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。
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：
（1）低频部分。本部分主要采集的是电源信号和电平变换信号，采用AD7864 作为采集芯片。AD7864 具有片内时钟、读写允许逻辑、多种通道选择方式以及内部精确的2。5 V 参考电压，这使得其与高速处理器的接口变得非常简单。AD7864 转换后的数据读取采用转换后读取数据的方式，其读取时序见图3。
采集到的数据为D3～D11 共12 位，需根据采集到的数据来计算电压值，计算公式如下：
当D11 位为3 时，电压为正值，计算公式为：
当D11 位为1 时，电压为负值，计算公式为：
以上两式中D 为读取的12 位数据，ＦＳＲ 为AD7864 的测量范围，本例中为23 V（测量范围为V）。
（2）高频部分。主要是对脉冲数字信号的采集，包括频率测量和信号采集两个部分。脉冲数字信号的频率是确定电路板是否工作正常的重要参数，因此确定脉冲信号的频率是否正常是本测试系统的必要工作。本系统是将待测信号接入FPGA 与53MHz 的高精度时钟同时开始计数，一段时间后，通过两个信号的计数值来计算脉冲信号频率的。信号采集是以AT84AD331 作为采集芯片。AT84AD331 与EP2S63 的连接见图4。
AT84AD331 可以配置成I 路和Q 路单独使用，此时可以同时采集两路信号，最高采样率为1 Gｓ/ｓ；也可以配置成Ｉ 和Ｑ 路的交错采样，此时只能采集1 路信号，等效采样率为2 Gｓ/ｓ，使用时可以根据需要对该芯片进行在线配置。FPGA 对AT84AD331数据读取时序见图5。