數(shù)字電路板自動(dòng)測(cè)試與故障診斷初探

1、初探路板自動(dòng)測(cè)試與故障診斷栗東曉（黃淮學(xué)院電子科學(xué)與工程系應(yīng)用電子044班）摘要：本文介紹了數(shù)字電路板的自動(dòng)測(cè)試與故障診斷需求，故障類型與產(chǎn)生的原因，故障診斷技術(shù)與設(shè)備簡(jiǎn)介，自動(dòng)測(cè)試與故障診斷平臺(tái)的設(shè)計(jì)，開發(fā)數(shù)字電路板的自動(dòng)測(cè)試與故障診斷程序的主要步驟。關(guān)鍵詞：數(shù)字電路； 故障診斷； 自動(dòng)測(cè)試； VXI總線一、 引言現(xiàn)代半導(dǎo)體集成電路的高速發(fā)展，同時(shí)也推動(dòng)了電子應(yīng)用技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字電路板采用多種專用電子器件設(shè)計(jì)，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能強(qiáng)大，電路板尺寸小、器件密度高、時(shí)鐘和數(shù)傳速度快等特點(diǎn)；這些特點(diǎn)使電子設(shè)備越來越復(fù)雜，增大了數(shù)字電路板的自動(dòng)測(cè)試與故障診斷難度。武器裝備的電子設(shè)備必須進(jìn)行維修，

2、維修的關(guān)鍵一步是對(duì)電子設(shè)備的電路板進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試與故障診斷，并且要求故障隔離到元器件才能實(shí)現(xiàn)電路板的修復(fù)。傳統(tǒng)的儀器與儀表設(shè)備及測(cè)試手段與方法已不能滿足現(xiàn)代數(shù)字電路板的自動(dòng)測(cè)試與故障診斷，適應(yīng)現(xiàn)代數(shù)字電路板的故障檢測(cè)設(shè)備必須采用先進(jìn)的自動(dòng)測(cè)試與故障診斷設(shè)備和技術(shù)，這種設(shè)備就是自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE/ATS），它是以計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)為核心，通過總線控制儀器的激勵(lì)與控制，實(shí)時(shí)、快速、精確地采集和處理數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路板的故障隔離到元器件。二、 測(cè)試與故障診斷需求針對(duì)××型號(hào)維修工程任務(wù)需要，以該型號(hào)數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)特點(diǎn)與技術(shù)狀態(tài)為背景資料，提出研制自動(dòng)測(cè)試與故障診斷系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱

3、系統(tǒng)），該系統(tǒng)是對(duì)××型號(hào)的電子設(shè)備（簡(jiǎn)稱某設(shè)備）的基層級(jí)送來修理的電子外場(chǎng)可更換單元（LRU）進(jìn)行維修的技術(shù)保障性設(shè)備，LRU主要是數(shù)字電路印制板（以下統(tǒng)稱PCB）。系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成對(duì)某型號(hào)電子設(shè)備的PCB進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試、故障檢測(cè)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(hào)電子設(shè)備的PCB不僅數(shù)量和種類多而且電路結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)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(jié)構(gòu)也具有多種標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)。這種沒有經(jīng)過技術(shù)規(guī)范的測(cè)試性設(shè)計(jì)的PCB，給自動(dòng)測(cè)試與故

4、障診斷工作帶來了極大的困難。1. 維修測(cè)試a. 對(duì)送修的PCB測(cè)試，確認(rèn)是否有故障；b. 檢測(cè)故障的PCB，故障隔離到元器件；c. 對(duì)已修復(fù)的PCB測(cè)試，確認(rèn)是否已修復(fù)；d. 對(duì)PCB預(yù)防性維修的技術(shù)參數(shù)測(cè)試；e. 對(duì)正常工作的PCB測(cè)試，提取樣本數(shù)據(jù)。2. 其它目的測(cè)試a. 用于拉偏PCB的工作電源或某些技術(shù)參數(shù)，測(cè)定PCB穩(wěn)定工作范圍；b. 用于PCB設(shè)計(jì)驗(yàn)證和調(diào)試的測(cè)試；c. 用于PCB生產(chǎn)檢驗(yàn)的測(cè)試。3 .技術(shù)指標(biāo)要求a. 故障檢測(cè)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(dòng)測(cè)試與故障診斷一個(gè)單元電路（對(duì)單

5、元電路完成一次激勵(lì)與響應(yīng)及分析時(shí)間）平均時(shí)間：小于1min；f. 定位到元器件或模塊的平均時(shí)間：小于20 min。三、 數(shù)字電路故障類型與產(chǎn)生的原因1 . 數(shù)字電路板的故障類型a. 故障類型: 故障類型分內(nèi)部故障和外部故障兩種類型，內(nèi)部故障是指發(fā)生在集成電路器件內(nèi)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(diǎn)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(duì)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(shí)性故障: 按故障存在的持續(xù)時(shí)間來劃分，該故

6、障分為永久性故障和暫時(shí)性故障, 暫時(shí)性故障可重復(fù)測(cè)試性能差，電路工作不穩(wěn)定，檢測(cè)故障較困難； f. 固定故障: 電路中某節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(hào)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(dǎo)體質(zhì)量、時(shí)鐘速度、驅(qū)動(dòng)能力、抗干擾能力、熱穩(wěn)定性能、匹配能力等技術(shù)參數(shù)變壞造成的故障，該故障主要體現(xiàn)在電路工作不穩(wěn)定，時(shí)好時(shí)壞，通過改變PCB的工作電源或工作環(huán)境溫度進(jìn)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(nèi)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(nèi)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(shù)字電路故障的原因a. 由設(shè)計(jì)質(zhì)量因素引起的故障。如電源濾波、布線、時(shí)鐘速度配合、毛刺、競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)等；b. 由制造、原材料質(zhì)量及生產(chǎn)工藝等因素引起的故障。如精度、劣質(zhì)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(qiáng)電、磁場(chǎng)、射線等。 四、 故障診斷設(shè)備與技術(shù)簡(jiǎn)介現(xiàn)代電子技術(shù)高速發(fā)展，軍用武器裝備的電子設(shè)備板級(jí)維修測(cè)試技術(shù)也不斷得到發(fā)展，二十世紀(jì)60年代僅僅是應(yīng)用簡(jiǎn)單的數(shù)字測(cè)試儀，70年代是應(yīng)用

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

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

10、時(shí)通過PCB邊沿插腳接收響應(yīng)信號(hào)并進(jìn)行分析和處理，驗(yàn)證輸入與輸出功能是否符合要求。五、 自動(dòng)測(cè)試與故障診斷平臺(tái)的設(shè)計(jì)1 . 自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)原則與思想根據(jù)某設(shè)備是現(xiàn)代先進(jìn)的和復(fù)雜的電子設(shè)備，該設(shè)備所應(yīng)用PCB的數(shù)量、種類、復(fù)雜性和維修的環(huán)境條件，有限的經(jīng)費(fèi)能配置的測(cè)試設(shè)備，能達(dá)到的測(cè)量精度，國內(nèi)維修技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢(shì)，維修技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和技術(shù)的可持續(xù)性，效費(fèi)比高的現(xiàn)實(shí)與特點(diǎn)，確定以下設(shè)計(jì)思想與設(shè)計(jì)原則：a. 技術(shù)指標(biāo)要求：滿足某設(shè)備維修任務(wù)；b. 實(shí)用性和通用性：測(cè)試平臺(tái)能覆蓋某設(shè)備PCB的測(cè)試任務(wù)并具備通用性， c. 先進(jìn)性：要達(dá)到或接近目前國內(nèi)通用的ATS水平； d. 簡(jiǎn)單性：在滿足功能要

11、求，軟、硬件設(shè)計(jì)，以及操作、使用和維修簡(jiǎn)單，容易編程和開發(fā)，具備自檢測(cè)試功能；e. 標(biāo)準(zhǔn)化、技術(shù)成熟性：采用標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)控儀器、有關(guān)產(chǎn)品、接口（VXI、IEEE488）、機(jī)柜。采用標(biāo)準(zhǔn)的軟、硬件設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范，測(cè)試系統(tǒng)易于集成，程序易于生成和開發(fā)，有充足的技術(shù)保障，有持續(xù)技術(shù)和產(chǎn)品升級(jí)的支持；f. 擴(kuò)展性：系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)采用嵌入式和開放式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，隨著故障診斷技術(shù)的發(fā)展，測(cè)試要求的變化，ATS硬件和軟件易于擴(kuò)展和升級(jí)更新，能夠擴(kuò)展更多功能，能夠適應(yīng)被測(cè)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(fèi)比高等。實(shí)現(xiàn) 平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì) 2 . 平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì) 平臺(tái)硬件如圖1所示。平臺(tái)

12、采用了嵌入式計(jì)算機(jī)總線控制方式。平臺(tái)硬件由以下設(shè)備組成：HPE8408A，VXI總線，C尺寸，4插槽機(jī)箱；嵌入式計(jì)算機(jī)； SR192 VXI總線數(shù)字測(cè)試系統(tǒng)；AT8000A可編程直流電源；測(cè)試適配接口等。SR192數(shù)字測(cè)試系統(tǒng)提供平臺(tái)的激勵(lì)、測(cè)量、通道切換；計(jì)算機(jī)是平臺(tái)的核心，完成平臺(tái)自檢、測(cè)試流程和數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理等功能。 嵌入式計(jì)算機(jī)HPE9851A嵌入式計(jì)算機(jī)是美國Agilent 公司產(chǎn)品，其特點(diǎn)如下：C尺寸，2個(gè) VXI總線插槽； Pentium-, CPU時(shí)鐘：700MHz；硬盤：6GB；內(nèi)存容量：128MB；軟盤驅(qū)動(dòng)器：1.44 MB (3.5")；標(biāo)準(zhǔn)接口： SCSI

13、-3（APG）接口，2個(gè)RS232串行口，1個(gè)并行口， 2個(gè)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(shù)字測(cè)試系統(tǒng)SR192數(shù)字測(cè)試系統(tǒng)是美國talon 公司產(chǎn)品，其特點(diǎn)如下： C尺寸，2個(gè) VXI總線插槽；雙向數(shù)字IO，192通道；每通道128K存儲(chǔ)深度；可編程時(shí)鐘源，最大可達(dá)50MHz時(shí)鐘速率；輸入通道電壓為-5V+7V；智能(Wizard)探頭或自動(dòng)智能探針裝置等。5.3 平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)3. 基本要求系統(tǒng)軟件，集成軟件，測(cè)試應(yīng)用軟件，要求軟件設(shè)計(jì)與程序編寫要符合VISA規(guī)范，采用標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化設(shè)計(jì)，保證軟件的易

14、用性、實(shí)時(shí)性、通用性、可移植性、可維護(hù)性、可測(cè)試性、可擴(kuò)展性、可靠性、全中文化視窗操作界面以及人機(jī)界面自然美觀等特點(diǎn)。SR192數(shù)字測(cè)試系統(tǒng)VXI plug& play 驅(qū)動(dòng)軟件與WIN95、WIN98、WIN NT兼容，驅(qū)動(dòng)軟件包括交互式的界面，用戶可以應(yīng)用SR192的所有功能。SR192數(shù)字測(cè)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(cè)試應(yīng)用開發(fā)、故障隔離工具、自動(dòng)探針等軟件。4. 主程序流程 主程序執(zhí)行簡(jiǎn)化流程如圖2所示。安全保證檢查：進(jìn)入測(cè)試程序前進(jìn)行必須的安全檢查，確保被測(cè)PCB，適配接口，測(cè)試程序準(zhǔn)確無誤，保證設(shè)備的安全；N+1項(xiàng)測(cè)試、初始條件：我們

15、把PCB分為N項(xiàng)測(cè)試，每一項(xiàng)測(cè)試作為一組激勵(lì)，每一項(xiàng)測(cè)試的輸出作為一組向應(yīng)；測(cè)試、故障分析、過程提示：在測(cè)試PCB虛擬儀器面板上提示測(cè)試進(jìn)程或測(cè)試結(jié)果，報(bào)告測(cè)試與綜合分析結(jié)果。六、 開發(fā)PCB的自動(dòng)測(cè)試與故障診斷程序的主要步驟1 熟悉測(cè)試平臺(tái)a. 熟悉測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試規(guī)則和所具備的測(cè)試功能；b. 熟悉測(cè)試平臺(tái)的技術(shù)條件和技術(shù)指標(biāo)；c. 熟悉測(cè)試平臺(tái)的軟件環(huán)境和應(yīng)用開發(fā)軟件功能；d. 熟悉測(cè)試平臺(tái)配置儀器的用途、操作條件和測(cè)試功能；e. 熟悉測(cè)試平臺(tái)的物理接口和接口的信號(hào)特性。2 熟悉被測(cè)對(duì)象（PCB）的技術(shù)狀態(tài)a. 熟悉被測(cè)PCB的工作原理與組成，具備原理圖；b. 熟悉被測(cè)PCB的物理結(jié)構(gòu)和元器

16、件布局圖，具備PCB的網(wǎng)絡(luò)表；c. 熟悉被測(cè)PCB的元器件應(yīng)用情況；d. 熟悉被測(cè)PCB的技術(shù)條件和使用規(guī)則；e. 熟悉被測(cè)PCB的調(diào)試細(xì)則。3 編程的基本條件和程序設(shè)計(jì)a. 分析被測(cè)PCB的電路結(jié)構(gòu)，對(duì)復(fù)雜電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，建立相對(duì)獨(dú)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(shù)據(jù)庫；c. 通過實(shí)驗(yàn)或測(cè)試，掌握被測(cè)PCB的性能，靜態(tài)參數(shù)，動(dòng)態(tài)特性等技術(shù)參數(shù)，建立樣本數(shù)據(jù)庫；d. 確定測(cè)試內(nèi)容，測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試流程；e. 確定激勵(lì)與響應(yīng)關(guān)系，建立測(cè)試集；f. 確定測(cè)試方法和故障診斷類型及分析方法；g. 提出測(cè)試技術(shù)要求，確定技術(shù)指標(biāo)；h. 對(duì)被測(cè)PCB進(jìn)行程序設(shè)計(jì)； i. 可以應(yīng)用

17、軟件仿真自動(dòng)生成測(cè)試程序。4 被測(cè)PCB與測(cè)試平臺(tái)的接口設(shè)計(jì) 了解了測(cè)試平臺(tái)的物理接口和信號(hào)特性，明確了被測(cè)PCB的邊沿接插件插針?biāo)枰男盘?hào)特性，設(shè)計(jì)被測(cè)PCB的專用測(cè)試接口，接口設(shè)計(jì)力求簡(jiǎn)單、合理。5 調(diào)試及投入使用被測(cè)PCB同專用測(cè)試接口連接，專用測(cè)試接口同VPC接口連接，這樣就完成了被測(cè)PCB同測(cè)試平臺(tái)的電氣連接，測(cè)試平臺(tái)加電，調(diào)用被測(cè)PCB的測(cè)試程序進(jìn)行調(diào)試。通過調(diào)試、運(yùn)行、綜合測(cè)試及總體評(píng)估是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)則可以進(jìn)行軟件打包，注冊(cè)登記，建立檔案，投入使用，否則進(jìn)行修改或重新設(shè)計(jì)。七、 結(jié)論現(xiàn)代武器裝備的電子設(shè)備采用數(shù)字化技術(shù)越來越高，其數(shù)字電路板的數(shù)量占有相當(dāng)比例，數(shù)字電路板的專用性和特殊性相當(dāng)強(qiáng)，使用時(shí)間周期長(zhǎng)，更新?lián)Q代相當(dāng)困難，電路板一旦發(fā)生故障必須進(jìn)行修理，以確保戰(zhàn)備的完好性。該系統(tǒng)是以某型號(hào)數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)特點(diǎn)與技術(shù)狀態(tài)為背景題材，