PCB測(cè)試機(jī)的基本測(cè)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(zhǎng)沙 410126）

PCB測(cè)試機(jī)的基本測(cè)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(zhǎng)沙 410126）

文章首先介紹PCB測(cè)試機(jī)系統(tǒng)組成，根據(jù)PCB測(cè)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(duì)不同的檢測(cè)要求，采用不同的測(cè)試方法，有兩點(diǎn)間導(dǎo)通測(cè)試，兩點(diǎn)間絕緣測(cè)試，及多點(diǎn)絕緣測(cè)試。測(cè)出被測(cè)點(diǎn)間是導(dǎo)通或者絕緣。

PCB測(cè)試機(jī)；FPGA；導(dǎo)通測(cè)試；絕緣測(cè)試

PCB測(cè)試機(jī)是用來(lái)檢測(cè)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(guò)一定的測(cè)試電壓能高速，準(zhǔn)確地檢測(cè)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(cè)領(lǐng)域中不可或缺的理想工具。本文從PCB測(cè)試機(jī)的系統(tǒng)組成入手，介紹PCB測(cè)試機(jī)的基本測(cè)試原理與方法。

1 系統(tǒng)組成

目前市場(chǎng)上的PCB測(cè)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(cè)試算法完全由PC機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這不僅使測(cè)試軟件復(fù)雜，而且執(zhí)行速度也受到影響。對(duì)于邏輯控制電路而言，其電路也是過(guò)于復(fù)雜，而且可靠性低。文章針對(duì)這些問(wèn)題提出了采用FPGA作為核心控制器，使PCB測(cè)試機(jī)測(cè)試算法在FPGA上實(shí)現(xiàn)的方案，這種方案不僅使測(cè)試軟件大大簡(jiǎn)化，邏輯控制電路變得簡(jiǎn)單，而且還提高了測(cè)試速度。由于FPGA有可重構(gòu)特性，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，便于升級(jí)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(cè)試算法都基于它來(lái)實(shí)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(lái)控制。同時(shí)，它還負(fù)責(zé)與上位機(jī)PC104進(jìn)行通訊，接收PC104發(fā)送來(lái)的控制命令并向PC104反饋測(cè)試結(jié)果。PC104是結(jié)構(gòu)緊湊的嵌入式計(jì)算機(jī)，它提供人機(jī)交互的平臺(tái)，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(cè)試機(jī)的應(yīng)用程序在其上運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)和FPGA的通信。上圖的開(kāi)關(guān)矩陣是由PNP和NPN三級(jí)管組成（兩種三極管的耐壓均在300V以上），一個(gè)PNP和一個(gè)NPN三級(jí)管組成一對(duì)開(kāi)關(guān)，整個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣一共有2048對(duì)，2048對(duì)開(kāi)關(guān)分布在16張開(kāi)關(guān)卡上。任意兩對(duì)的PNP和NPN三級(jí)管之間都可以構(gòu)成回路，每對(duì)三極管的集電極是聯(lián)在一起的，形成一個(gè)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(lái)，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(cè)電路板上的被測(cè)點(diǎn)的分布情況保持一致，即每個(gè)鋼針對(duì)應(yīng)一個(gè)被測(cè)點(diǎn)。夾具是固定在機(jī)械裝置上面的，在測(cè)試時(shí)機(jī)械裝置上的氣缸推動(dòng)針床運(yùn)動(dòng)，使針床和被測(cè)電路板緊密接觸，從而使鋼針和被測(cè)點(diǎn)接觸，如圖2所示。

圖2 開(kāi)關(guān)矩陣與測(cè)試點(diǎn)的連接圖

在系統(tǒng)組成框圖中邏輯控制電路直接控制開(kāi)關(guān)矩陣，而邏輯控制電路又由FPGA來(lái)控制，它是連接FPGA和開(kāi)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(shí)刻只有一個(gè)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(gè)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(gè)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(cè)試電壓產(chǎn)生與控制電路是測(cè)試產(chǎn)生及控制的電路。系統(tǒng)的測(cè)試為50V、100V、150V、200V、和250V，共五個(gè)等級(jí)，供絕緣測(cè)試使用。電壓產(chǎn)生與控制電路受FPGA的控制，測(cè)試時(shí)根據(jù)不同的電壓要求產(chǎn)生不同等級(jí)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(cè)試電流比較電路等是輔助電路，它們的電路組成比較簡(jiǎn)單，功能比較單一，在此不再一一介紹。

2 測(cè)試原理及方法

PCB測(cè)試機(jī)的基本原理是歐姆定理，其測(cè)試方法是將被測(cè)點(diǎn)間加一定的測(cè)試電壓，F(xiàn)PGA按照一定的測(cè)試算法來(lái)控制邏輯控制電路，從而選中PCB板上被測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)，將開(kāi)關(guān)中的NPN、或者PNP三極管打開(kāi)進(jìn)行測(cè)試，獲得被測(cè)點(diǎn)間電阻值對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)后，通過(guò)電壓比較電路，測(cè)出被測(cè)點(diǎn)間是導(dǎo)通或者絕緣。

測(cè)試設(shè)備首要條件是測(cè)試工具本身的準(zhǔn)確性和可靠性。在對(duì)PCB進(jìn)行測(cè)試前必須對(duì)測(cè)試機(jī)進(jìn)行自檢，以判斷測(cè)試機(jī)自身是否存在問(wèn)題，測(cè)試機(jī)自檢包括導(dǎo)通自檢、閉鎖自檢、絕緣自檢、PNP開(kāi)關(guān)自檢、NPN開(kāi)關(guān)自檢。這些自檢是從各不同的方面來(lái)保證測(cè)試機(jī)在進(jìn)行各種測(cè)試時(shí)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(kāi)關(guān)矩陣上的2048對(duì)三極管是否導(dǎo)通性能良好，對(duì)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(huì)迅速故障定位，顯示該三極管的編號(hào)。

（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(diǎn)絕緣測(cè)試時(shí)可以同是打開(kāi)多個(gè)NPN三極管，導(dǎo)通自檢全部通過(guò)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(cuò)誤。

（3）絕緣自檢，PNP開(kāi)關(guān)自檢，NPN開(kāi)關(guān)自檢的目的是保證在進(jìn)行多點(diǎn)絕緣測(cè)試，及兩點(diǎn)間絕緣測(cè)試前，系統(tǒng)自身性能完好，沒(méi)有漏電故障，同時(shí)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(kāi)關(guān)矩陣上損壞的三極管。其中絕緣自檢是檢查在2048對(duì)三級(jí)管間是否有不絕緣的故障；PNP開(kāi)關(guān)自檢和NPN開(kāi)關(guān)自檢是檢查開(kāi)關(guān)矩陣上PNP三極管和NPN三極管在關(guān)閉時(shí)，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(huì)使測(cè)試不準(zhǔn)確。

自檢完成后，已確保PCB測(cè)試機(jī)性能良好時(shí)，接下來(lái)開(kāi)始進(jìn)行自學(xué)習(xí)。自學(xué)習(xí)是測(cè)試機(jī)對(duì)待測(cè)板進(jìn)行測(cè)試前的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。對(duì)被測(cè)PCB進(jìn)行測(cè)試時(shí)，首先要得到被測(cè)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(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)獲取的方法之一就是通過(guò)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(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。以圖3為例說(shuō)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(méi)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(diǎn)劃分到各不同的網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)這種方式得到的網(wǎng)絡(luò)稱為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，在對(duì)PCB進(jìn)行測(cè)試時(shí)按照此標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)被測(cè)PCB進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，自學(xué)習(xí)是PCB測(cè)試的基礎(chǔ)和前提。

圖3 網(wǎng)絡(luò)劃分

PCB測(cè)試主要檢測(cè)PCB上各點(diǎn)間導(dǎo)通和絕緣性能，針對(duì)不同的檢測(cè)要求，要采用不同的測(cè)試方法，用于測(cè)試的方法有：兩點(diǎn)間導(dǎo)通測(cè)試，兩點(diǎn)間絕緣測(cè)試，及多點(diǎn)絕緣測(cè)試。這幾種測(cè)試不是相互獨(dú)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(diǎn)間導(dǎo)通測(cè)試，如果網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有不導(dǎo)通的被測(cè)點(diǎn)存在，則將此網(wǎng)絡(luò)劃分為兩個(gè)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(diǎn)絕緣測(cè)試，在執(zhí)行完此測(cè)試后，如果結(jié)果為不絕緣，則進(jìn)行兩點(diǎn)間絕緣測(cè)試，找到不絕緣的測(cè)試點(diǎn)。多點(diǎn)絕緣測(cè)試是為了提高測(cè)試速度的一種測(cè)試方法，因?yàn)閮牲c(diǎn)間絕緣測(cè)試每次只能兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行一次測(cè)試，這樣必然造成測(cè)試速度低，而多點(diǎn)絕緣測(cè)試是多個(gè)點(diǎn)同時(shí)測(cè)，這樣就節(jié)省了大量的測(cè)試時(shí)間，但這種測(cè)試方法的缺點(diǎn)是：多點(diǎn)同時(shí)測(cè)就相當(dāng)于多個(gè)被測(cè)點(diǎn)間的電阻并聯(lián)，造成比實(shí)際電阻小的多，從而可能測(cè)試結(jié)果為不絕緣，然后再對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行兩點(diǎn)間絕緣測(cè)試，這樣會(huì)比直接進(jìn)行兩點(diǎn)間絕緣測(cè)試所開(kāi)銷的時(shí)間更多。不過(guò)一般情況下采用多點(diǎn)絕緣測(cè)試比直接進(jìn)行兩點(diǎn)間絕緣測(cè)試所開(kāi)銷的時(shí)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(cè)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(cè)儀的設(shè)計(jì)[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。