基于FPGA的電容在線測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PCB在焊接完成后，需要對(duì)其元器件進(jìn)行測(cè)試，傳統(tǒng)的方法是將其焊離PCB板后測(cè)試，但該方法不僅麻煩、效率低，并且容易損傷電路板而極不實(shí)用;另一方法就是人工結(jié)合機(jī)器進(jìn)行測(cè)試，但這需要測(cè)試人員有一定的經(jīng)驗(yàn)，也給測(cè)試帶來了一定的不確定性，使得測(cè)試結(jié)果的精準(zhǔn)度無法達(dá)到現(xiàn)代電路板的可靠性要求。所以，本文研究了一種可行的、簡(jiǎn)單實(shí)用及高精度的電容在線測(cè)試電路。另外，隨著EDA技術(shù)的快速發(fā)展，FPGA以其高集成度、高可靠性及靈活性等特點(diǎn)正在快速成為數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，在多種領(lǐng)域都有非常廣闊的應(yīng)用前景。本設(shè)計(jì)結(jié)合上述兩特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于向FPGA內(nèi)植入Nios II嵌入式軟核作為控制器的電容在線測(cè)試電路。

1.測(cè)試原理

在線測(cè)試的基本思想是應(yīng)用電氣隔離技術(shù)，將被測(cè)元器件在電氣上和與其相連的元件隔離，進(jìn)而一一檢測(cè)PCB板上的每一個(gè)元件。隔離方法如圖1所示。

設(shè)待測(cè)元件為Zx,周圍與之相連的元件阻抗等效為Z1、Z2,并將其另一端與測(cè)試電路同地。因?yàn)檫\(yùn)放正向輸入端接地，根據(jù)“虛地”原則，Z2兩端等電位，都為地，即Z2被隔離;另外Vi為理想電壓源時(shí)，內(nèi)阻為零，Z1可視為電壓源的輸出負(fù)載，不影響Zx上電壓降，即Z1也被隔離。即：

可見，只要確定輸入，測(cè)得輸出結(jié)果，就可計(jì)算出被測(cè)元件的大小。

2.電容測(cè)試電路的硬件設(shè)計(jì)

電容在線測(cè)試的硬件電路如圖2所示。

R2、C1和U1共同構(gòu)成一個(gè)反向積分器，為減少運(yùn)放振蕩的可能性，所以采用反向輸入。R1的作用是使有內(nèi)部相位補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)放開環(huán)特性與積分電路的頻率特性相同，保證一定頻率范圍內(nèi)開環(huán)增益與頻率無關(guān)。Header2為被測(cè)電容的接入插槽。

Z1、Z2是與被測(cè)電容相連的干擾阻抗。被測(cè)電容同U2和R8-11一起構(gòu)成微分電路。小阻值R3起限制輸入電流的作用，亦即限制了R8-11中的電流。小容量C2起相位補(bǔ)償作用，提高電路的穩(wěn)定性。

另外，在器件的選擇上，運(yùn)放選用LM318,對(duì)于C1和C2,應(yīng)選用絕緣電阻大的薄膜電容，不宜用鋁電容或鉭電容，本設(shè)計(jì)選用的是聚丙烯電容。

當(dāng)Vi為一正弦信號(hào)時(shí)，積分器的輸出為：

可見，在正弦信號(hào)的激勵(lì)下，R8-11選擇合適，就能得到正比于被測(cè)電容Cx的輸出電壓Vv_out,繼而可以算出被測(cè)電容值。

PCB在焊接完成后，需要對(duì)其元器件進(jìn)行測(cè)試，傳統(tǒng)的方法是將其焊離PCB板后測(cè)試，但該方法不僅麻煩、效率低，并且容易損傷電路板而極不實(shí)用;另一方法就是人工結(jié)合機(jī)器進(jìn)行測(cè)試，但這需要測(cè)試人員有一定的經(jīng)驗(yàn)，也給測(cè)試帶來了一定的不確定性，使得測(cè)試結(jié)果的精準(zhǔn)度無法達(dá)到現(xiàn)代電路板的可靠性要求。所以，本文研究了一種可行的、簡(jiǎn)單實(shí)用及高精度的電容在線測(cè)試電路。另外，隨著EDA技術(shù)的快速發(fā)展，F(xiàn)PGA以其高集成度、高可靠性及靈活性等特點(diǎn)正在快速成為數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，在多種領(lǐng)域都有非常廣闊的應(yīng)用前景。本設(shè)計(jì)結(jié)合上述兩特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于向FPGA內(nèi)植入Nios II嵌入式軟核作為控制器的電容在線測(cè)試電路。

1.測(cè)試原理

在線測(cè)試的基本思想是應(yīng)用電氣隔離技術(shù)，將被測(cè)元器件在電氣上和與其相連的元件隔離，進(jìn)而一一檢測(cè)PCB板上的每一個(gè)元件。隔離方法如圖1所示。

設(shè)待測(cè)元件為Zx,周圍與之相連的元件阻抗等效為Z1、Z2,并將其另一端與測(cè)試電路同地。因?yàn)檫\(yùn)放正向輸入端接地，根據(jù)“虛地”原則，Z2兩端等電位，都為地，即Z2被隔離;另外Vi為理想電壓源時(shí)，內(nèi)阻為零，Z1可視為電壓源的輸出負(fù)載，不影響Zx上電壓降，即Z1也被隔離。即：

可見，只要確定輸入，測(cè)得輸出結(jié)果，就可計(jì)算出被測(cè)元件的大小。

2.電容測(cè)試電路的硬件設(shè)計(jì)

電容在線測(cè)試的硬件電路如圖2所示。

R2、C1和U1共同構(gòu)成一個(gè)反向積分器，為減少運(yùn)放振蕩的可能性，所以采用反向輸入。R1的作用是使有內(nèi)部相位補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)放開環(huán)特性與積分電路的頻率特性相同，保證一定頻率范圍內(nèi)開環(huán)增益與頻率無關(guān)。Header2為被測(cè)電容的接入插槽。

Z1、Z2是與被測(cè)電容相連的干擾阻抗。被測(cè)電容同U2和R8-11一起構(gòu)成微分電路。小阻值R3起限制輸入電流的作用，亦即限制了R8-11中的電流。小容量C2起相位補(bǔ)償作用，提高電路的穩(wěn)定性。

另外，在器件的選擇上，運(yùn)放選用LM318,對(duì)于C1和C2,應(yīng)選用絕緣電阻大的薄膜電容，不宜用鋁電容或鉭電容，本設(shè)計(jì)選用的是聚丙烯電容。

當(dāng)Vi為一正弦信號(hào)時(shí)，積分器的輸出為：

可見，在正弦信號(hào)的激勵(lì)下，R8-11選擇合適，就能得到正比于被測(cè)電容Cx的輸出電壓Vv_out,繼而可以算出被測(cè)電容值。