印制板故障诊断系统的设计

    摘要：一套基于过驱动技术的印制板故障诊断系统的设计。该系统由工控计算机、过驱动功能板和测试针床板等组成。过驱动功能板的设计充分考虑了被测对象的各种故障模型，测试功能比较完备。提出了元件“级”的概念，基于此概念来设计针床板与功能板之间的接口，实现了测试策略的优化。

数字设备故障自动测试与诊断的研究随着数字设备的发展而不断发展。传统的数字设备故障诊断技术是利用半导体器件允许瞬态过载的特性，采用过驱动技术在线隔离和测试器件；随后相继出现了红外测试技术和新一代的非向量测试技术，如电容耦合技术、射频磁场感应技术、模拟结效应测试技术等。目前国内外开发的通用印制板故障诊断仪比较多，功能也比较强。

    针对不同的测试对象和测试要求，各种故障诊断手段各具自己的优势。目前市场上存在的数字设备故障诊断系统对于特定的测试对象和要求也存在一定的局限性。本文根据被测对象的特点，设计了一套基于传统的过驱动技术的印制板电路故障诊断系统。该系统包括工控计算机、过驱动功能板、测试针床板以及被测电路板。设计的核心是过驱动功能板测试针床板。

1 系统总体设计

本系统诊断的对象是一套数字设备，该设备由多块以TTL器件为主的数字电路印制板组成。本系统对出现故障的诊断对象进行器件故障诊断和维修，因此被测对象不存在器件插错方向的故障。系统可能的故障模型主要有：①器件功能故障；②电路板发生桥接故障；③电源与地的绝缘电阻过小或短路。另外，要求该系统具有较小的体积和较轻的重量。

系统的结构框图如图1所示。该系统主要由微机、液晶显示屏、操作按钮、过驱动电源、过驱动功能板和测试针床板组成。为了减小系统的体积和重量，采用工控机系统平台和液晶显示屏；为了方便操作，采用设置一定的功能键代替键盘；为了减少过驱动对操作平台的干扰，过驱动功能板采用独立的电源。测试时测试针床通过探针与被测印制板的所有网络节点可靠接触。由于该系统的测试针床板和安装测试针床板的模具要求很高的机械加工精度，必须采用精密加机床进行加工。

2 系统硬件实现

2.1 过驱动功能板的设计

印制板最致命的故障是电源与地的短路（对印制板盲目地通电很容易烧毁器件和电路板）。过驱动功能板设计了在印制板不加电的条件下测试电源与地之间的阻抗的电路，电路原理如图2所示。

当印制板电源与地之间的阻抗过小或者短路时，发光二极管灯亮。

由于印制电路板的桥接故障改变电路的拓扑结构，应用传统的向量测试生成技术诊断起来比较困难。应用在线测试的方法，即在被测印制板不加电的情况下测试所有网络节点之间的阻抗，则可以较好地诊断整个电路中发生的桥接故障。电路原理如图3所示。

任意两个网络节点通过地址开关的选通接入采样电路，采样电路利用分压的原理测量a、b之间的电阻。

过驱动功能板插接在计算机的ISA总线插槽上。由于过驱动瞬时加入时，电源的负载会突然增大，给计算机造成比较强的干扰，所以过驱动功能板的过驱动电流必须采用独立的电源提供，而过驱动功能板的控制部件依然由计算机的电源接入。

对器件的功能故障进行测试时，过驱动功能板的设计还要考虑到以下几个因素：

（1）每个网络节点既可能是过驱动的输入点，又可能是响应的输出点；

（2）作为过驱动点时，既可能是灌电流点，又可能是拉电流点；

（3）由于过驱动电流大，需要采用高速继电器控制；

（4）由于过驱动的瞬态性，必须保证同时施加激励，同时测试响应；

（5）由于计算机数据线位数的限制，必须首先锁存激励的状态。然后由一根控制线将激励同时加到被测印制板上，锁存印制板在该激励下的响应，然后分多次读出响应结果。

基于以上几点因素，对每个网络节点设计的功能测试电路如图4所示。

对电路结构设计说明如下：

（1）灌电流和拉电流传输的路径上均采用高速继电器控制，其它控制门采用TTL门控制。

（2）当印制板不加电时，单刀双掷高速继电器接地通被测点到多选2开关的通路，接通电路的桥接故障测试通路；当印制板加电时，接通过驱动电路到被测点的通路，使被测点可以接受灌电流或拉电流接通输出电路。

（3）测试点状态选择端在印制板加电的状态下控制被测点是输入还是输出。

（4）各个被测点的激励施加控制端和响应测试控制端连接到一起，保证同时施加激励和同时测试响应。

将每个被测网络节点的上述电路作为一个模块，该模块如图5所示。

所有被测点的模块与计算机系统总线的控制原理如图6所示。图中的印制板加电控制由微机面板上的操作按钮开关直接控制。

2.2 测试针床板与过驱动功能转接的设计

任何组合逻辑电路都可以用图论中的树形结构来表示其拓扑关系，用小圈表示器件，用来向线段表示信号的流向（一根有向线对应一个网络节点），在有扇出的电路中，每个扇出点用分叉的有向线段表示。逻辑电路拓扑图如图7所示。其中，a、b、c、d为原始输入端，1～9为有向线段，A、B、C为器件。

印制板上的网络节点既是一个器件的输入，又是另一个器件的输出，而在一次测试中该网络节点不可能既为输入又为输出。所以确定一个合理的测试策略，可以充分利用系统的资源，在最短的时间内测试完所有的器件。

本文提出根据被测印制板的电路拓扑图将器件划分为不同的“级”。在论述“级”的概念之前，先引入一个“路径长度”的概念。“路径长度”为原始输入端的信号向输出端传递的过程中经历的器件的个数。以图7为例：1～4构成一条路径，经历一个器件A，路径长度为1；1～5～8～9构成另一条路径，经历三个器件，路径长度为3。器件的“级”的确定原则是：从原始输入端到器件的输入端的路径中的最长路径即为该器件的“级”。根据器件的“级”，可以确定如下的过驱动测试策略：首先过驱动奇数“级”的器件，然后过驱动偶数“级”的器件。为了达到这样的测试目的，测试针床板在引出各网络节点时将不同“级”的器件的输入端连接在一起。

3 对系统测试的几点说明

该系统对不同的印制板进行测试时，换用不同的测试针床板，每块针床板在与通用的过驱动功能板连接时具有不同的转接关系。

不同的印制板对应不同的故障测试子程序的执行由控制按钮直接控制。

故障诊断的策略由测试子程序和过驱动功能板与测试针床板的硬件连接配合实现。对某器件进行测试时，如果该器件的输出端存在到输入端的反馈环，必须断开反馈环，否则由于反馈产生毛刺，将会得到错误的测试结果。

本文详细设计了一种基于过驱动技术的印制板故障诊断系统。该系统采用液晶显示屏和按纽控制，实现了系统的小型化和操作的方便性；针对被测对象的特点和故障模型（如桥接故障、电源故障以及器件的功能故障）设计了通用的过驱动功能板，诊断功能较强。本文学提出了器件“级”的概念，基于此概念设计了针床板与功能板之间的接口，达到了诊断策略的优化。