熊 霞，杜启平

（1.湖南生物机电职业技术学院 机械系，湖南 长沙 410126；2.长沙商贸旅游职业技术学院 经贸系，湖南 长沙 410007）

0 引言

本文的PCB 测试机采用FPGA 作为核心控制器，使PCB 测试机测试算法在FPGA 上实现，这种方案不仅使测试软件大大简化，逻辑控制电路变得简单，而且还提高了测试速度。由于FPGA 有可重构特性，因此系统设计灵活，便于升级换代。

1 系统组成

图1 系统组成框图

系统组成框图如图1 所示。在系统中FPGA 处于核心地位，基于它来实现所有的测试算法,它是作为底层硬件电路的控制中心，周围的电路模块都是由它来控制。同时，它还负责与上位机PC104 进行通讯，接收PC104 发送来的控制命令并向PC104 反馈测试结果。PC104 是结构紧凑的嵌入式计算机，它提供人机交互的平台，所有的命令发送以及结果显示都由其完成，它是系统最上层的 “指挥者”，PCB 测试机的应用程序在其上运行，并实现和FPGA 的通信。上图的开关矩阵是由PNP 和NPN 三级管组成 （两种三极管的耐压均在300V以上），一个PNP 和一个NPN 三级管组成一对开关，整个开关矩阵一共有2048 对，2048 对开关分布在16 张开关卡上。任意两对的PNP 和NPN 三级管之间都可以构成回路，每对三极管的集电极是联在一起的，形成一个公共端，由一根导线将此公共端和夹具上的带有弹簧的钢针连接起来，钢针是固定在夹具上的，这种夹具也称为针床，这些钢针和被测电路板上的被测点的分布情况保持一致，即每个钢针对应一个被测点。夹具是固定在机械装置上面的，在测试时机械装置上的气缸推动针床运动，使针床和被测电路板紧密接触，从而使钢针和被测点接触，如图2 所示。

在系统组成框图中逻辑控制电路直接控制开关矩阵，而逻辑控制电路又由FPGA 来控制，它是连接FPGA 和开关矩阵的 “桥”。逻辑控制电路分为PNP 管逻辑控制电路和NPN 管逻辑控制电路，PNP 管逻辑控制电路在同一时刻只有一个PNP 管可被操作，其余PNP 管全部关闭；而NPN 管逻辑控制电路具有四种控制模式： 模式一为状态锁存模式，在此模式下只有一个NPN 管可被操作，其余NPN 管状态均保持不变；模式二为状态保持模式，在此模式下所有NPN 管不随逻辑控制电路的输入而改变；模式三为多选一模式，在此模式下只有一个NPN 管可被操作，其余NPN 管都处于关闭状态；模式四为清零模式，所有NPN 管处于关闭状态。

图2 开关矩阵与测试点的连接图

在系统组成框图中，测试电压产生与控制电路是测试产生及控制的电路。系统的测试为50V、100V、150V、200V、和250V，共五个等级，供绝缘测试使用。电压产生与控制电路受FPGA 的控制，测试时根据不同的电压要求产生不同等级的电压。

以上介绍的是系统组成的主要部分，系统中的参考电压控制电路、电压比较电路，测试电流比较电路等是辅助电路，它们的电路组成比较简单，功能比较单一，在此不再一一介绍。

2 PCB 测试机硬件系统的故障分析

PCB 测试机的硬件系统结构复杂，在调试过程中难免有各种各样的故障，有两种故障是比较典型的。

2.1 测试进入死循环

（1）故障现象。当设置50V 到150V 进行绝缘自检或进行测试时，始终被加载，测试机系统进入死循环而不能退出。

（2）故障诊断方法。在出现程序进入死循环时，首先检查上层控制软件，看是否有问题，经过设置消息框的方式逐一检查，并没有发现任何问题，逐一检查FPGA程序也没有发现任何问题。那么问题出现的最大可能性应该在硬件上。

首先检查16 块开关卡，将所有开关卡全部拆下，再逐一装上进行检查，发现故障依旧，说明故障并不在开关卡。再检查FPGA 控制卡，用万用表检查各点电压值及阻值，也没有发现异常，最后将问题锁定在测试电压产生与控制电路。先将电压设定在50V，然后测产生的测试电压，发现测试电压为270 多伏，远远超出了设定值，那么问题基本锁定在产生50V 到250V 电压的电路上，即测试电压产生与控制电路，如图3 所示。

先检查此电路中的电源管理芯片LM723，发现各基准电压值正常，那么故障最大可能性在电压调整三极管TQ2 上面，采用替换法，用新的三极管将其替换，重新试机,电压恢复正常，系统测试也完全恢复正常。

图3 测试电压产生与控制电路

（3）原因分析。图4 是形成50V，100V，150V，200V，及250V 电压的电路图，它给系统提供稳定的测试电压，它是系统能否持续稳定工作的基本保证，其中对电压起调节与控制作用的主要部分为LM723、TQ2、及CD4051。LM723 与TQ2 及其它的一些电阻等组成电压负反馈回路，此负反馈回路能将各等级的测试电压进行调节，使其稳定。

CD4051 是一个多路门开关，有一个输出通道，八个输入通道，三个输入端，通过控制这三个输入端使输出通道与相应的一个输入通道相连接，在同一时刻只能使输出通道与一个输入通道相连。CD4051 的输入/输出真值表如表1 所示。

CD4051 在图3所示电路中起电压控制作用，各等级的测试电压均是通过其三输入端的选择得到，输入的电压选择信号由图3 中的光电选择开关产生。

从LM723 的Vref 的输出电压为一恒定值7.15V，它通过7 个同阻值的电阻连接到AGND （模拟地），在CD4051 的C、B、A 输入端输入不同的逻辑电平时，能使X0 到X5 得到不同的分压，将此电压送到LM723 的反向输入端(见图3)。由LM723 Vo 输出的信号，经过TQ2 及其它的反馈电阻最后返回LM723 的正向输入端NON-INV，这整个回路构成负反馈系统。

从图3 可知： 当LM723 的正向输入端NON-INV 的电压升高时，输出端Vo 电压也升高。TQ2 的发射极经D2 稳压后的电压是9.1V, TQ2 的基极电流受Vo 控制，从而TQ2 的集电极电流也受其控制，由于TQ2 的集电极电流全部经过R4，R4 电流的变化会引起TQ4（场效应管）的栅极电压的变化，所以Vo 电压升高时会导致TQ4的栅极电压的降低，TQ4 源极电压是跟随栅极电压，所以源极电压也降低，源极电压经R5 及R6 分压后反馈给LM723 的正向输入端NON-INV，所以LM723 的正向输入端NON-INV 的电压也降低，削弱了升高的电压。这样就完成了整个的负反馈过程。

表1 CD4051 输入/输出真值表

当TQ2 损坏时，其集电极的电流不随基极电流线性变化，所以上述的整个负反馈过程就在TQ2 处中断了，所以测试电压（TQ4 源极与模拟地间电压）不受控制，从而导致设置任何等级的测试电压，其值一直保持在高电压不变，即为上述的故障现象。

2.2 同一被测点在多个不同网络中出现

（1）故障现象。正常情况下在自学习后同一网络中各被测点都是相互导通的，且每个网络中的被测点唯一存在于该网络中，但在自学习后的网络中发现同一个被测点却在不同的多个网络中出现。

（2）故障诊断方法。在进行自学习后，打开得到的自学习网络，但没有在自检中发现异常。检测Visual C++编写的测试软件，通过Turbo C 编写自学习测试程序，在DOS 环境下进行自学习，所得到的结果和Visual C++环境下所得结果一样，也没有发现任何问题。那么问题最大的可能性在硬件电路上，因为其它的电路所引起的问题会是全局性的，而此故障现象只是发生在部分被测点上的局部问题，所以硬件电路出现问题的最大可能性在逻辑控制电路及开关矩阵。

逻辑控制电路及开关矩阵都在16 张开关卡上，那么故障诊断围绕开关卡展开，首先找到不同网络中出现的相同被测点所在的开关卡，并将此开关卡插在第一块卡的位置上，将一根导线连接第一个被测点和其它开关卡上任意一点，用测试软件进行绝缘自检，移动第一块卡上的连接点，导线的另一端不动，发现当第一块卡上的连接点从第1 点逐渐变化到第64 点时，都会有两个故障点显示。连接第1 点时显示第1 和第65 点故障；连接第2 点时显示第2 和第66 点故障；连接第64 点时显示第64 点和第128 点故障；而当连接第65 点时，发现这时的测试结果是正常的，只有第65 点显示故障，依次连接第66 点，第67 点直到第128 点都是正常的。那么据此可以得出一个规律： 只要连接第1 点到64 点之间的点，那么其后的第64 点处的被测点也在绝缘自检后显示为故障点。

通过上述故障的观察，因为64 个被测点都出现故障，所以出现问题最大可能性是开关卡的逻辑控制电路。使用PCB 测试机应用程序的“两点间导通测试”功能，选取第1 点与第100 点做两点间导通测试，用示波器测试逻辑控制电路上的每个芯片引脚，发现74HC06 芯片的输入脚第一脚为低电平时，输出脚第二脚为高电平，而输入脚第一脚为高电平，第二脚仍为高电平（4.2V）。74HC06 是一个非门，那么由此可见此芯片已经失去了高电平反相功能。更换此开关卡上的74HC06 芯片，问题得到解决。

（3）原因分析。自学习时是采用两点间导通测试的方式将各被测点划分到不同的网络，两点间导通测试是打开两对开关进行测试的，其中一对开关是打开PNP 管，另一对是打开NPN 管。开关矩阵中的PNP 管和NPN 管分别由两组不同的逻辑控制电路来控制，图4 和图5 为PNP 管逻辑控制电路，NPN 管的逻辑控制电路和其类似，在此不再说明。

图4 PNP 管逻辑控制电路（一）

图5 PNP 管逻辑控制电路（二）

PNP 管逻辑控制电路中每个CD4051 芯片控制8 个PNP 管，共有16 个CD4051 芯片，所有CD4051 芯片的使能端受图5 中的电路控制，所以PNP 的逻辑控制电路是分层级控制的，在同一时刻只有一个PNP 管被打开。

图5 是PNP 管逻辑控制电路的第二部分，该电路是由一个非门和两个74LS138 芯片组成，共有16 个输出，每个输出控制一个CD4051 的使能端。在上图中的两片74LS138 是由74HC06 控制其使能端的，当74HC06 被损坏失去高电平反向功能时，其第二脚输出始终为高电平。当第二片74LS138 被使能时第一片74LS138 依然被使能，所以同一时刻会有两个PNP 管被打开，这就是上述故障现象产生的原因。

3 结论

PCB 测试机的结构比较复杂，涉及到的电子器件非常多，经常有电子器件质量不稳定给系统造成各种问题，产生的各种故障也比较难以排除，所以在对系统进行设计时不仅要重视其功能设计，系统的可靠性也是很重要，提高系统的可靠性不仅使产品质量可靠，而且在产品的研发调试阶段可以节省大量的时间。

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

[2] 夏宇闻.Verilog 数字系统设计教程[M].北京航空航天大学出版社，2003.