单板硬件测试规范.doc

文档名称:电源单板硬件测试规范页数: 第 75 页 共 75 页电源单板硬件测试规范修 订 信 息 登 记 表目 录前 言6摘 要：7关键词：7缩略词解释7一.目 的7二.适用范围7三.引用/参考标准或资料7四.名词解释7五.测试基本原则及判定准则75.1 测试基本原则75.2 技术指标说明85.3 不合格测试项目分类准则85.4 质量判定准则85.5 测试准备8六.测试仪器、测试工具、测试环境86.1 测试仪器86.2 测试工具96.3 测试环境9七.测试项目、测试说明、测试方法、判定标准97.1 外观及尺寸审查97.2 电路原理图审查107.2.1 基准电路107.2.2 滤波电路107.2.3 保护电路127.2.4 看门狗电路127.2.5 ID电路147.2.6 缓冲驱动电路147.2.7 锁存电路157.2.8 分压电路167.2.9 键盘电路167.2.10模拟量通道选择电路177.2.11 有效值电路197.2.12 差分放大电路207.2.13 压频转换电路217.2.14 RS485/422电路237.2.15 RS232电路287.2.16 CAN电路297.2.17 CPU基本电路审查317.2.17.1 MCS51基本电路317.2.17.2 TI DSP基本电路327.2.17.3 MPC852基本电路357.2.17.4 ARM基本电路367.2.18 继电器电路397.2.19 交流电压采样电路417.3 信号测量427.3.1 基准电路427.3.2 看门狗电路447.3.3 时钟电路467.3.4 ID电路477.3.5 分压电路477.3.6 IIC电路487.3.7 有效值电路497.3.8 平均值电路497.3.9 差分放大电路517.3.10 交流频率采样电路517.3.11 电池熔丝状态检测电路537.3.12 压频转换电路557.3.13 光耦固态继电器567.3.14 光藕电路577.3.15 RS485/422电路577.3.16 RS232电路587.3.17 CAN电路597.3.18 CPU电路信号测量617.3.18.1 MCS51单片机基本电路617.3.18.2 DSP基本电路617.3.18.3 MPC852基本电路637.3.18.4 ARM基本电路647.4 电路计算657.4.1 TVS电路657.4.2 光耦固态继电器677.4.3 光藕计算687.4.4 差分放大电路计算717.4.5 单板电路功耗计算717.5 研究性测试727.5.1 近场骚扰测试72八.附录758.1 测试方案模板758.2 测试项目手册模板758.3 单板测试CheckList758.4 整流模块DSP硬件测试规范768.5 逻辑电平76前 言摘 要： 本规范介绍了电源单板硬件测试的项目、测试方法以及测试原理。关键词：电源单板硬件测试 原理图 波形测量 电路计算缩略词解释LCD: Liquid Crystal DisplayLED: Light Emitting DiodeCPU: Central Processing Unit一. 目 的规范监控单板的白盒、极限测试，包含测试项目、测试说明、测试方法以及判定标准等；规范通信监控单板白盒极限测试的基本原则、不合格问题分类与质量判定标准；返回目录二. 适用范围适用于公司所生产的电源系统及环境监控的监控单板。返回目录三. 引用/参考标准或资料产品开发规格书、单板详细设计书返回目录四. 名词解释1 IEC ：国际电工委员会2 EUT ：被测设备3 劣化(性能)：任何装置、设备或系统的工作性能与正常性能非期望的偏离。劣化可应用于暂时性或永久性的故障。4正常工作：监控单板功能符合设计要求。返回目录五. 测试基本原则及判定准则5.1 测试基本原则以标准（IEC标准和其它国际标准、国家标准、部颁标准）、开发规格书、企业标准、测试规范为依据，以测试数据为准绳，站在用户的角度上对监控单板进行评测，将功能缺陷与故障隐患暴露在测试阶段。系统指标判据以开发规格书和企业标准为准，当测试项目在开发规格书和企业标准中未明确界定时，以测试规范中系统指标的默认参考指标或相关行业标准为准。测试工作不受项目开发组态度与思路及其他干扰测试过程因素的影响，独立按照测试流程进行。样机测试中，如果因测试问题较严重，已影响系统测试工作的顺利进行，需停止测试，方允许在受测系统上进行修改，项目开发组对问题进行修改并完成自测后，重新提交测试申请，转入下一循环的测试。其余情况下，测试问题只能在第二套样机上进行修改及自测，并进行记录。在下一测试阶段，对改正后的测试问题进行系统验证并进行其它项目的测试。中试测试着重测试设计产品的复制效果复制品性能、指标的达标情况。返回目录5.2 技术指标说明开发规格书或企业标准规定的指标低于业界相关标准的规定时，需修改开发规格书或企业标准，否则依据业界标准判定开发规格书或企业标准不合格，并提请总体办重新对开发规格书或企业标准进行评审。l指标界定部标为最低标准，当开发规格书优于部标、国标或国际标准时，以开发规格书和企业标准为准：未做特殊说明的指标为开发规格书、项目任务书及相关标准中界定的指标要求，是产品必须具备的基本指标。返回目录5.3 不合格测试项目分类准则请参考测试部制定的测试问题分类标准。返回目录5.4 质量判定准则l合格判定： 无A、B类不合格项，C类不合格项小于3项，判定系统合格。l不合格判定：A、B类问题，一项不合格，既判定系统不合格；C类问题， 三项（不含三项）以上不合格，既判定系统不合格；lD类问题判定：由总体组和专家组，参照技术、市场、生产、成本等等限制条件确定其对系统合格与否的影响。对D类问题的判定结果，由总体组和专家组负责，不计入测试部的评定指标范围。l 对本规范，如果没有特别说明，不合格的为严重问题。返回目录5.5 测试准备单板测试前需要先进行上下电切换20次及快速上下电20次，人为以最快的速度进行上下电，（考察CPU及SDRAM和Flash是否因掉电时间缓慢引起异常），不能有损坏，监控不能出现重启及其它异常情况，才开始测试。返回目录六. 测试仪器、测试工具、测试环境6.1 测试仪器序号仪器仪表精度及级别1名称参考型号2数字万用表FLUKE-453数字万用表FLUKE-1874模拟示波器100MHZ 或 20MHZ5数字示波器Tek TDS510A500MHZ，500MS/S6数示示波器Tek TD340A100MHZ100MHZ，500MS/S7可调稳压电源WYK100-10输出电压：0 100V输出电流：0 10A 8双路跟踪稳压稳流电源DH1718D-40-32V，0-3A9计算机PIII800以上带网口，串口，WIN98/2K/XP10信号源CA10011函数发生器HP33120A返回目录6.2 测试工具POWERSTAR 后台测试软件；监控系统内、外通信协议测试平台。返回目录6.3 测试环境测试实验室七. 测试项目、测试说明、测试方法、判定标准7.1 外观及尺寸审查l测试说明：1) 初样样机单板飞线不能超过3处，不能存在飞器件；其他版本样机不能存在飞线和飞器件现象；2) 插座应该有防插错功能；（详见保护电路测试）3) 建议有电源指示灯或电源指示灯接口4）样机尺寸应符合规格书要求l测试方法：外观：目测。尺寸：使用长度量具测量。l判定标准：符合测试说明，合格；否则，则判定不合格。l参考案例：案例1【现象描述】SM模块的电源输入口与RS485通讯口的插座相同，无防插座处理，导致测试时，将RS485通讯线与电源输入口差错，从而将连接在RS485总线的所有SM模块端口损坏。返回目录7.2 电路原理图审查7.2.1 基准电路l测试说明：模拟量在采样时需要有基准电路，当基准发生变化时，将导致模拟量采样发生漂移或严重偏离实际输入。电压基准源分为并联型和串联稳压型。并联型基准主要是利用半导体结的正负温度特性，通过设计一定的间隙电压下，其温度系数最小。一般的间隙电压有2.5V, 1.24V，1.225V等。2.5V我司主要推荐使用AZ431，HA17431H。1.24V 主要使用AZ431L，LMV431。1.225V主要采用 LM4041，TS4041。串联稳压型，其结构同电压调整器类似，其内部一般也需要一个基准源，外部有高精度的反馈网络。由于一般要采用特殊的工艺，制程较复杂，价格较贵。此基准能做到高精度，低温度系数。主要用于高精度和低温漂的场合。串联型基准主要采用2.5V，2.048V基准。SOT-23封装是以后主要封装，35年内基本不会淘汰。我司推荐ADR380，MAX6021 。基准电路的基准源的选取应该使用公司推荐的芯片。同时基准只用于电压参考，不允许直接用于作电源供电或输出较大的电流。l测试方法：1. 基准电路的基准源的选取应该满足测试说明，否则提一建议问题。2. 检查电路原理图，基准是否只用于电压参考，不允许直接用于作电源供电或输出较大的电流。l判定标准： 符合测试说明为合格，否则不合格。l 参考案例：无返回目录7.2.2 滤波电路l测试说明：在单板的电源输入侧，出于对电源质量，上电特性及热插拔的需要，需要加电源滤波电路。电源滤波电路的形式有多种，可以是单电容型、单电感型、L型、型滤波器，其中比较通用，效果较好的是形电源滤波器，它的基本电路形式为图1所示。图1 形电源滤波器单板中形电源滤波器的容抗及感抗参数应按实际需要进行选择，滤波器中的C1与C2，C3与C4一般是由电解电容及高频电容组成的并联电容组，其中C2与C3一般为电解电容，其主要作用是滤除电源中的低频噪声，而C1与C4一般为独石或瓷片电容，主要作用是为了滤除电源上的高频噪声。输入侧的电解电容的容值一般不宜过大，否则当单板带电插入时相当于对电源并入一大电容，可能会将电源电压瞬间拉低造成同框单板复位。输入侧高频电容的值一般在0.01uf-0.1uf之间，低频电容一般选择在10uf-47uf之间。电感的作用为抑制电流瞬间变化，电感越大，抑制效果越好。但同时电感太大时单板的上电特性不好，上电及掉电或带电插拔时，电感两端会产生反电势，这样会对后面的负载产生影响。故参数不宜过大，推荐的参数为10uH-40uH。标准值为10uH。输出侧的电容不仅要完成去耦及过滤纹波的作用，并且还须维持输出电平不受电感反电势的影响，兼顾考虑板内负载大小及板内其他去耦电容的数量，推荐参数为低频电容10uf-50uf，高频电容0.01uf-0.1uf。电容电感的实际取值要由单板的电路及单板需要完成的功能具体决定。实用的电源滤波器图2 电源滤波器的实用电路如图所示为一种比较实用的电源滤波器，它对滤除差模噪声和共模噪声都有一定的效果。共模电感 L1 在滤除差模噪声的同时对共模噪声有显著效果，同时 C7、C11 也是滤除共模噪声，一般选用1000pF0.1uF 的瓷介电容，有较好的高频特性，这两个电容的接地阻抗也要求尽可能的小，其值选的较大时有助于增强滤波效果，但却使接地阻抗减小，漏电流变大，因此应考虑漏电流的影响。共模电感的铁心应选取较难磁饱和且注意截面积不能太小，否则易使铁心磁饱和而使滤波效果下降。输出滤波器可根据使用对象对电源的要求来选取，数字电路尤其是高速数字电路对电源要求比较高，可选用如下的滤波电路：图3 电源输出滤波器l测试方法：1）审查电路中有无电源滤波器。如无电源滤波器则测试中应重点测试单板带电插拔性能、电源波动时单板的工作性能，以及频繁上电对单板的冲击。2）审查电路中电源滤波器的电路拓扑，如果与测试说明中的滤波器不同，则需要进行一下项目测试:a在电源输入的要求电压范围内变化，用示波器测量输出电压纹波峰峰值。电源纹波应该小于额定输出的3；b对单板频繁上下电5次，观察是否存在单板不能启动或正常工作的情况。l判定标准：1） 检查电路拓扑是否为公司推荐的拓扑结构与参数范围，否则提一个建议问题。2） 满足测试说明，合格；否则，不合格。l参考案例：无返回目录7.2.3 保护电路l测试说明：电源的极性保护电路有两种形式，一种是电源的正负极性接反时，电路不工作，只做保护，这时只是在电源的一极串入一个正向导通的二极管，在电源方向接反时，由于二极管的方向截止特性保护了内部电路；一种是对电源的方向没有要求，正负都可以工作，这时电源输入端应有整流电路，常用的是使用二极管或硅桥整流电路。电源的极性保护电路通常在电源滤波器的之前。电源保护电路建议在正极输入端串联保险丝进行过流保护，当电流太大时，保险丝熔断或暂时熔断对单板进行保护。l测试方法：审查有无电源的极性保护电路，对于没有该电路的单板，应要求在电源的输入端具有防反插功能，且有明显的极性指示标志。l判定标准：1） 对于有电源极性保护电路的单板，如果电源极性反接，单板不损坏，为合格，否则，该项不合格；2） 对于没有该电路的单板，应要求在电源的输入端具有防反插功能，且有明显的极性指示标志，否则判为不合格。l参考案例：无返回目录7.2.4 看门狗电路l测试说明：复位电路保证在电源来电的时候，硬件电路部分能够可靠复位，保证关键电路或芯片的逻辑是一个正确的逻辑或不改变系统当前应处的状态；在电源掉电或电源电压（低于最低工作电压）下降过程中，保证复位电平使单板处于复位有效状态。看门狗电路保证在系统陷入死循环、没有在要求时间内喂狗、电源中断或电源电压低到已不能使电路正常工作时，对单板复位。我司主要使用的复位电路有看门狗电路和手动复位电路。看门狗芯片主要使用有：ADM706、TC1232，这两种芯片是WDT、复位功能合一的芯片。但TC1232公司已经不再使用，这里主要讨论ADM706的使用。使用ADM706时，注意以下事项：1) /WDO 应连接到 /MR，保证WatchDog 有效，否则 WDT不会被触发。2) PFI（POWER FAIL INPUT）不使用时不能悬空；3) 由于 /RESET 输出低电平为有效复位信号，平时保持高电平输出。对于要求高电平复位的芯片应注意增加反相器进行反向；4) 需要复位的芯片比较多时，应注意ADM706的复位驱动电流能力，必要时应增加功率驱动（ADM706 在输出复位信号为高电平时，拉电流为800uA；在输出低电平时，灌电流为3.2mA）；5) ADM706的 Vcc 在小于 1V 时输出有效复位电平，并在 Vcc 恢复正常后保持 200ms ，因此对于部分对工作电压要求比较严格的芯片可采用 ADM706 做WDT 同时还具备电压监视的功能；6) 应有喂狗指示电路，即应有喂狗指示灯；7) ADM706 作为WDT 使用时的典型电路入图4所示：图4 看门狗电路4.7kW的上拉电阻主要是改善输出驱动能力和复位波形。有手动复位时，可以在 /MR 端接复位键或在输出端接复位键，通常在 /MR端接手动复位键。8)reset 引脚输出滤波电路检查，若在电路设计的时候，在RESET引脚的输出增加滤波电路的情况下，滤波电路一般采用RC滤波，见下图：但RC滤波电路电路的时间常数过长（虽然抗干扰性提高了），会导致复位电路的电压下降过慢，可能会出现单板掉电的时候（如上下电过程中），电源电压已经掉到一个不稳定状态（cpu还工作，但不稳定），但复位电路电压还比较高，不能够有效复位，这种情况下，可能会出现cpu运作错乱，在操作flash时，会出现操作flash出错甚至改写flash数据的情况出现，而导致单板程序出问题。类似的例子已经在plc产品上出现。故必须进行RC滤波的检查。（plc出问题的产品的RC时间常数为T4.7K1uF4.7mS，要求检查时间常数RC必须小于0.47mS（小于出问题的0.1倍），如果设计的时间常数大于0.47mS，需要通过反复测试上下电过程中，复位电路的输出信号确定是否有问题。l测试方法：按测试说明审查电路l判定标准：符合测试说明，合格；否则，不合格。l 参考案例：返回目录7.2.5 ID电路l测试说明：ID 信号即为单板的板位信号，通常用来作通讯地址译码选择、单板类型选择、波特率选择、硬件电路的控制等，典型ID信号在母板上悬空或接GND，所以在单板上需作处理，推荐使用电路如下：ID典型电路图中：1)拨码开关为OFF时，ID管脚悬空，ID信号由上拉电阻上拉为高电平1；拨码开关为ON时，ID管脚接地为低电平代表逻辑0。2）需要加上拉电阻和限流电阻。上拉电阻建议取4.710kW，隔离限流电阻一般取220。在有热插拔要求时，220W的隔离限流电阻主要起到抑制单板插拔时的瞬间电流过强，对芯片影响大而导致问题发生甚至芯片损坏。l测试方法：1 检查是否有上拉电阻，电阻值是否合适。公司推荐优选上拉电阻方案，不选下拉电阻方案。2 热插拔要求时，检查是否有限流电阻或经过缓冲驱动器隔离。l判定标准：1检查是否有上拉电阻，否则不合格，为严重问题； 2热插拔要求时，检查是否有限流电阻或经过缓冲驱动器隔离，限流电阻推荐阻值为220欧。阻值选择原则为，拨码开关闭合时，VIDout 200mV）及共模干扰电压的处理应合适，在终端匹配网络中串入2个二极管，利用二极管的钳位吸收作用消除空闲电平。5）对应485的终端中的终端电阻的选取应合适（一般输出端需要上拉电阻，阻值依据设计的驱动能力，一般范围为1K10K，仅供参考）。6）对于485电路缺省状态，应该为接收状态，避免从机初始化过程或故障时，影响总线的正常功能。l测试方法：详见测试关注点。l判定标准：满足测试说明，合格；否则，不合格。l参考案例：案例1：测试方法不当造成的通信中断 【现象描述】 多屏系统通讯时，使用一个示波器探头测试其通讯波形时导致通讯失败不能恢复，通过修改软件后，为继续跟踪该问题，使用了两个普通示波器探头（P6109B型），通道1测试通信总线上的差分驱动信号，通道2测试通信的收发控制信号。结果更加频繁地导致通讯失败，且该现象每次都可复现。 【原因分析】开始时，我们还以为是除了软件原因外还有其它原因，但最后发现是由于示波器使用方法不对，原因是通道1测试的差分信号的地电位和通道2的地电位相同，导致差分信号中的TX-和GND短路，引起数据总线上的电位变化从而导致通讯失败。由此可见，由于仪器的使用不当同样会导致很多问题。使用普通探头测量差分信号时，一定要注意此问题。案例2：终端匹配电阻对RS485通讯的影响【现象描述】在进行PROFIBUS适配器调试时，总线通讯速率1.5Mbps，通讯距离15米（双绞线），系统不能正常工作，表现为适配器不能稳定地处于数据交换状态。降低波特率至500Kbps后工作正常。【原因分析】 在实验室环境下，干扰并不严重，并且通讯距离较短，所以可以排除是外界电磁干扰的影响。降低波特率后工作正常，并且1.5Mbps远未达到PROFIBUS接口芯片的极限速率