PCB測試機的基本測試原理與方法

熊霞

（湖南生物機電職業技術學院，湖南 長沙 410126）

PCB測試機的基本測試原理與方法

熊霞

（湖南生物機電職業技術學院，湖南 長沙 410126）

文章首先介紹PCB測試機系統組成，根據PCB測試機的基本原理即歐姆定理，采用先自檢，再自學習，最后針對不同的檢測要求，采用不同的測試方法，有兩點間導通測試，兩點間絕緣測試，及多點絕緣測試。測出被測點間是導通或者絕緣。

PCB測試機；FPGA；導通測試；絕緣測試

PCB測試機是用來檢測PCB光板電氣特性（文中所提的PCB均指PCB光板），判斷質量好壞的專用設備，它通過一定的測試電壓能高速，準確地檢測PCB的導通及絕緣性能，它用于電子產品生產企業的前端工序和PCB生產企業的末端工序，是PCB檢測領域中不可或缺的理想工具。本文從PCB測試機的系統組成入手，介紹PCB測試機的基本測試原理與方法。

1 系統組成

目前市場上的PCB測試機常常采用PC機和相應的邏輯控制電路組成，其中測試算法完全由PC機來實現，這不僅使測試軟件復雜，而且執行速度也受到影響。對于邏輯控制電路而言，其電路也是過于復雜，而且可靠性低。文章針對這些問題提出了采用FPGA作為核心控制器，使PCB測試機測試算法在FPGA上實現的方案，這種方案不僅使測試軟件大大簡化，邏輯控制電路變得簡單，而且還提高了測試速度。由于FPGA有可重構特性，因此系統設計靈活，便于升級換代。系統組成框圖如圖1所示。

圖 1系統組成框圖

在系統中FPGA處于核心地位，所有的測試算法都基于它來實現,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控制。同時，它還負責與上位機PC104進行通訊，接收PC104發送來的控制命令并向PC104反饋測試結果。PC104是結構緊湊的嵌入式計算機，它提供人機交互的平臺，所有的命令發送以及結果顯示都由其完成，它是系統最上層的“指揮者”,PCB測試機的應用程序在其上運行，并實現和FPGA的通信。上圖的開關矩陣是由PNP和NPN三級管組成（兩種三極管的耐壓均在300V以上），一個PNP和一個NPN三級管組成一對開關，整個開關矩陣一共有2048對，2048對開關分布在16張開關卡上。任意兩對的PNP和NPN三級管之間都可以構成回路，每對三極管的集電極是聯在一起的，形成一個公共端，由一根導線將此公共端和夾具上的帶有彈簧的鋼針連接起來，鋼針是固定在夾具上的，這種夾具也稱為針床，這些鋼針和被測電路板上的被測點的分布情況保持一致，即每個鋼針對應一個被測點。夾具是固定在機械裝置上面的，在測試時機械裝置上的氣缸推動針床運動，使針床和被測電路板緊密接觸，從而使鋼針和被測點接觸，如圖2所示。

圖2 開關矩陣與測試點的連接圖

在系統組成框圖中邏輯控制電路直接控制開關矩陣，而邏輯控制電路又由FPGA來控制，它是連接FPGA和開關矩陣的“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刻只有一個PNP管可被操作，其余PNP管全部關閉；而NPN管邏輯控制電路具有四種控制模式：模式一為狀態鎖存模式，在此模式下只有一個NPN管可被操作，其余NPN管狀態均保持不變；模式二為狀態保持模式，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NPN管可被操作，其余NPN管都處于關閉狀態；模式四為清零模式，所有NPN管處于關閉狀態。

在系統組成框圖中，測試電壓產生與控制電路是測試產生及控制的電路。系統的測試為50V、100V、150V、200V、和250V，共五個等級，供絕緣測試使用。電壓產生與控制電路受FPGA的控制，測試時根據不同的電壓要求產生不同等級的電壓。

以上介紹的是系統組成的主要部分，系統中的參考電壓控制電路、電壓比較電路，測試電流比較電路等是輔助電路，它們的電路組成比較簡單，功能比較單一，在此不再一一介紹。

2 測試原理及方法

PCB測試機的基本原理是歐姆定理，其測試方法是將被測點間加一定的測試電壓，FPGA按照一定的測試算法來控制邏輯控制電路，從而選中PCB板上被測點對應的開關，將開關中的NPN、或者PNP三極管打開進行測試，獲得被測點間電阻值對應的電壓信號后，通過電壓比較電路，測出被測點間是導通或者絕緣。

測試設備首要條件是測試工具本身的準確性和可靠性。在對PCB進行測試前必須對測試機進行自檢，以判斷測試機自身是否存在問題，測試機自檢包括導通自檢、閉鎖自檢、絕緣自檢、PNP開關自檢、NPN開關自檢。這些自檢是從各不同的方面來保證測試機在進行各種測試時是準確可靠。下面分別介紹各自檢的作用：

（1）導通自檢是檢查開關矩陣上的2048對三極管是否導通性能良好，對這些三極管進行全面掃描，如有不導通的三極管存在，會迅速故障定位，顯示該三極管的編號。

（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，它主要是確保多點絕緣測試時可以同是打開多個NPN三極管，導通自檢全部通過是進行閉鎖自檢的前提，否則，閉鎖自檢的結果可能產生錯誤。

（3）絕緣自檢，PNP開關自檢，NPN開關自檢的目的是保證在進行多點絕緣測試，及兩點間絕緣測試前，系統自身性能完好，沒有漏電故障，同時這三種自檢也是快速查找系統故障的有效手段，可以迅速查找開關矩陣上損壞的三極管。其中絕緣自檢是檢查在2048對三級管間是否有不絕緣的故障；PNP開關自檢和NPN開關自檢是檢查開關矩陣上PNP三極管和NPN三極管在關閉時，在作用下是否有漏電流產生，如有較大漏電流產生則會使測試不準確。

自檢完成后，已確保PCB測試機性能良好時，接下來開始進行自學習。自學習是測試機對待測板進行測試前的一個重要環節。對被測PCB進行測試時，首先要得到被測PCB的標準網絡，然后以此標準網絡進行測試。標準網絡獲取的方法之一就是通過自學習獲取。所謂自學習就是在一塊標準的PCB上找出各被測點所對應的網絡。以圖3為例說明，A和B由導線連接，它們是相互導通的，C、D和E由另一根導線連接，它們之間也是相互導通的，而且A、B和C、D、E間沒有任何電氣連接，他們之間是相互絕緣的，所以定義A、B是屬于網絡1，C、D、E屬于網絡2，按照這種劃分網絡的方式將標準PCB上所有點劃分到各不同的網絡中，通過這種方式得到的網絡稱為標準網絡，在對PCB進行測試時按照此標準網絡對被測PCB進行網絡劃分，自學習是PCB測試的基礎和前提。

圖3 網絡劃分

PCB測試主要檢測PCB上各點間導通和絕緣性能，針對不同的檢測要求，要采用不同的測試方法，用于測試的方法有：兩點間導通測試，兩點間絕緣測試，及多點絕緣測試。這幾種測試不是相互獨立的，它們之間是相互關聯的，并且它們之間有嚴格的先后關系，即首先按照自學習得到的標準網絡執行兩點間導通測試，如果網絡內有不導通的被測點存在，則將此網絡劃分為兩個以上的網絡，得到新的網絡關系；再按照新的網絡關系進行多點絕緣測試，在執行完此測試后，如果結果為不絕緣，則進行兩點間絕緣測試，找到不絕緣的測試點。多點絕緣測試是為了提高測試速度的一種測試方法，因為兩點間絕緣測試每次只能兩個點進行一次測試，這樣必然造成測試速度低，而多點絕緣測試是多個點同時測，這樣就節省了大量的測試時間，但這種測試方法的缺點是：多點同時測就相當于多個被測點間的電阻并聯，造成比實際電阻小的多，從而可能測試結果為不絕緣，然后再對這些點進行兩點間絕緣測試，這樣會比直接進行兩點間絕緣測試所開銷的時間更多。不過一般情況下采用多點絕緣測試比直接進行兩點間絕緣測試所開銷的時間還是要短的多。

[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裸板測試系統的基本原理和現狀[J].電子工藝技術，1992，（5）.

[3]王秋成，俞浙清．印刷電路板電腦檢測儀的設計[J].機電工程，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，主要從事網絡化制造和數控技術的教學與研究工作。