1.1 课题的研究背景及意义
近年来，消费类电子、工控、航天等行业的飞速发展，推动了 PCB 制造水平迅速提高。同时 PCB 下游的客户对 PCB 产品的电性能质量要求也是越来越高[1]，因此，PCB板的电性能测试难度也越来越大。目前，根据 PCB 检测数量，PCB 电测试分飞针测试和通用测试架测试，通常面对大批量 PCB 产品，我们主要选用通用测试架测试（又称针床测试）[2]，通用测试架方式的测试效率极高，但是该方式制作夹具成本也很高，而且它有一个致命的缺点，即市场反应速度慢，对于目前研发类和对市场敏感度较高的企业，在急切研制和推出新产品时，针床测试架无法及时制成，同时，频繁的产品更新，造成大量针床夹具的报废，会产生极大的资源浪费。针对以上问题，加上针床测试在样品板、小批量的产品或者高密度 PCB 产品的测试方面存在瓶颈，我们推出了飞针测试机，飞针测试机能针对不同产品进行测试，使用软件生成测试文件、省去了制作夹具的成本，减少了从生产、出厂检测到客户收货的时间[3]。 飞针测试机是一种高效检测 PCB 电性能的设备，下图 1-1 为本课题参与研发的飞针测试机。飞针测试能有效满足各式各样小批量产品的检测需求[4]，它使用 4-8 个电机驱动的、能够快速移动的金属探针与 PCB 焊盘接触进行电气测量[5]。当机器的运动控制系统移动测试探针到位后，触发电测系统进行对应的电气测量，测量完成后将对应网络号与测试数据保存在存储器中，然后通过 IO 接口发送测试完成标志，运动控制卡接收测试完成标志后开始下一段运动和测试，如此进行交互完成测试。面对数量巨大的 PCB测试作业，测试效率和精度是各大飞针测试机厂家比拼的最关键技术指标，通常我们都是在保证飞针测试机精度的前提下，尽量提升机器的测试效率。
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1.2 国内外研究现状
由于 PCB 制作质量直接关系到电子产品的电气性能，因此 PCB 电测机是 PCB 生产过程中的关键性设备。引进飞针测试机，通过对出厂的 PCB 进行 100%的电测试，可以锐减出厂产品不良率，减少客户对产品质量的不良反馈和投诉[7]，提高产品综合竞争力。 目前，日本、美国、意大利研发的飞针测试机处于世界领先，其中，日本是研究飞针测试机最早的国家，1986 年，日本 TAKAYA 公司研制出了第一台飞针测试机，它的诞生并没能取代针床测试机，主要因为测试效率太低。后来经过不断改进和换代，测试效率和精度也经历了大幅度提升。截至 2016 年末，意大利 SPEA 公司的 4080 型飞针测试机是全球测试速度最快、精度最高的飞针测试机，它的测试速度达到每秒钟 160 个点[9]，其运动控制系统采用nm级精度的线性光学编码器，充分保证机器的最高定位精度，它在高速运行的情况下接触 50um 的焊盘也不会留下明显的扎痕，电容测试分辨率达到10f F，微阻测试分辨率能达到 400uΩ，所有的电性能测试精度均在 1%以内。美国的ACCULOGIC 公司 FLS980 型飞针测试机的探针具有 3D 角度可编程功能，如图 1-2 所示，每个探针可以在 6 度范围内调整角度，可以满足贴片后的 PCB 板检测需求，同时，在机器的正面和背面装配有 22 个探针的多探针系统来保证最大的测试范围和最短的测试时间[10]。另外，日本的 HIOKI、EMMA、TAKAYA 和意大利 SEICA 公司的飞针测试机在测试精度和自动化水平等方面也处于行业领先[11]。
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第 2 章 飞针测试机的整体架构与电测设计需求
2.1 飞针测试机系统架构介绍
测试效率是飞针测试机的关键竞争力之一，它是以每秒钟完成的最高测量次数来衡量。完成一次测量的过程可以划分为运动流程和测量流程，测试过程中两者是相互锁定的，如下图所示。在图 2-1 的流程中，运动流程中的 M1-M4(Mn 表示运动流程的第 n 步)消耗的时间Ta 取决于运动控制系统的性能和探针移动的距离，如果运动控制系统最小运动间距为1mm,目前可以把运动时间 T1 控制在 20ms 以内；测量流程中的 T2-T3(Tn 表示测量流程的第 n 步)所需的时间 Tb1 主要取决于输出控制信号和开关切换所需时间。输出控制信号花费的时间取决于操作系统，开关切换所需时间大约是 2ms。这部分流程与 M1-M4过程并行进行；T4-T6 过程花费时间 Tb2 主要包括数据采集与数据处理的时间。
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2.2 飞针测试机系统架构与改进
要提升飞针测试机的整体测试效率，必须从 2-1 式中的四项时间出发，使单点测试总时间降到最短。上节已经提到，运动控制板卡的性能决定了时间 Ta，在设计电测系统时，我们需要保证 Tb1 的时间小于 Ta，这是制约整体效率因素之一。Tb2 在硬件上与AD 的转换速率和滤波参数有关，在软件上与采样点数和数字滤波耗时相关，在硬件的选型和程序的编写上要充分权衡好系统的效率和精度，使 Tb2 减到最小。最后两项 Ttm与 Tmt 的和主要与系统的架构有关。如图 2-2（a）所示，工控机控制运动控制系统移动探针并获取运动完成标志，通过网口与飞针检测控制卡进行通信，工控机作为媒介来实现运动流程和测试流程的互锁。由于工控机工作于 Windows 系统环境下，而 Windows系统响应互锁的时间通常在 5ms-50ms 之间[1]，所以公式 2-1 中 Ttm 与 Tmt 是制约测试效率的主要因素之一。
第 3 章 电测系统测试方法及理论 ...... 11
3.1 电测系统电容测试法 ......... 11
3.2 电测系统电阻测试法 ......... 12
3.3 电测系统设计理论基础 ....... 13
第 4 章 飞针测试机电测系统的硬件设计 ........ 18
4.1 测试源电路 ......... 19
4.2 DA 和 AD 转换电路 ........... 23
4.3 电容测试法的电路设计 ....... 25
4.4 切换电路 ........... 28
4.5 信号处理电路 ....... 32
4.6 电源电路 ........... 33
第 5 章 飞针测试机电测系统的软件设计 ........ 35
5.1 电测系统软件总体流程 ....... 35
5.2 硬件初始化与硬件自检子程序 ......... 36
5.3 MCU 与上位机通信 ........... 38
5.4 模式选择与档位调整程序 ..... 40
5.5 MCU 信号采集与处理程序 ..... 41
第 6 章 电测系统的调试与分析
6.1 硬件电路调试
论文第三章提出了硬件设计总体框图，并针对框图各个部分进行了硬件设计与选型，对某些模块进行了实际测试，结合产品的接口需求，使用 Altium designer 电路设计软件绘制了原理图和 PCB，最后经过 PCB 打样与焊接，制成了电测系统测试板，该测试板主要分为两部分，低压测试板（微阻、电容、导通测试部分）和高压测试板（绝缘测试）。在正式测试之前，首先对电路板进行了硬件调试，主要包括电源电路调试、恒流源调试、高压测试源调试、AD 采集模块调试。在电测系统上电之前，首先需要检查电源模块是否存在短路，特别是电源与地之间是否存在焊接短路。在实验室使用 24V 直流稳压电源作为总输入电源，设定输出电流限制为 0.3A，当电流超过此范围时，直流稳压电源可以内部产生自保护。上电后，观察电路无异常现象、芯片无发烫现象。然后用万用表检查电源输出电压是否正常，电源模块中，DC-DC 模块的输出是固定不可调的，LDO 的输出可以通过调节输出的电阻比例来微调，以达到设计要求。在空载条件下，用数字万用表的交流电压档测得线性电源纹波有效值，+3.3V(1)纹波电压有效值为 0.8m V，+3.3V(2)纹波电压有效值为 2.5m V，+5V纹波电压有效值为 1.5m V，-5V 纹波电压有效值为 1.8m V，+15V 纹波有效值为 0.5m V，-15V 纹波有效值为 0.6m V，+12V 纹波电压有效值为 23m V，均符合设计要求。
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总结
本课题首先调研了国内外飞针测试机的功能需求以及现阶段达到的性能指标，然后对现有飞针测试机的架构进行了分析，提出了可以提高检测效率的系统架构，主要针对飞针测试机电测系统提出了一种整合方案，使一台飞针测试机同时支持电容法、微阻法、导通测试、绝缘测试四种测试功能。针对提出的方案进行了硬件选型和设计、软件设计、设计了 PCB 并制成了样品板，进行了实验室调试和现场联调，验证了设计的电测系统的实际测试效果。 主要工作成果如下： （1）提出了一种按照测试回路电压高低划分电测系统测试方法的整合方案，并进行了硬软件设计与调试，实现了电测系统的整合，在精度和效率方面基本达到了设计要求。 （2）对微弱信号检测的信号和噪声进行了分析，并且结合具体情况，采用开关倒向技术极大地减小了测试系统的热电势和电化学电势的干扰。 （3）针对实际测试通信要求，制定了一套通信协议，实现了根据上传状态码判断电测系统的工作状况的要求。 （4）将中位值数字滤波算法应用于 AD 采样程序中，大大减少了飞针
