數字電路板自動測試與故障診斷初探

1、初探路板自動測試與故障診斷栗東曉（黃淮學院電子科學與工程系應用電子044班）摘要：本文介紹了數字電路板的自動測試與故障診斷需求，故障類型與產生的原因，故障診斷技術與設備簡介，自動測試與故障診斷平臺的設計，開發(fā)數字電路板的自動測試與故障診斷程序的主要步驟。關鍵詞：數字電路； 故障診斷； 自動測試； VXI總線一、 引言現代半導體集成電路的高速發(fā)展，同時也推動了電子應用技術的高速發(fā)展，數字電路板采用多種專用電子器件設計，其電路結構復雜、功能強大，電路板尺寸小、器件密度高、時鐘和數傳速度快等特點；這些特點使電子設備越來越復雜，增大了數字電路板的自動測試與故障診斷難度。武器裝備的電子設備必須進行維修，

2、維修的關鍵一步是對電子設備的電路板進行自動測試與故障診斷，并且要求故障隔離到元器件才能實現電路板的修復。傳統(tǒng)的儀器與儀表設備及測試手段與方法已不能滿足現代數字電路板的自動測試與故障診斷，適應現代數字電路板的故障檢測設備必須采用先進的自動測試與故障診斷設備和技術，這種設備就是自動測試設備（ATE/ATS），它是以計算機軟、硬件技術為核心，通過總線控制儀器的激勵與控制，實時、快速、精確地采集和處理數據信息，實現數字電路板的故障隔離到元器件。二、 測試與故障診斷需求針對××型號維修工程任務需要，以該型號數字電路板的設計特點與技術狀態(tài)為背景資料，提出研制自動測試與故障診斷系統(tǒng)（簡稱

3、系統(tǒng)），該系統(tǒng)是對××型號的電子設備（簡稱某設備）的基層級送來修理的電子外場可更換單元（LRU）進行維修的技術保障性設備，LRU主要是數字電路印制板（以下統(tǒng)稱PCB）。系統(tǒng)的主要任務是完成對某型號電子設備的PCB進行自動測試、故障檢測和分析、故障隔離到元器件，為維修PCB提供故障元器件的具體部位。該型號電子設備的PCB不僅數量和種類多而且電路結構和機械結構相當復雜， PCB尺寸及印制線路層多樣化，PCB所采用的元器件包含了小、中、大、超大規(guī)模的各式各樣的集成電路芯片，集成電路的外型尺寸和引線結構也具有多種標準和非標準。這種沒有經過技術規(guī)范的測試性設計的PCB，給自動測試與故

4、障診斷工作帶來了極大的困難。1. 維修測試a. 對送修的PCB測試，確認是否有故障；b. 檢測故障的PCB，故障隔離到元器件；c. 對已修復的PCB測試，確認是否已修復；d. 對PCB預防性維修的技術參數測試；e. 對正常工作的PCB測試，提取樣本數據。2. 其它目的測試a. 用于拉偏PCB的工作電源或某些技術參數，測定PCB穩(wěn)定工作范圍；b. 用于PCB設計驗證和調試的測試；c. 用于PCB生產檢驗的測試。3 .技術指標要求a. 故障檢測率：不小于98%；b. 故障隔離深度：元器件或組件；c. 故障隔離率：不小于95%；d. 虛警率：小于或等于2%；e. 自動測試與故障診斷一個單元電路（對單

5、元電路完成一次激勵與響應及分析時間）平均時間：小于1min；f. 定位到元器件或模塊的平均時間：小于20 min。三、 數字電路故障類型與產生的原因1 . 數字電路板的故障類型a. 故障類型: 故障類型分內部故障和外部故障兩種類型，內部故障是指發(fā)生在集成電路器件內部的故障，外部故障是指發(fā)生在電路器件連線之間的外部故障；b. 邏輯故障: 電路中某節(jié)點的邏輯值與規(guī)定的邏輯值相反，該故障為邏輯故障；c. 非邏輯故障: 除邏輯故障以外的所有故障都是非邏輯故障；d. 局部故障與分布故障: 故障對電路的影響范圍的大小可分為局部故障和分布故障；e. 永久性故障和暫時性故障: 按故障存在的持續(xù)時間來劃分，該故

6、障分為永久性故障和暫時性故障, 暫時性故障可重復測試性能差，電路工作不穩(wěn)定，檢測故障較困難； f. 固定故障: 電路中某節(jié)點的邏輯電平始終保持為固定電平，該故障為固定故障；g. 固定開路故障: 電路中某輸出端點始終保持高阻狀態(tài)，該故障為固定開路故障；h. 橋接故障： 橋接故障是由于某種外部原因造成的故障，在電路中兩根或多根信號線無意中搭接在一起所形成的短路故障； i. 集成電路的軟故障: 由于芯片的半導體質量、時鐘速度、驅動能力、抗干擾能力、熱穩(wěn)定性能、匹配能力等技術參數變壞造成的故障，該故障主要體現在電路工作不穩(wěn)定，時好時壞，通過改變PCB的工作電源或工作環(huán)境溫度進行檢查，一般可以確定故障發(fā)

7、生的部位； j. 集成電路的內部故障: 由于外部電路或外界環(huán)境因素造成的電路芯片內部的擊穿、I/O引線的開路或短路等永久性故障，該故障一般發(fā)生在集成電路的I/O端口。2 . 引起數字電路故障的原因a. 由設計質量因素引起的故障。如電源濾波、布線、時鐘速度配合、毛刺、競爭冒險等；b. 由制造、原材料質量及生產工藝等因素引起的故障。如精度、劣質器件、焊接等；c. 由工作環(huán)境條件或外部電路因素引起的故障。如溫度、濕度、強電、磁場、射線等。 四、 故障診斷設備與技術簡介現代電子技術高速發(fā)展，軍用武器裝備的電子設備板級維修測試技術也不斷得到發(fā)展，二十世紀60年代僅僅是應用簡單的數字測試儀，70年代是應用

8、總線仿真器固定電平測試，80年代是應用數字發(fā)生器實現靜態(tài)邏輯測試，90年代是應用動態(tài)性能數字測試系統(tǒng)實現動態(tài)模擬仿真測試，這也是目前普遍采用的方法。1 . 故障診斷設備與檢測方法應用于維修系統(tǒng)的故障診斷設備與檢測方法概述如下：a. 傳統(tǒng)測試：用萬用表、脈沖信號源、示波器等傳統(tǒng)測試儀器組成專用測試設備；配置專用測試工作臺、測試接口；操作者利用電路圖，調試細則，人工檢測；該設備與方法適用于所有PCB的人工故障檢測，但不適宜軍用PCB的集中自動測試與故障檢測。b. 在線測試：用專用在線測試儀器；配置通用測試工作臺、通用測試夾具；利用事先建立的樣本數據；人工故障檢測；適用于民用PCB的故障檢測，不適宜

9、軍用PCB的維修測試。c. 針床或飛針測試：用針床或飛針專用測試設備；PCB裸板的短路或斷路測試；自動測試與故障檢測；適用于PCB裸板生產或大批量PCB的生產質量檢驗測試。d. 射線測試：用專用射線測試設備；適用于PCB與器件內部的物理故障檢測。e. 自動測試系統(tǒng)或設備（ATS/ATE）：用計算機、測控儀器組成的自動測試系統(tǒng)；配置通用測試接口、專用適配器、專用測試程序；自動/半自動仿真測試；適用于軍用維修工程的PCB 故障檢測。2 . 自動測試工作原理ATS通過計算機執(zhí)行測試程序，控制測控儀器模擬PCB在實際工作環(huán)境的條件下，通過PCB邊沿插腳加入激勵（邏輯信號、狀態(tài)信號、電壓信號等）信號，同

10、時通過PCB邊沿插腳接收響應信號并進行分析和處理，驗證輸入與輸出功能是否符合要求。五、 自動測試與故障診斷平臺的設計1 . 自動測試平臺的設計原則與思想根據某設備是現代先進的和復雜的電子設備，該設備所應用PCB的數量、種類、復雜性和維修的環(huán)境條件，有限的經費能配置的測試設備，能達到的測量精度，國內維修技術發(fā)展的現狀和趨勢，維修技術的實現和技術的可持續(xù)性，效費比高的現實與特點，確定以下設計思想與設計原則：a. 技術指標要求：滿足某設備維修任務；b. 實用性和通用性：測試平臺能覆蓋某設備PCB的測試任務并具備通用性， c. 先進性：要達到或接近目前國內通用的ATS水平； d. 簡單性：在滿足功能要

11、求，軟、硬件設計，以及操作、使用和維修簡單，容易編程和開發(fā)，具備自檢測試功能；e. 標準化、技術成熟性：采用標準化的測控儀器、有關產品、接口（VXI、IEEE488）、機柜。采用標準的軟、硬件設計技術規(guī)范，測試系統(tǒng)易于集成，程序易于生成和開發(fā)，有充足的技術保障，有持續(xù)技術和產品升級的支持；f. 擴展性：系統(tǒng)軟、硬件設計采用嵌入式和開放式的結構設計，隨著故障診斷技術的發(fā)展，測試要求的變化，ATS硬件和軟件易于擴展和升級更新，能夠擴展更多功能，能夠適應被測單元的改變； g. 其它問題：可靠性高，維修性好，電磁兼容性好，費比高等。實現 平臺的硬件設計 2 . 平臺的硬件設計 平臺硬件如圖1所示。平臺

12、采用了嵌入式計算機總線控制方式。平臺硬件由以下設備組成：HPE8408A，VXI總線，C尺寸，4插槽機箱；嵌入式計算機； SR192 VXI總線數字測試系統(tǒng)；AT8000A可編程直流電源；測試適配接口等。SR192數字測試系統(tǒng)提供平臺的激勵、測量、通道切換；計算機是平臺的核心，完成平臺自檢、測試流程和數據采集及數據處理等功能。 嵌入式計算機HPE9851A嵌入式計算機是美國Agilent 公司產品，其特點如下：C尺寸，2個 VXI總線插槽； Pentium-, CPU時鐘：700MHz；硬盤：6GB；內存容量：128MB；軟盤驅動器：1.44 MB (3.5")；標準接口： SCSI

13、-3（APG）接口，2個RS232串行口，1個并行口， 2個USB接口，IEEE488，SVGA接口，10/100 Base Ethernet接口；支持多種分辯率的外接顯示器等。 數字測試系統(tǒng)SR192數字測試系統(tǒng)是美國talon 公司產品，其特點如下： C尺寸，2個 VXI總線插槽；雙向數字IO，192通道；每通道128K存儲深度；可編程時鐘源，最大可達50MHz時鐘速率；輸入通道電壓為-5V+7V；智能(Wizard)探頭或自動智能探針裝置等。5.3 平臺的軟件設計3. 基本要求系統(tǒng)軟件，集成軟件，測試應用軟件，要求軟件設計與程序編寫要符合VISA規(guī)范，采用標準化，模塊化設計，保證軟件的易

14、用性、實時性、通用性、可移植性、可維護性、可測試性、可擴展性、可靠性、全中文化視窗操作界面以及人機界面自然美觀等特點。SR192數字測試系統(tǒng)VXI plug& play 驅動軟件與WIN95、WIN98、WIN NT兼容，驅動軟件包括交互式的界面，用戶可以應用SR192的所有功能。SR192數字測試系統(tǒng)的支持軟件包括開發(fā)系統(tǒng)、仿真輸入工具（IEEEP1445）、測試應用開發(fā)、故障隔離工具、自動探針等軟件。4. 主程序流程 主程序執(zhí)行簡化流程如圖2所示。安全保證檢查：進入測試程序前進行必須的安全檢查，確保被測PCB，適配接口，測試程序準確無誤，保證設備的安全；N+1項測試、初始條件：我們

15、把PCB分為N項測試，每一項測試作為一組激勵，每一項測試的輸出作為一組向應；測試、故障分析、過程提示：在測試PCB虛擬儀器面板上提示測試進程或測試結果，報告測試與綜合分析結果。六、 開發(fā)PCB的自動測試與故障診斷程序的主要步驟1 熟悉測試平臺a. 熟悉測試平臺的測試規(guī)則和所具備的測試功能；b. 熟悉測試平臺的技術條件和技術指標；c. 熟悉測試平臺的軟件環(huán)境和應用開發(fā)軟件功能；d. 熟悉測試平臺配置儀器的用途、操作條件和測試功能；e. 熟悉測試平臺的物理接口和接口的信號特性。2 熟悉被測對象（PCB）的技術狀態(tài)a. 熟悉被測PCB的工作原理與組成，具備原理圖；b. 熟悉被測PCB的物理結構和元器

16、件布局圖，具備PCB的網絡表；c. 熟悉被測PCB的元器件應用情況；d. 熟悉被測PCB的技術條件和使用規(guī)則；e. 熟悉被測PCB的調試細則。3 編程的基本條件和程序設計a. 分析被測PCB的電路結構，對復雜電路結構進行分解，建立相對獨立的模塊；b. 分析電路模塊的各種特性，建立故障模型和故障數據庫；c. 通過實驗或測試，掌握被測PCB的性能，靜態(tài)參數，動態(tài)特性等技術參數，建立樣本數據庫；d. 確定測試內容，測試項目和測試流程；e. 確定激勵與響應關系，建立測試集；f. 確定測試方法和故障診斷類型及分析方法；g. 提出測試技術要求，確定技術指標；h. 對被測PCB進行程序設計； i. 可以應用

17、軟件仿真自動生成測試程序。4 被測PCB與測試平臺的接口設計 了解了測試平臺的物理接口和信號特性，明確了被測PCB的邊沿接插件插針所需要的信號特性，設計被測PCB的專用測試接口，接口設計力求簡單、合理。5 調試及投入使用被測PCB同專用測試接口連接，專用測試接口同VPC接口連接，這樣就完成了被測PCB同測試平臺的電氣連接，測試平臺加電，調用被測PCB的測試程序進行調試。通過調試、運行、綜合測試及總體評估是否達到設計目標，達到設計目標則可以進行軟件打包，注冊登記，建立檔案，投入使用，否則進行修改或重新設計。七、 結論現代武器裝備的電子設備采用數字化技術越來越高，其數字電路板的數量占有相當比例，數字電路板的專用性和特殊性相當強，使用時間周期長，更新換代相當困難，電路板一旦發(fā)生故障必須進行修理，以確保戰(zhàn)備的完好性。該系統(tǒng)是以某型號數字電路板的設計特點與技術狀態(tài)為背景題材，