系统详细设计 - 通用电路板自动测试系统的设计与实现

　　2 系统详细设计

　　2.1 针床设计

　　针床是电路板测试系统的重要部件，是电路板信号导出的平台。针床的通用性较差，一般是每种电路板对应一个特定的针床，这使系统的通用性受到很大的限制。为使针床具有一定的通用性，本系统中对针床的相关部件进行了一些改进：

 

　　（1）探针设计。探针见图2 ａ。本探针是以目前市场上的探针为基础、自行设计的内含弹簧的探针，易于固定，信号导出方便：

　　探针的一端为探头，是与电路板接触，并导出信号的部分；另一端是固定座，是绝缘体，中空，内含弹簧，使探头能够伸缩；中间为信号的导出端子。为减少各个信号间的干扰，导线均采用屏蔽线。为适应不同信号要求，按粗细和允许的信号带宽要求探针分为多种型号，使用时根据需要对探针型号进行选择。

　　（2）探针的固定：在本系统的针床上，探针的固定是采用两块相同的探针固定板和4 块挡板组成，固定板和探针的固定示意图见图2 b 和图2ｃ：固定板的大小与待测板相同，板上固定孔位置需根据电路板的技术文件来确定，孔的大小需根据选取探针的型号来决定。挡板可以在整个针床的底座上进行移动调整，以适应不同尺寸电路板的固定要求；挡板的宽度，前后两个为233 mm，左右两个为73 mm。

2.2 信号采集

　　电路板上输出的待测信号主要有三类：电源信号、脉冲数字信号、电平变换信号。此外还有一些频率较高的模拟信号，如音视频信号，此类信号一般不作为关键测试信号，若需测试时可按高频信号进行采集。其中电源信号和电平变换信号均可视为直流信号来采集，用AD7864 完成采集。而脉冲数字信号的频率较高，动辄就几十兆赫兹甚至上百兆赫兹，需要用高速的AD（本系统中用的是AT84AD331） 来进行采集，并且需要对频率进行测量。因此本系统信号采集分为低频和高频两个部分，下面分别叙述：

　　（1）低频部分。本部分主要采集的是电源信号和电平变换信号，采用AD7864 作为采集芯片。AD7864 具有片内时钟、读写允许逻辑、多种通道选择方式以及内部精确的2。5 V 参考电压，这使得其与高速处理器的接口变得非常简单。AD7864 转换后的数据读取采用转换后读取数据的方式，其读取时序见图3。

 

　　采集到的数据为D3～D11 共12 位，需根据采集到的数据来计算电压值，计算公式如下：

　　当D11 位为3 时，电压为正值，计算公式为：

 

　　当D11 位为1 时，电压为负值，计算公式为：

 

　　以上两式中D 为读取的12 位数据，ＦＳＲ 为AD7864 的测量范围，本例中为23 V（测量范围为V）。

　　（2）高频部分。主要是对脉冲数字信号的采集，包括频率测量和信号采集两个部分。脉冲数字信号的频率是确定电路板是否工作正常的重要参数，因此确定脉冲信号的频率是否正常是本测试系统的必要工作。本系统是将待测信号接入FPGA 与53MHz 的高精度时钟同时开始计数，一段时间后，通过两个信号的计数值来计算脉冲信号频率的。信号采集是以AT84AD331 作为采集芯片。AT84AD331 与EP2S63 的连接见图4。

 

　　AT84AD331 可以配置成I 路和Q 路单独使用，此时可以同时采集两路信号，最高采样率为1 Gｓ/ｓ；也可以配置成Ｉ 和Ｑ 路的交错采样，此时只能采集1 路信号，等效采样率为2 Gｓ/ｓ，使用时可以根据需要对该芯片进行在线配置。FPGA 对AT84AD331数据读取时序见图5。

 

由于AT84AD331 输入信号为差分信号，且信号峰峰值要求不超过533 mV。电路板上的待测信号都是单端的并且峰峰值一般在4 V～5 V 之间。本系统中采用了13∶1 的变压器耦合输入方式，可以完成单端信号到差分信号的转换，并且使信号电压满足要求。

　　在FPGA 内部完成对LVDS 信号的读取、组合、排序以及存储等操作。一般情况下存储的采样点的值在1 333 以内，然后对这些采样点的值进行计算，可以得到实际电压值，计算公式如下：