)自檢、NPN開關(guān)自檢。這些自檢是從各不同的方面來保證測試機(jī)在進(jìn)行各種測試時是準(zhǔn)確可靠。下面分別介紹各自檢的作用：

（1）導(dǎo)通自檢是檢查開關(guān)矩陣上的2048對三極管是否導(dǎo)通性能良好，對這些三極管進(jìn)行全面掃描，如有不導(dǎo)通的三極管存在，會迅速故障定位，顯示該三極管的編號。

（2）閉鎖自檢是為了檢查圖1中的邏輯控制電路是否性能良好，它主要是確保多點絕緣測試時可以同是打開多個NPN三極管，導(dǎo)通自檢全部通過是進(jìn)行閉鎖自檢的前提，否則，閉鎖自檢的結(jié)果可能產(chǎn)生錯誤。

（3）絕緣自檢，PNP開關(guān)自檢，NPN開關(guān)自檢的目的是保證在進(jìn)行多點絕緣測試，及兩點間絕緣測試前，系統(tǒng)自身性能完好，沒有漏電故障，同時這三種自檢也是快速查找系統(tǒng)故障的有效手段，可以迅速查找開關(guān)矩陣上損壞的三極管。其中絕緣自檢是檢查在2048對三級管間是否有不絕緣的故障；PNP開關(guān)自檢和NPN開關(guān)自檢是檢查開關(guān)矩陣上PNP三極管和NPN三極管在關(guān)閉時，在作用下是否有漏電流產(chǎn)生，如有較大漏電流產(chǎn)生則會使測試不準(zhǔn)確。

自檢完成后，已確保PCB測試機(jī)性能良好時，接下來開始進(jìn)行自學(xué)習(xí)。自學(xué)習(xí)是測試機(jī)對待測板進(jìn)行測試前的一個重要環(huán)節(jié)。對被測PCB進(jìn)行測試時，首先要得到被測PCB的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，然后以此標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試。標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)獲取的方法之一就是通過自學(xué)習(xí)獲取。所謂自學(xué)習(xí)就是在一塊標(biāo)準(zhǔn)的PCB上找出各被測點所對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。以圖3為例說明，A和B由導(dǎo)線連接，它們是相互導(dǎo)通的，C、D和E由另一根導(dǎo)線連接，它們之間也是相互導(dǎo)通的，而且A、B和C、D、E間沒有任何電氣連接，他們之間是相互絕緣的，所以定義A、B是屬于網(wǎng)絡(luò)1，C、D、E屬于網(wǎng)絡(luò)2，按照這種劃分網(wǎng)絡(luò)的方式將標(biāo)準(zhǔn)PCB上所有點劃分到各不同的網(wǎng)絡(luò)中，通過這種方式得到的網(wǎng)絡(luò)稱為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，在對PCB進(jìn)行測試時按照此標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)對被測PCB進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，自學(xué)習(xí)是PCB測試的基礎(chǔ)和前提。

圖3 網(wǎng)絡(luò)劃分

PCB測試主要檢測PCB上各點間導(dǎo)通和絕緣性能，針對不同的檢測要求，要采用不同的測試方法，用于測試的方法有：兩點間導(dǎo)通測試，兩點間絕緣測試，及多點絕緣測試。這幾種測試不是相互獨立的，它們之間是相互關(guān)聯(lián)的，并且它們之間有嚴(yán)格的先后關(guān)系，即首先按照自學(xué)習(xí)得到的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行兩點間導(dǎo)通測試，如果網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有不導(dǎo)通的被測點存在，則將此網(wǎng)絡(luò)劃分為兩個以上的網(wǎng)絡(luò)，得到新的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系；再按照新的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系進(jìn)行多點絕緣測試，在執(zhí)行完此測試后，如果結(jié)果為不絕緣，則進(jìn)行兩點間絕緣測試，找到不絕緣的測試點。多點絕緣測試是為了提高測試速度的一種測試方法，因為兩點間絕緣測試每次只能兩個點進(jìn)行一次測試，這樣必然造成測試速度低，而多點絕緣測試是多個點同時測，這樣就節(jié)省了大量的測試時間，但這種測試方法的缺點是：多點同時測就相當(dāng)于多個被測點間的電阻并聯(lián)，造成比實際電阻小的多，從而可能測試結(jié)果為不絕緣，然后再對這些點進(jìn)行兩點間絕緣測試，這樣會比直接進(jìn)行兩點間絕緣測試所開銷的時間更多。不過一般情況下采用多點絕緣測試比直接進(jìn)行兩點間絕緣測試所開銷的時間還是要短的多。

[1]Bill Maillet,ECT Test Services,San Jose,CA;and Kevin Wheel, ECT Test Services,Hudson,NH--Test&Measurement World, 2/1/1999，45～52

[2]都毅，呂義俊.PCB裸板測試系統(tǒng)的基本原理和現(xiàn)狀[J].電子工藝技術(shù)，1992，（5）.

[3]王秋成，俞浙清．印刷電路板電腦檢測儀的設(shè)計[J].機(jī)電工程，1999，（1）.

Basic Test Principle and Method of PCB testing Machine

XIONG Xia
(Hunan Biological ElectroMechanical Polytechnic,Changsha,Hunan 410126,China)

This paper first introduced the configuration of PCB testing machine system,accordin g to the basic principle of PCB testing machine,namely,the Ohm theorem,conduct the conduction testing and insulation testing between 2 points through self-inspection,self-learning,finally adopting different methods according to different detection requirements and find out whether it is conducting or insulating between the 2 points.

PCB testing machine;FPGA;conduction testing;insulation test

TN407

A

2095-980X（2015）02-0045-02

2015-01-15

熊霞（1978—），女，碩士，主要從事網(wǎng)絡(luò)化制造和數(shù)控技術(shù)的教學(xué)與研究工作。