PCB测试机的基本测试原理与方法

熊霞

（湖南生物机电职业技术学院，湖南 长沙 410126）

PCB测试机的基本测试原理与方法

熊霞

（湖南生物机电职业技术学院，湖南 长沙 410126）

文章首先介绍PCB测试机系统组成，根据PCB测试机的基本原理即欧姆定理，采用先自检，再自学习，最后针对不同的检测要求，采用不同的测试方法，有两点间导通测试，两点间绝缘测试，及多点绝缘测试。测出被测点间是导通或者绝缘。

PCB测试机；FPGA；导通测试；绝缘测试

PCB测试机是用来检测PCB光板电气特性（文中所提的PCB均指PCB光板），判断质量好坏的专用设备，它通过一定的测试电压能高速，准确地检测PCB的导通及绝缘性能，它用于电子产品生产企业的前端工序和PCB生产企业的末端工序，是PCB检测领域中不可或缺的理想工具。本文从PCB测试机的系统组成入手，介绍PCB测试机的基本测试原理与方法。

1 系统组成

目前市场上的PCB测试机常常采用PC机和相应的逻辑控制电路组成，其中测试算法完全由PC机来实现，这不仅使测试软件复杂，而且执行速度也受到影响。对于逻辑控制电路而言，其电路也是过于复杂，而且可靠性低。文章针对这些问题提出了采用FPGA作为核心控制器，使PCB测试机测试算法在FPGA上实现的方案，这种方案不仅使测试软件大大简化，逻辑控制电路变得简单，而且还提高了测试速度。由于FPGA有可重构特性，因此系统设计灵活，便于升级换代。系统组成框图如图1所示。

图 1系统组成框图

在系统中FPGA处于核心地位，所有的测试算法都基于它来实现,它是作为底层硬件电路的控制中心，周围的电路模块都是由它来控制。同时，它还负责与上位机PC104进行通讯，接收PC104发送来的控制命令并向PC104反馈测试结果。PC104是结构紧凑的嵌入式计算机，它提供人机交互的平台，所有的命令发送以及结果显示都由其完成，它是系统最上层的“指挥者”,PCB测试机的应用程序在其上运行，并实现和FPGA的通信。上图的开关矩阵是由PNP和NPN三级管组成（两种三极管的耐压均在300V以上），一个PNP和一个NPN三级管组成一对开关，整个开关矩阵一共有2048对，2048对开关分布在16张开关卡上。任意两对的PNP和NPN三级管之间都可以构成回路，每对三极管的集电极是联在一起的，形成一个公共端，由一根导线将此公共端和夹具上的带有弹簧的钢针连接起来，钢针是固定在夹具上的，这种夹具也称为针床，这些钢针和被测电路板上的被测点的分布情况保持一致，即每个钢针对应一个被测点。夹具是固定在机械装置上面的，在测试时机械装置上的气缸推动针床运动，使针床和被测电路板紧密接触，从而使钢针和被测点接触，如图2所示。

图2 开关矩阵与测试点的连接图

在系统组成框图中逻辑控制电路直接控制开关矩阵，而逻辑控制电路又由FPGA来控制，它是连接FPGA和开关矩阵的“桥”。逻辑控制电路分为PNP管逻辑控制电路和NPN管逻辑控制电路，PNP管逻辑控制电路在同一时刻只有一个PNP管可被操作，其余PNP管全部关闭；而NPN管逻辑控制电路具有四种控制模式：模式一为状态锁存模式，在此模式下只有一个NPN管可被操作，其余NPN管状态均保持不变；模式二为状态保持模式，在此模式下所有NPN管不随逻辑控制电路的输入而改变；模式三为多选一模式，在此模式下只有一个NPN管可被操作，其余NPN管都处于关闭状态；模式四为清零模式，所有NPN管处于关闭状态。

在系统组成框图中，测试电压产生与控制电路是测试产生及控制的电路。系统的测试为50V、100V、150V、200V、和250V，共五个等级，供绝缘测试使用。电压产生与控制电路受FPGA的控制，测试时根据不同的电压要求产生不同等级的电压。

以上介绍的是系统组成的主要部分，系统中的参考电压控制电路、电压比较电路，测试电流比较电路等是辅助电路，它们的电路组成比较简单，功能比较单一，在此不再一一介绍。

2 测试原理及方法

PCB测试机的基本原理是欧姆定理，其测试方法是将被测点间加一定的测试电压，FPGA按照一定的测试算法来控制逻辑控制电路，从而选中PCB板上被测点对应的开关，将开关中的NPN、或者PNP三极管打开进行测试，获得被测点间电阻值对应的电压信号后，通过电压比较电路，测出被测点间是导通或者绝缘。

测试设备首要条件是测试工具本身的准确性和可靠性。在对PCB进行测试前必须对测试机进行自检，以判断测试机自身是否存在问题，测试机自检包括导通自检、闭锁自检、绝缘自检、PNP开关自检、NPN开关自检。这些自检是从各不同的方面来保证测试机在进行各种测试时是准确可靠。下面分别介绍各自检的作用：

（1）导通自检是检查开关矩阵上的2048对三极管是否导通性能良好，对这些三极管进行全面扫描，如有不导通的三极管存在，会迅速故障定位，显示该三极管的编号。

（2）闭锁自检是为了检查图1中的逻辑控制电路是否性能良好，它主要是确保多点绝缘测试时可以同是打开多个NPN三极管，导通自检全部通过是进行闭锁自检的前提，否则，闭锁自检的结果可能产生错误。

（3）绝缘自检，PNP开关自检，NPN开关自检的目的是保证在进行多点绝缘测试，及两点间绝缘测试前，系统自身性能完好，没有漏电故障，同时这三种自检也是快速查找系统故障的有效手段，可以迅速查找开关矩阵上损坏的三极管。其中绝缘自检是检查在2048对三级管间是否有不绝缘的故障；PNP开关自检和NPN开关自检是检查开关矩阵上PNP三极管和NPN三极管在关闭时，在作用下是否有漏电流产生，如有较大漏电流产生则会使测试不准确。

自检完成后，已确保PCB测试机性能良好时，接下来开始进行自学习。自学习是测试机对待测板进行测试前的一个重要环节。对被测PCB进行测试时，首先要得到被测PCB的标准网络，然后以此标准网络进行测试。标准网络获取的方法之一就是通过自学习获取。所谓自学习就是在一块标准的PCB上找出各被测点所对应的网络。以图3为例说明，A和B由导线连接，它们是相互导通的，C、D和E由另一根导线连接，它们之间也是相互导通的，而且A、B和C、D、E间没有任何电气连接，他们之间是相互绝缘的，所以定义A、B是属于网络1，C、D、E属于网络2，按照这种划分网络的方式将标准PCB上所有点划分到各不同的网络中，通过这种方式得到的网络称为标准网络，在对PCB进行测试时按照此标准网络对被测PCB进行网络划分，自学习是PCB测试的基础和前提。

图3 网络划分

PCB测试主要检测PCB上各点间导通和绝缘性能，针对不同的检测要求，要采用不同的测试方法，用于测试的方法有：两点间导通测试，两点间绝缘测试，及多点绝缘测试。这几种测试不是相互独立的，它们之间是相互关联的，并且它们之间有严格的先后关系，即首先按照自学习得到的标准网络执行两点间导通测试，如果网络内有不导通的被测点存在，则将此网络划分为两个以上的网络，得到新的网络关系；再按照新的网络关系进行多点绝缘测试，在执行完此测试后，如果结果为不绝缘，则进行两点间绝缘测试，找到不绝缘的测试点。多点绝缘测试是为了提高测试速度的一种测试方法，因为两点间绝缘测试每次只能两个点进行一次测试，这样必然造成测试速度低，而多点绝缘测试是多个点同时测，这样就节省了大量的测试时间，但这种测试方法的缺点是：多点同时测就相当于多个被测点间的电阻并联，造成比实际电阻小的多，从而可能测试结果为不绝缘，然后再对这些点进行两点间绝缘测试，这样会比直接进行两点间绝缘测试所开销的时间更多。不过一般情况下采用多点绝缘测试比直接进行两点间绝缘测试所开销的时间还是要短的多。

[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，吕义俊.PCB裸板测试系统的基本原理和现状[J].电子工艺技术，1992，（5）.

[3]王秋成，俞浙清．印刷电路板电脑检测仪的设计[J].机电工程，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，硕士，主要从事网络化制造和数控技术的教学与研究工作。