数字电路板自动测试与故障诊断技术的研究10082.docx

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1、数字电路路板自动动测试与与故障诊诊断技术术的研究究李更祥（中国航航天科工工集团公公司二院院23所，北北京10008554）摘要：本本文介绍绍了数字字电路板板的自动动测试与与故障诊诊断需求求，故障障类型与与产生的的原因，故故障诊断断技术与与设备简简介，自自动测试试与故障障诊断平平台的设设计，开开发数字字电路板板的自动动测试与与故障诊诊断程序序的主要要步骤。关键词：数字电电路； 故障障诊断； 自动动测试； VXXI总线线1 引引言现代半导导体集成成电路的的高速发发展，同同时也推推动了电电子应用用技术的的高速发发展，数数字电路路板采用用多种专专用电子子器件设设计，其其电路结结构复杂杂、功能能强大，电

2、电路板尺尺寸小、器件密密度高、时钟和和数传速速度快等等特点；这些特特点使电电子设备备越来越越复杂，增增大了数数字电路路板的自自动测试试与故障障诊断难难度。武武器装备备的电子子设备必必须进行行维修，维维修的关关键一步步是对电电子设备备的电路路板进行行自动测测试与故故障诊断断，并且且要求故故障隔离离到元器器件才能能实现电电路板的的修复。传统的的仪器与与仪表设设备及测测试手段段与方法法已不能能满足现现代数字字电路板板的自动动测试与与故障诊诊断，适适应现代代数字电电路板的的故障检检测设备备必须采采用先进进的自动动测试与与故障诊诊断设备备和技术术，这种种设备就就是自动动测试设设备（AATE/ATSS），

3、它它是以计计算机软软、硬件件技术为为核心，通通过总线线控制仪仪器的激激励与控控制，实实时、快快速、精精确地采采集和处处理数据据信息，实实现数字字电路板板的故障障隔离到到元器件件。2 测测试与故故障诊断断需求针对型号维维修工程程任务需需要，以以该型号号数字电电路板的的设计特特点与技技术状态态为背景景资料，提提出研制制自动测测试与故故障诊断断系统（简简称系统统），该该系统是是对型号的的电子设设备（简简称某设设备）的的基层级级送来修修理的电电子外场场可更换换单元（LRU）进行维修的技术保障性设备，LRU主要是数字电路印制板（以下统称PCB）。系统的主要任务是完成对某型号电子设备的PCB进行自动测试、

4、故障检测和分析、故障隔离到元器件，为维修PCB提供故障元器件的具体部位。该型号电子设备的PCB不仅数量和种类多而且电路结构和机械结构相当复杂， PCB尺寸及印制线路层多样化，PCB所采用的元器件包含了小、中、大、超大规模的各式各样的集成电路芯片，集成电路的外型尺寸和引线结构也具有多种标准和非标准。这种没有经过技术规范的测试性设计的PCB，给自动测试与故障诊断工作带来了极大的困难。2.1维维修测试试a. 对对送修的的PCBB测试，确确认是否否有故障障；b. 检检测故障障的PCCB，故故障隔离离到元器器件；c. 对对已修复复的PCCB测试试，确认认是否已已修复；d. 对对PCBB预防性性维修的的技

5、术参参数测试试；e. 对对正常工工作的PPCB测测试，提提取样本本数据。2.2 其它目目的测试试a. 用用于拉偏偏PCBB的工作作电源或或某些技技术参数数，测定定PCBB稳定工工作范围围；b. 用用于PCCB设计计验证和和调试的的测试；c. 用用于PCCB生产产检验的的测试。2.3 技术指指标要求求a. 故故障检测测率：不不小于998%；b. 故故障隔离离深度：元器件件或组件件；c. 故故障隔离离率：不不小于995%；d. 虚虚警率：小于或或等于22%；e. 自自动测试试与故障障诊断一一个单元元电路（对对单元电电路完成成一次激激励与响响应及分分析时间间）平均均时间：小于11minn；f. 定定

6、位到元元器件或或模块的的平均时时间：小小于200 miin。3 数数字电路路故障类类型与产产生的原原因3.1 数字电电路板的的故障类类型a. 故故障类型型: 故障障类型分分内部故故障和外外部故障障两种类类型，内内部故障障是指发发生在集集成电路路器件内内部的故故障，外外部故障障是指发发生在电电路器件件连线之之间的外外部故障障；b. 逻逻辑故障障: 电路路中某节节点的逻逻辑值与与规定的的逻辑值值相反，该该故障为为逻辑故故障；c.非逻逻辑故障障: 除逻逻辑故障障以外的的所有故故障都是是非逻辑辑故障；d. 局局部故障障与分布布故障: 故障障对电路路的影响响范围的的大小可可分为局局部故障障和分布布故障；

7、e. 永永久性故故障和暂暂时性故故障: 按故故障存在在的持续续时间来来划分，该该故障分分为永久久性故障障和暂时时性故障障, 暂时时性故障障可重复复测试性性能差，电电路工作作不稳定定，检测测故障较较困难； f. 固定故故障: 电路中中某节点点的逻辑辑电平始始终保持持为固定定电平，该该故障为为固定故故障；g.固定定开路故故障: 电路中中某输出出端点始始终保持持高阻状状态，该该故障为为固定开开路故障障；h. 桥桥接故障障： 桥桥接故障障是由于于某种外外部原因因造成的的故障，在在电路中中两根或或多根信信号线无无意中搭搭接在一一起所形形成的短短路故障障；i. 集集成电路路的软故故障: 由于芯芯片的半半导

8、体质质量、时时钟速度度、驱动动能力、抗干扰扰能力、热稳定定性能、匹配能能力等技技术参数数变坏造造成的故故障，该该故障主主要体现现在电路路工作不不稳定，时时好时坏坏，通过过改变PPCB的的工作电电源或工工作环境境温度进进行检查查，一般般可以确确定故障障发生的的部位； j.集集成电路路的内部部故障: 由于于外部电电路或外外界环境境因素造造成的电电路芯片片内部的的击穿、I/OO引线的的开路或或短路等等永久性性故障，该该故障一一般发生生在集成成电路的的I/OO端口。3.2 引起数字字电路故故障的原原因a. 由由设计质质量因素素引起的的故障。如电源源滤波、布线、时钟速速度配合合、毛刺刺、竞争争冒险等等；

9、b. 由由制造、原材料料质量及及生产工工艺等因因素引起起的故障障。如精精度、劣劣质器件件、焊接接等；c. 由由工作环环境条件件或外部部电路因因素引起起的故障障。如温温度、湿湿度、强强电、磁磁场、射射线等。 4故障诊诊断设备备与技术术简介现代电子子技术高高速发展展，军用用武器装装备的电电子设备备板级维维修测试试技术也也不断得得到发展展，二十十世纪660年代代仅仅是是应用简简单的数数字测试试仪，770年代代是应用用总线仿仿真器固固定电平平测试，880年代代是应用用数字发发生器实实现静态态逻辑测测试，990年代代是应用用动态性性能数字字测试系系统实现现动态模模拟仿真真测试，这这也是目目前普遍遍采用的

10、的方法。4.1 故障诊诊断设备备与检测测方法应用于维维修系统统的故障障诊断设设备与检检测方法法概述如如下：a. 传传统测试试：用万万用表、脉冲信信号源、示波器器等传统统测试仪仪器组成成专用测测试设备备；配置置专用测测试工作作台、测测试接口口；操作作者利用用电路图图，调试试细则，人人工检测测；该设设备与方方法适用用于所有有PCBB的人工工故障检检测，但但不适宜宜军用PPCB的的集中自自动测试试与故障障检测。b. 在在线测试试：用专专用在线线测试仪仪器；配配置通用用测试工工作台、通用测测试夹具具；利用用事先建建立的样样本数据据；人工工故障检检测；适适用于民民用PCCB的故故障检测测，不适适宜军用用

11、PCBB的维修修测试。c. 针针床或飞飞针测试试：用针针床或飞飞针专用用测试设设备；PPCB裸裸板的短短路或断断路测试试；自动动测试与与故障检检测；适适用于PPCB裸裸板生产产或大批批量PCCB的生生产质量量检验测测试。d. 射射线测试试：用专专用射线线测试设设备；适适用于PPCB与与器件内内部的物物理故障障检测。e. 自自动测试试系统或或设备（AATS/ATEE）：用用计算机机、测控控仪器组组成的自自动测试试系统；配置通通用测试试接口、专用适适配器、专用测测试程序序；自动动/半自自动仿真真测试；适用于于军用维维修工程程的PCCB 故故障检测测。4.2 自动测测试工作作原理ATS通通过计算算机

12、执行行测试程程序，控控制测控控仪器模模拟PCCB在实实际工作作环境的的条件下下，通过过PCBB边沿插插脚加入入激励（逻逻辑信号号、状态态信号、电压信信号等）信信号，同同时通过过PCBB边沿插插脚接收收响应信信号并进进行分析析和处理理，验证证输入与与输出功功能是否否符合要要求。5 自动动测试与与故障诊诊断平台台的设计计5.1 自动测测试平台台的设计计原则与与思想IEEE488接口HPE9851A计算机SR192 CPU、VXI接口时序控制A数字I/O616SR19前面板插座 前面板插座AT8000A 可编 程直 流电 源1VPC接口数字PCB适配接口B适配接口被测数字PCB附加模块时序控制B数字

13、I/O616图1 测试平台框图标准接口I / O设备维修的环境条件，有限的经费能配置的测试设备，能达到的测量精度，国内维修技术发展的现状和趋势，维修技术的实现和技术的可持续性，效费比高的现实与特点，确定以下设计思想与设计原则：a. 技术指标要求：满足某设备维修任务；b. 实用性和通用性：测试平台能覆盖某设备PCB的测试任务并具备通用性， c. 先进性：要达到或接近目前国内通用的ATS水平； d. 简单性：在满足功能要求，軟、硬件设计，以及操作、使用和维修简单，容易编程和开发，具备自检测试功能；e. 标准化、技术成熟性：采用标准化的测控仪器、有关产品、接口（VXI、IEEE488）、机柜。采用标

14、准的软、硬件设计技术规范，测试系统易于集成，程序易于生成和开发，有充足的技术保障，有持续技术和产品升级的支持；f. 扩展性：系统软、硬件设计采用嵌入式和开放式的结构设计，随着故障诊断技术的发展，测试要求的变化，ATS硬件和软件易于扩展和升级更新，能够扩展更多功能，能够适应被测单元的改变； g. 其它问题：可靠性高，维修性好，电磁兼容性好，费比高等。根据某设设备是现现代先进进的和复复杂的电电子设备备，该设设备所应应用PCCB的数数量、种种类、复复杂性和和实现5.2 平台的硬硬件设计计5.2平平台的硬件设计计平台硬件件如图11所示。平台采采用了嵌嵌入式计计算机总总线控制制方式。平台硬硬件由以以下设

15、备备组成：HPE884088A，VVXI总总线，CC尺寸，44插槽机机箱；嵌嵌入式计计算机； SRR1922 VXXI总线线数字测测试系统统；ATT80000A可编程直直流电源源；测试试适配接接口等。SR1192数数字测试试系统提提供平台台的激励励、测量量、通道道切换；计算机机是平台台的核心心，完成成平台自自检、测测试流程程和数据据采集及及数据处处理等功功能。5.2.1 嵌嵌入式计计算机HPE998511A嵌入入式计算算机是美美国Aggileent 公司产产品，其其特点如如下：CC尺寸，22个 VVXI总总线插槽槽； PPenttiumm-, CPPU时钟钟：7000MHHz；硬硬盘：66GB

16、；内存容容量：1128MMB；软软盘驱动动器：11.444 MBB (33.5)；标标准接口口： SSCSII-3（AAPG）接接口，22个RSS2322串行口口，1个个并行口口， 2个UUSB接接口，IIEEEE4888，SVVGA接接口，110/1100 Basse EEtheerneet接口口；支持持多种分分辩率的的外接显显示器等等。5.2.2 数数字测试试系统SR1992数字字测试系系统是美美国taalonn 公司司产品，其其特点如如下： C尺寸寸，2个个 VXXI总线线插槽；双向数数字IO，1192通通道；每每通道1128KK存储深深度；可可编程时时钟源，最最大可达达50MMHz时时

17、钟速率率；输入入通道电电压为-5V+7VV；智能能(Wiizarrd)探探头或自自动智能能探针装装置等。图2 主程序执行简化流程图开始安全保证检查返回测试？测试设备初始化YNNN+1项测试、初始条件故障？Y测试、故障分析、过程提示关闭N项条件、N+1项准备测试结束？N测试纪录、报告关闭相关接口、数据库等Y5.3 平台的软件设计5.3.1 基本要求系统软件，集成软件，测试应用软件，要求软件设计与程序编写要符合VISA规范，采用标准化，模块化设计，保证软件的易用性、实时性、通用性、可移植性、可维护性、可测试性、可扩展性、可靠性、全中文化视窗操作界面以及人机界面自然美观等特点。SR192数字测试系统

18、VXI plug& play 驱动软件与WIN95、WIN98、WIN NT兼容，驱动软件包括交互式的界面，用户可以应用SR192的所有功能。SR192数字测试系统的支持软件包括开发系统、仿真输入工具（IEEEP1445）、测试应用开发、故障隔离工具、自动探针等软件。5.3.2 主程序流程 主程序执行简化流程如图2所示。安全保证检查：进入测试程序前进行必须的安全检查，确保被测PCB，适配接口，测试程序准确无误，保证设备的安全；N+1项测试、初始条件：我们把PCB分为N项测试，每一项测试作为一组激励，每一项测试的输出作为一组向应；测试、故障分析、过程提示：在测试PCB虚拟仪器面板上提示测试进程或

19、测试结果，报告测试与综合分析结果。6 开发发PCBB的自动动测试与与故障诊诊断程序序的主要要步骤6.1熟熟悉测试试平台a.熟悉悉测试平平台的测测试规则则和所具具备的测测试功能能；b. 熟熟悉测试试平台的的技术条条件和技技术指标标；c. 熟熟悉测试试平台的的软件环环境和应应用开发发软件功功能；d. 熟熟悉测试试平台配配置仪器器的用途途、操作作条件和和测试功功能；e. 熟熟悉测试试平台的的物理接接口和接接口的信信号特性性。6.2 熟悉被被测对象象（PCCB）的的技术状状态a. 熟熟悉被测测PCBB的工作作原理与与组成，具具备原理理图；b. 熟熟悉被测测PCBB的物理理结构和和元器件件布局图图，具备

20、备PCBB的网络络表；c. 熟熟悉被测测PCBB的元器器件应用用情况；d. 熟熟悉被测测PCBB的技术术条件和和使用规规则；e. 熟熟悉被测测PCBB的调试试细则。6.3 编程程的基本条条件和程程序设计计a. 分分析被测测PCBB的电路路结构，对对复杂电电路结构构进行分分解，建建立相对对独立的的模块；b. 分分析电路路模块的的各种特特性，建建立故障障模型和和故障数数据库；c. 通通过实验验或测试试，掌握握被测PPCB的的性能，静静态参数数，动态态特性等等技术参参数，建建立样本本数据库库；d. 确确定测试试内容，测测试项目目和测试试流程；e. 确确定激励励与响应应关系，建建立测试试集；f. 确确

21、定测试试方法和和故障诊诊断类型型及分析析方法；g. 提提出测试试技术要要求，确确定技术术指标；h. 对对被测PPCB进进行程序序设计； i. 可可以应用用软件仿仿真自动动生成测测试程序序。6.4 被测PPCB与与测试平平台的接接口设计计 了解了了测试平平台的物物理接口口和信号号特性，明明确了被被测PCCB的边边沿接插件件插针所所需要的的信号特特性，设设计被测测PCBB的专用用测试接接口，接接口设计计力求简简单、合合理。6.5 调试及及投入使使用被测PCCB同专专用测试试接口连连接，专专用测试试接口同同VPCC接口连连接，这这样就完完成了被被测PCCB同测测试平台台的电气气连接，测测试平台台加电

22、，调调用被测测PCBB的测试试程序进进行调试试。通过过调试、运行、综合测测试及总总体评估估是否达达到设计计目标，达达到设计计目标则则可以进进行软件件打包，注注册登记记，建立立档案，投投入使用用，否则则进行修修改或重重新设计计。7 结论论现代武器器装备的的电子设设备采用用数字化化技术越越来越高高，其数数字电路路板的数数量占有有相当比比例，数数字电路路板的专专用性和和特殊性性相当强强，使用用时间周周期长，更更新换代代相当困困难，电电路板一一旦发生生故障必必须进行行修理，以以确保战战备的完完好性。该系统统是以某某型号数数字电路路板的设设计特点点与技术术状态为为背景题题材，作作者对PPCB的的技术特特

23、点和维维修需求求以及实实现故障障诊断的的可行性性，进行行了认真真地调研研后而设设计的自自动测试试与故障障诊断平平台，该该系统设设计合理理、切实实可行，具具有通用用性，它它可以应应用于其其它武器器装备的的维修工工程。参考文献献：1高高泽函. 电子子电路故故障诊断断技术. 西安安：西安安电子科科技大学学出版社社，20011.2 丁瑾. 可靠靠性与可可测性分分析设计计.北京京：北京京邮电大大学出版版社，19996.3AAgillenttTecchnoologgiess, VVXI Prooduccts Cattaloog，20002.4 TERRADYYNE/DEII.现代国国防/航航天电子子测试系系统资料料汇编. 20000.5 tallon insstruumennts. SRR1922 VXXI DDigiitall Moodulle.20002.6 李更祥祥.软件仿仿真应用用于雷达达数字电电路设计计验证与与测试程程序生成成的研究究. 中国国电子学学会无线线电定位位技术分分会主办.系统统仿真及及计算机机辅助设设计在雷雷达技术术中的应应用研讨讨会, 20001.7中中国航天天科工集集团公司司二院二二十三所所有关内内部技术术资料.