专利名称：一种电路板原理图测绘装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子测试装置，具体地说是一种电路板原理图测绘装置。
背景技术：
目前，电子设备广泛应用于许多行业和部门，发挥着至关重要的作用。电子设备一般由各种电路板组成，具有技术含量高、故障率高的特点，一旦发生故障，将对设备的正常运行产生重大影响，必须及时进行修理。但是由于许多设备尤其是进口设备往往缺少原理图纸，导致无法对设备进行修复，设备无法运行，造成很大的损失，因此获取电路板原理图用来指导修理工作十分迫切和必要。目前，获取电路板原理图主要有打磨法、观察法、手工测试法及固定针床测试法。 打磨法是将电路板元器件拆下，然后对电路板进行打磨，每打磨一层就进行照相，直至打磨完所有的电路板层，根据每层的成像来绘制电路原理图，这种方法需要完全损坏一套电路板，成本高昂，一般情况下难以实施；观察法是肉眼观察电路板上的走线，然后手工进行绘制，这种方法往往适用于不太复杂的单面板及双层板，对于现在越来越多的多层板无法适用；手工测试法是使用万用表的欧姆档对被测电路板上所有元器件管脚之间的电阻进行两两测试，如果两个管脚之间电阻小于一个特定的值，可认为两点之间导通，否则为不导通， 这种方法对电路板没有损伤，也适用于多层板，但是工作量大、错误率高；固定针床测试法是使用针床对电路板进行固定，然后利用光学成像手段绘制被测电路板上电子元器件管脚分布图，然后再根据分布图制作相应的通道板，用于定位测试探针，最后在测试软件的控制下，由测试主机发送测试指令进行测试，这种测试方法测试速度快，准确率高，但是该方法要求为每块被测电子备件制作专门的通道板及测试软件，系统庞大、成本高、制作周期长、 通用性差，无法进行大范围的推广应用。CN200820227738. 1公开了一种电路板原理图测绘系统，该设计对所用的各类总线接口元器件及模拟开关器件的体积尤其是高度有着苛刻的要求，系统抗干扰能力差，工作不稳定。
发明内容
本发明的目的就是提供一种测试速度快，准确率高，通用性好，抗干扰能力强的电路板原理图测绘装置。本发明的目的是这样实现的
本发明所提供的电路板原理图测绘装置，其包括有数控主机、测试仪、柔性针床，其设计要点在于测试仪与柔性针床通过电缆连接；测试仪由背板、通道板、电源�？�、机箱组成， 背板上设有插座，通道板通过该插座垂直插接于背板上；背板通过USB电缆与数控主机连接；通道板通过插座与柔性针床连接。在使用时，数控主机用来发送控制指令、接收采集数据并进行处理，最终根据处理结果绘制被测电路板电路原理图。柔性针床2用来固定、连接被测电路板16，通过扁平电缆9与测试仪1连接。测试仪1用来接收数控主机发送的控制指令，通过其内部的通道切
3换将测试微电流加载到被测电路板16相应的管脚，从而实现被测电路板16所有元器件管脚之间的两两测试，并将采集到的测试数据通过USB接口发送给数控主机。本发明所具有的有益效果是
1、在测试时无需对被测电路板进行拆解，且适用于任何规格电路板原理图的测试。其结构简单、抗干扰能力强、工作可靠、成本低、通用性好、测试速度快，准确率高，可方便地与计算机进行通信。2、本发明将测试仪和柔性针床设计成两个相对独立的机构，再通过电缆连接，由此一方面可使测试仪中的各种电路板板有足够的空间可安装使用各种常用的滤波、整流、 隔离、保护器，从而保证了整个装置可以稳定运行。另一方面柔性针床上不设置通道板，从而大大方便了被测电路板的安装、调试，节省了测试时间。3、本发明使整个测试电路的设计更为科学合理，从而不仅大大缩小了测试装置的体积，同时也提高了测试速度以及测试的准确率。
图1本发明的整体结构示意图。图2本发明中压条的纵向剖面图。图3本发明的背板电路结构框图。图4本发明的通道板电路结构框图。图5本发明的背板电路原理图。图6本发明的通道板电路原理图。图7为四线制测试电阻法原理图。
具体实施例方式本发明如图1所示，包括有数控主机、测试仪1、柔性针床2。测试仪1与柔性针床 2通过电缆9连接；测试仪1由背板3、通道板4、电源�？�5、机箱6组成，背板3上设有插座8，通道板4通过该插座8垂直插接于背板3上；背板3通过USB电缆与数控主机连接； 通道板4通过插座7与柔性针床2连接。其中电源�？�5与背板3连接，向背板3提供工作电源及通过背板插座8向通道板4提供工作电源，并对输出电压进行实时监测，保证系统正常运行。背板3、通道板4、电源�？�5均置于一个机箱6。背板插座8可选用具有五个插孔的标准接插件。通道板插座7可选用具有两排共64个插孔的标准接插件。为了进一步增强本发明的工作稳定性，所设计的背板3的电路(如图3所示)，由 USB接口电路3a、背板I2C中继电路北、恒流源电路3c、电压比较电路3d、背板总线电路；^ 组成；USB接口电路3a接收数控主机发送的控制指令，经解析后通过背板1 中继电路北送至背板总线电路3e ；恒流源电路3c通过背板总线电路3e提供测试被测电路板16所需的微电流；电压比较电路3d将恒流源电路3c输出电压与基准电压比较后将比较结果送往 USB接口电路3a，再传输给数控主机进行数据处理；
其更为具体的的是，数控主机的指令通过USB电缆发送给与其相连的背板3的USB接口电路3a，该接口电路对控制指令进行解析转换成1 总线数据格式并将其送至1 中继电路北，该中继电路突破了 1 协议中所规定的连接在一条总线上的从部件输入电容之和不能大于400pF的局限，对连接在其上的部件数量没有限制，为系统提供了良好的可扩展性； 背板总线电路3e为包含五根相互平行导线的总线电路，其上均勻设置有数个背板插座8， I2C中继电路北将解析后的控制指令通过背板插座8的两根导线送出；恒流源电路3c与背板总线电路3e的另一根导线连接，用来产生测试用的微电流，出于安全考虑，该电流为 ImA,在快速测试的情况下，不会对被测电路板16造成损伤；电压比较电路3d将恒流源电路 3c输出电压与基准电压比较后将比较结果送往USB接口电路3a，由数控主机对测试数据进行处理。其电路原理如图5所示，由内置USB接口及1 接口的单片机Ul及其外围电路组成USB接口电路3a，由P82B96型I2C中继器U2组成I2C中继电路3b，由精密电压基准U5、 运算放大器U6及精密电阻Rl组成恒流源电路3c，由电压比较器U3与电压基准U4组成电压比较电路3d ；Ul的D+、D-引脚与计算机的USB接口连接，SCL,SDA引脚分别与U2的Sx、 Sy引脚连接，U2的引脚Tx与Rx连接、Ty与Ry连接后分别与背板总线电路3e上的SCL、 SDA线相连；Rl —端与U5的输出端引脚OUT相连，另一端与U6的异相输入端相连构成恒流源电路3c的输出端，TO接成电压跟随器，即其同相输入端与输出端连接后与TO的地端引脚 GND相连，U6同相输入端与U5输出端之间即Rl两端电压就等于U5的基准电压，从而输出恒定的电流，该电流值i=U5基准电压 ui/Rl，并通过电阻R2与背板总线电路!Be上的Iout 线连接；U4输出端与U3的负极输入端引脚IN-相连，为U3提供参考基准电压"财，U3的正极输入端引脚IN+与恒流源电路3c的输出端即U6的异相输入端连接，U3输出端引脚OUT 与Ul的I/O 口引脚PAO连接；背板总线电路!Be为五线制总线电路，包括I2C时钟线SCL及数据线SDA、电源线VCC及GND、恒流源电流线lout，均与背板插座8相连接；设被测管脚之间的电阻为Rx，模拟开关的内阻为Ri，则从背板总线电路3e上恒流源电流线Iout至地线 GND之间的电阻为Rx+2Ri，那么U3正极输入端引脚IN+上的电压义=i (Rx+2Ri+R2)，如果 U1^uref, U3输出端引脚OUT上输出高电平，否则输出低电平。在本发明中，设置被测的两个管脚之间是否导通的参考门限电阻为10欧姆，则&e/=i(10+2Ri+R2)，其中i、Ri、R2均为已知，由此可计算出Uref的数值，从而可选择合适的电压基准U4。本发明中的通道板4的电路(如图4所示)，由通道板I2C中继电路如、控制电路 4b、模拟开关矩阵电路如)通道接口 4d组成；其中通道板I2C中继电路如接收背板总线电路3e送来的控制指令，并将该指令发送给控制电路4b，控制电路4b进行地址比较成功后对指令进行解析，控制模拟开关矩阵电路4c相应开关的开合；模拟开关矩阵电路如接收背板总线电路3e上送来的微电流，经闭合的开关将该微电流送至被测电路板16上与该开关连接的元器件管脚，测试微电流经过被测电路板16上的电路后，通过模拟开关矩阵电路如上另一闭合的开关至地。通过测试恒流源电路3c的输出电压即可计算出被测电路两端的电压，根据恒流源电路3c输出的电流大�。梢约扑愠霰徊獾缏妨蕉说牡缱枳柚担杉扑愠霰徊獾缏钒�16上两个电子元器件管脚之间的阻值。通道接口 4d上的每个通道即每个接线端子均分配有一个唯一的地址，测试仪通过该地址实现对连接在该通道上的被测电路板16上电子元器件管脚的标识。本发明中的通道板4更详细的结构是通道板I2C中继电路如与背板总线电路 3e上的两根I2C导线相连，用来与I2C中继电路北配对使用以扩展I2C总线的容量，并支持热插拔，通道板I2C中继电路如将接收到的控制指令传递给控制电路4b ；由于所有通道板4均连接于同一个总线电路上，所以所有的通道板4均会接收到控制指令，因此控制电路 4b内部用计算机软件程序为每一个通道板4设置了一个唯一的地址，采用软件设置地址的方式相对于硬件方式具有设置灵活、不受接口器件地址引脚数量限制的优点，每个通道板4 上的控制电路4b都首先将控制指令中的目标地址信息与内置的地址数据进行比较，如果两个地址相同，控制电路4b继续执行下一步动作，对控制指令进行解析并将其输出以对模拟开关矩阵电路4c进行控制，否则不动作；模拟开关矩阵电路如的控制引脚与控制电路 4b连接，在控制电路4b的控制下实现相应通道的打开与闭合，模拟开关矩阵电路4c的各个开关端子均与通道板插座7上的每个接线端子相连，模拟开关矩阵电路如的输入端接收恒流源电路3c送来的微电流，经一个闭合的开关送至被测元器件管脚上，该电流流经被测电路板16上相应的电路后至另一被测管脚，再经过与该管脚相连的另一闭合的开关至背板总线电路:3e上的地线，该地线与恒流源的地端连接，由此恒流源与被测电路之间就形成了一个闭合通路，此时恒流源电路3c的输出电压就是被测电路两端的电压，根据恒流源电路 3c输出的电流大小，可以计算出被测电路两端的电阻阻值，进而可计算出被测电路板16上两个电子元器件管脚之间的阻值。本发明中的通道板的电路原理，如图6所示，由P82B96型I2C中继器U7组成通道板I2C中继电路如，由复杂可编程逻辑器件U8及有源晶振Xl组成控制电路4b，由模拟开关器件ADG732构成模拟开关矩阵电路；U7的引脚Tx与Rx相连、Ty与Ry相连后分别与背板总线电路3e的SCL,SDA线连接，U7的Sx,Sy引脚分别与U8的两个I/O引脚相连；U8的这两个I/O引脚模拟成1 接口与U7进行通信，Xl输出端与U3的时钟引脚GCLK相连为其提供时钟信号。本发明中的电压比较电路3d提供了一个基准电压，相当于提供了一个导通与断开的参考阻值，电压比较电路3d将被测电路两端电压与基准电压比较的过程，实际上也就是将计算出的两个电子元器件管脚之间阻值与参考阻值比较的过程，如果测试阻值大于参考阻值，可认为两个管脚之间为断开，否则为导通，即在电路板上两个管脚之间直接用导线连接。本发明中的柔性针床2包括横梁12、压条14和弹性测试针15 ；横梁12上分布有等间距的一排螺孔13，压条14通过紧固件固定在横梁12上相应位置；压条14 (如图2所示)上设有同轴、上部分为实心金属体、下部为中空结构的接线端子17 ；弹性测试针15上端置于压条14上的接线端子17内，下端与被测电路板16上电子元器件的管脚连接。柔性针床2更详细的结构是，柔性针床由矩形边框10、支腿11、横梁12、压条14和弹性测试针15组成，为上下对称的框架式结构；矩形边框10固定在其四角的四个支腿11 的中部，在矩形边框10的上下两面均设置有两根相互平行的横梁12，横梁12上设置有等间距的螺孔13，压条14两端的两个通孔18之间的间距与同一面的两根横梁12上两排螺孔 13之间的距离相等；将被测电路板16固定在矩形边框10垂直方向的中部，将压条14置于被测电子元器件管脚上方，使用螺钉将压条14固定在两根横梁12上，则矩形边框10上下两面的压条14与被测电路板16的间距相等；使用扁平电缆9连接测试仪1和柔性针床2， 扁平电缆9 一端为与通道板插座7同规格的具有64个插针的接插件，可插在通道板插座7 内，每根插针均与扁平电缆9的一根导线连接，扁平电缆9另一端与压条14连接，每根导线均与压条14上的接线端子17的顶部焊接，从而实现测试仪1每个通道与压条14上每个接线端子17的连接；将弹性测试针15顶部插入压条14上接线端子17的下部，底部的探针扎在被测元器件的管脚上，由于接线端子17有一定的深度，弹性测试针15在有一定倾斜角度的情况下也能保持与被测元器件管脚的可靠连接；使用一根压条14和与其连接的弹性测试针15，可覆盖压条14下方的一排被测元器件管脚，通过设置足够多的压条14及弹性测试针15，即可覆盖被测电路板16上下两面所有元器件的全部管脚，从而实现被测电路板16 所有管脚与测试仪1通道之间的连接。扁平电缆9将测试仪1与柔性针床2连接，其一端使用标准接插件插于通道板插座7上，另一端与压条14连接，扁平电缆9中每根导线两端均分别与压条14上相应的每个接线端子17和标准接插件上的插针焊接。压条14如图2所示，压条上接线端子17分为同轴的上下两部分，下部分为中空结构，上部分为实心金属体，与下部分内壁的导电金属材料连接，上部分顶部与扁平电缆9中的一根导线焊接，弹性测试针15顶部置于其下部分的内部，保证弹性测试针15在倾斜一定角度的情况下仍能与被测电路板16可靠连接；每根压条14可覆盖其下一排元器件管脚，通过在柔性针床2的上下两面设置足够多的压条14，则可覆盖被测电路板16上所有电子元器件管脚，从而实现所有管脚与测试仪1相应通道的连接；由于与测试仪通道相连的每个管脚都分配有一个唯一的地址，全部管脚与测试仪连接后，测试仪即可实现对任意两个管脚之间的测试。本发明所述模拟开关矩阵电路如由模拟开关器件ADG732构成，具体如图6所示， ADG732-U ADG732-2, ADG732-3, ADG732-4器件的使能引脚H、片选引脚 分别与U3
的八个I/O引脚相连，读写引脚元I均与U3的同一 I/O引脚连接，开关选择引脚Α(ΓΑ4按
相同的序号连接后分别与U3的五个I/O引脚连接，实现了控制电路4b对每个模拟开关器件的使能、片选、读写、开关选择等控制功能，ADG732-1与ADG732-3的公共端引脚D与背板总线电路:3e上的Iout线连接，ADG732-2与ADG732-4的公共端引脚D与背板总线电路；^ 上的GND线连接，ADG732-1与ADG732-2的开关端引脚S1 S32按相同的顺序分别连接在一起构成输出通道Kll32，ADG732-3与ADG732-4的开关端引脚S1 S32按相同的顺序分别连接在一起构成输出通道K33164，每个通道均分别与通道板插座7组成的通道接口 4d上的各个端子相连。在常规的四线制测电阻的方法中，(如图7所示)Rx为两个被测管脚之间的电阻， Rx 一端与模拟开关Kl连接，另一端与模拟开关K2连接，恒流源A正极与Kl连接，负极与 K2连接，输出电流为i，则电流流经Kl、Rx, K2形成一个闭合通路，此时恒流源A两端电压为U0,就等于Kl、Rx、K2两端电压，模拟开关K1、K2的内阻为氏，则Kl、Rx、K2两端的阻值为 2氏+妝= /7，则可计算出Rx= uji~2\ ；但是普通的模拟开关器件内阻往往较大，一般为几百欧姆，且随温度变化漂移较大，这样计算出的Rx结果有很大偏差，与实际不符，所以在四线制测试电阻的方法中又在Rx的一端设置了开关K3，另一端设置了 K4，由于K3、K4上没有电流流过，所以这两个开关上没有压降，因此两个开关之间的电压《’就等于Rx两端的电压值，因此Rx="’/i，此时模拟开关器件的内阻便不再对Rx的计算结果产生影响，从而得到准确的结果；但是这种方法将模拟开关器件的数量增加了一倍，系统规模大大扩大，成本成倍
7提高。因此发明选用了模拟开关器件ADG732来构成模拟开关矩阵电路如，该器件内阻只有几欧姆且随温度漂移很�。訰x计算结果的影响在可以接受的范围之内，对最终测试结果没有影响，因此可将K3、K4舍去，则Rx值为Κχ= / -2^。模拟开关矩阵电路如具体的电路连接如下(参照图6所示):ADG732-l、ADG732-2、 ADG732-3、ADG732-4器件的使能引脚H、片选引脚 分别与U3的八个I/O引脚相连，
读写引脚WI均与U3的同一 I/O引脚连接，开关选择引脚Α(ΓΑ4按相同的序号连接后分别
与U3的五个I/O引脚连接，实现了控制电路4b对每个模拟开关器件的使能、片选、读写、开关选择等控制功能，ADG732-1与ADG732-3的公共端引脚D与背板总线电路；^上的Iout线连接，ADG732-2与ADG732-4的公共端引脚D与背板总线电路；^上的GND线连接，ADG732-1 与ADG732-2的开关端引脚Sl S32按相同的顺序分别连接在一起构成输出通道Kll32， ADG732-3与ADG732-4的开关端引脚S1 S32按相同的顺序分别连接在一起构成输出通道 K33164，每个通道均分别与通道板插座7组成的通道接口 4d上的各个端子相连。综合以上分析结果，背板1上电压比较器U3正极输入端引脚IN+上的电压 Uj=I (Rx+2Ri+R2) :i (w0/i+R2) = uj视2， 和R2为已知，所以通过测试恒流源两端电压U0, 再经过计算后与电压基准U4的基准电压进行比较即可判断两个被测管脚之间是否导通。U3的输出端引脚OUT通过单片机Ul的PAO引脚将比较结果发送给U1，再由Ul通过 USB接口发送给计算机进行处理，进而绘制电路原理图。
权利要求
1.一种电路板原理图测绘装置，其包括有数控主机、测试仪(1)、柔性针床(2)，其特征在于测试仪(1)与柔性针床(2)通过电缆(9)连接；测试仪(1)由背板(3)、通道板(4)、电源模块(5)、机箱(6)组成，背板(3)上设有插座(8)，通道板(4)通过该插座(8)垂直插接于背板(3)上；背板(3)通过USB电缆与数控主机连接；通道板(4)通过插座(7)与柔性针床 (2)连接。
2.根据权利要求1所述的电路板原理图测绘装置，其特征在于所述的背板(3)由USB 接口电路(3a)、背板I2C中继电路(3b)、恒流源电路(3c)、电压比较电路(3d)、背板总线电路(3e)组成；USB接口电路(3a)接收数控主机发送的控制指令，经解析后通过背板I2C中继电路(3b )送至背板总线电路(3e )；恒流源电路(3c )通过背板总线电路(3e )提供测试所需的微电流；电压比较电路(3d)将恒流源电路(3c)输出电压与基准电压比较后将比较结果送往USB接口电路(3a)，再传输给数控主机。
3.根据权利要求1或2所述的电路板原理图测绘装置，其特征在于所说的通道板(4) 由通道板12C中继电路(乜)、控制电路(4b )、模拟开关矩阵电路(如)、通道接口( 4d)组成； 其中通道板I2C中继电路(4a)接收背板总线电路(3e)送来的控制指令，并将该指令发送给控制电路(4b)，控制电路(4b)进行地址比较成功后对指令进行解析，控制模拟开关矩阵电路(4c)相应开关的开合；模拟开关矩阵电路(4c)接收背板总线电路(3e)上送来的微电流， 经闭合的开关将该微电流送至被测电路板(16)上与该开关连接的元器件管脚，测试微电流经过被测电路板(16)上的电路后，通过模拟开关矩阵电路(4c)上另一闭合的开关至地。
4.根据权利要求1或2所述的电路板原理图测绘装置，其特征在于所述的恒流源电路 (3c)由精密电压基准TO、运算放大器U6及精密电阻Rl构成。
5.根据权利要求1或2所述的电路板原理图测绘装置，其特征在于所述的柔性针床2 包括横梁12、压条14和弹性测试针15 ；横梁12上分布有等间距的一排螺孔13，压条14通过紧固件固定在横梁12上相应位置；压条14上设有同轴、上部分为实心金属体、下部为中空结构的接线端子17 ；弹性测试针15上端置于压条14上的接线端子17内，下端与被测电路板16上的电子元器件的管脚连接。
6.根据权利要求3所述的电路板原理图测绘装置，其特征在于所述模拟开关矩阵电路 4c由四个ADG732模拟开关器件构成，其中ADG732-1、ADG732-2、ADG732-3、ADG732-4器件的使能引脚？�。�、片选引脚分别与电压比较器U3的八个I/O引脚相连，读写引脚^均与U3的同一 I/O引脚连接，开关选择引脚Α(ΓΑ4按相同的序号连接后分别与U3的五个 I/O引脚连接，ADG732-1与ADG732-3的公共端引脚D与背板总线电路；^上的Iout线连接，ADG732-2与ADG732-4的公共端引脚D与背板总线电路!Be上的GND线连接，ADG732-1 与ADG732-2的开关端引脚Sl S32按相同的顺序分别连接在一起构成输出通道Kll32， ADG732-3与ADG732-4的开关端引脚S1 S32按相同的顺序分别连接在一起构成输出通道 K33164，每个通道均分别与通道板插座7组成的通道接口 4d上的各个端子相连。
7.根据权利要求3所述的电路板原理图测绘装置，其特征在于所说的控制电路4b内部用计算机软件程序为每一个通道板4设置了一个唯一的地址。
全文摘要
本发明公开了一种电路板原理图测绘装置。它包括有数控主机、测试仪、柔性针床，其设计要点在于测试仪与柔性针床通过电缆连接；测试仪由背板、通道板、电源�？�、机箱组成，背板上设有插座，通道板通过该插座垂直插接于背板上；背板通过USB电缆与数控主机连接；通道板通过插座与柔性针床连接。本发明具有测试速度快，准确率高，通用性好，抗干扰能力强等优点。
文档编号G01R31/28GK102393504SQ20101029836
公开日2012年3月28日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者刘耀周, 宋祥君, 张永鹏, 方兴桥, 王振生, 赵昉 申请人:中国人民解放军总装备部军械技术研究所
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