电路板故障检测系统设计

电路板故障检测系统设计

罗兴东

江苏金陵机械制造总厂

摘要：随着微电子技术的高速发展，以射频芯片和数字芯片为核心的微系统被广泛应用，电路板集成度越来越高。该系统综合了电路板VI曲线、电路可测试性设计和基于电路功能的测试方法，并探讨建立完善的专家知识库。

关键词：故障检测；可测试性设计；专家知识库

1  电路板检测系统设计

1.1  检测系统硬件构成

根据测试产品的需求，检测系统由计算机、程控电源、VXI控制设备、资源控制板、数字通道I/O、模拟通道I/O、探头控制器、电路板适配器、软件系统和测试辅助工装组成。检测系统硬件组成框图见图1。

1.1.1  可扩展性

在选用VXI机箱时，需考虑检测系统的可扩展性，要留一定的余量。比如C尺寸13槽的VXI机箱，这样除去VXI控制设备和资源控制板，可剩余11槽用于数字和模拟通道。如果每个插槽能设计64个独立通道，11槽最多可达704个独立的双向IO。这样对于常规电路板的检测都应能满足。

1.1.2  测试速率

在设计数字通道时，应考虑系统的测试速率是否满足电路板测试的要求。还应考虑兼容TTL/CMOS/ECL等电平的检测。系统在动态测试时，要满足复杂时序电路的测试需求。

1.1.3  电源选择

一般电路板的供电电源为±5V/±12V/±15V等。在选用程控电源时，可考虑多路程控电源，每路独立电源在（0～30）V之间可调，通过电源输出正负极反接，可以产生负极性电平。选用8路程控电源，基本可应对大多数电路板的测试需求。

1.1.4  适配器设计

在设计电路板适配器时，可充分利用矩阵开关的灵活性。相同接口的电路板，只需要使用一个适配器，通过切换矩阵开关就能变换输入和输出信号，实现适配器的通用性。

1.1.5  电磁兼容性

要注意系统的电磁兼容性。隔离模拟地和数字地，防止模拟信号干扰通过地线串入数字电路。同时，还应做好电缆导线的屏蔽，避免相互间的干扰和外界的干扰。

1.2  软件系统设计

软件系统中各功能模块的设计主要基于两种测试方法：VI曲线（伏安特性曲线）测试方法、基于电路功能的测试方法和基于最优测试集的测试方法。检测系统软件按其实现的功能划分为测试资源模块、数据库、专家知识库和故障清单四个模块。检测系统的软件框图见图2。

1.2.1  测试资源模块

测试资源模块主要是在数据库模块的引导下，按设置的顺序对电路板进行测试，并记录数据。数据分类包括电平类型、周期信号的脉冲描述和时序电路中的时序特性。测试资源模块包括管脚VI曲线测试、管脚功能测试、手动VI曲线测试、手动功能测试和元器件离线测试。另外测试资源编辑器按被测电路板的管脚定义，为被测电路板分配电源信号和激励信号。

1.2.2  数据库

数据库主要负责测试数据的记录。基于功能完好电路板的测试数据可以作为参考，来对比检测故障电路板的数据。数据库主要包括电路板VI曲线库、电路功能数据库、电路板管脚文件、电路图文件和元器件数据库。另外数据库编辑器可完成各库文件的编辑。

1.2.3  专家知识库

专家知识库主要是记录了典型故障的测试数据和对应的故障元器件。如果记录的典型故障足够的丰富，就可以对故障电路板的检测形成有效的指导。将故障电路板的测试数据在专家知识库中查找比对，灵活运用排除法和比较法，就能得出可能的故障结果。如果本次故障并没有记录，那么可以通过知识库编辑器进行添加完善。

1.2.4  故障清单

故障清单主要完成故障结果的记录和显示。可以将故障元器件文字显示，或更直观的在电路图中显示。按电路常见的故障模式分类：固定型故障、固定开路故障、固定短路故障、桥接故障、间歇性故障和时滞故障。

固定型故障：电路中某节点的电压值固定在某一电平上，则为固定电平故障；若节点的电压值固定为零，则为固定零故障。

固定开路故障：电路中CMOS门电路的输出端处于高阻状态，或电阻器、电容器和晶体管等元器件处于开路状态，则为固定开路故障。

固定短路故障：电路中某些元器件故障产生短路状态，则为固定短路状态。

桥接故障：电路中输入输出信号线搭接在一起引起的故障，称为桥接故障。

间歇性故障：可重复出现的非固定型故障称为间歇性故障。引起该故障的原因可能是元器件参数的变化、接插件的不可靠、焊点虚焊或测试环境等因素。

时滞故障：在时序逻辑电路中，某些元器件的时延变化，导致脉冲信号边沿参数发生变化，会导致时滞故障。

1.3  检测系统的测试方法

针对电路板的修理，检测系统可进行电路板VI曲线测试、基于电路板功能的测试和元器件的离线测试。电路板VI曲线测试其实就是检测电路板接口和电路中某些节点的伏安特性曲线；基于电路板功能的测试主要是根据被测电路板能实现的各种功能，给予不同的测试激励信号，同时充分利用电路板的可测试性设计，减少测试激励信号的测试集；元器件的离线测试主要是针对集成电路，利用集成电路的自检测试功能，完成元器件的离线检测。

1.3.1  最优测试集的选择

在对电路板进行检测时，需要在电路板接口处输入合适的激励信号组合，并测量其输出信号。假设某数字电路板有M个输入管脚，N个输出管脚。电路板N个输出管脚的结果与M个输入信号都相关，那么完整测试集内包含2M个组合。如果输入管脚M=20，那么要遍历测试每一种组合的话，将要测试4096次。这对于修理检测来说是不允许的，会极大的浪费测试资源。

1.3.2  故障排除的策略

在实际电路板检测时，测量被测电路板的实时特征，将被测电路板的特征测量值与专家知识库进行比较，就可以从专家知识库中查出对应的故障。另外，可以根据电路板输出信号功能的不同，将互不关联的输出信号分类。某一类输出信号对应若干个输入信号，从输入到输出关联的电路称为电路板中的一个pattern，不同的pattern之间可能存在交联。只要测到其中某一个pattern的输出结果正确，就可以将该pattern包含的元器件标识为合格，逐步缩小故障的范围。

2  结语

本文探讨的检测系统主要是为电路板检测提供了硬件平台和软件平台的基础，可以将平时的一些修理经验按故障模式分类，并逐步建立被测电路板的专家知识库。在以后的修理中，应逐步引入先进的测试技术和策略，并研制相应的工程样机，提高电路板的修理水平。

参考文献

[1] 黄玲，田书林.含有微处理器的电路板故障方法研究及实现[D].成都：成都电子科技大学，2010.

[2] 康占成.模拟电路故障诊断方法浅析[D].山西：山西大学物理电子工程学院，2007.

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