解读FPGA电容在线测试系统电路设计方案

　　PCB在焊接完成后，需要对其元器件进行测试，传统的方法是将其焊离PCB板后测试，但该方法不仅 麻烦、效率低，并且容易损伤电路板而极不实用；另一方法就是人工结合机器进行测试，但这需要测试人员有一定的经验，也给测试带来了一定的不确定性，使得测 试结果的精准度无法达到现代电路板的可靠性要求。所以，本文研究了一种可行的、简单实用及高精度的电容在线测试电路。另外，随着EDA技术的快速发 展，FPGA以其高集成度、高可靠性及灵活性等特点正在快速成为数字系统开发平台，在多种领域都有非常广阔的应用前景。本设计结合上述两特点，设计了一种 基于向FPGA内植入Nios II嵌入式软核作为控制器的电容在线测试电路。

　　测试原理

　　在线测试的基本思想是应用电气隔离技术，将被测元器件在电气上和与其相连的元件隔离，进而一一检测PCB板上的每一个元件。隔离方法如图1所示。设待测元件为Zx，周围与之相连的元件阻抗等效为Z1、Z2，并将其另一端与测试电路同地。因为运 放正向输入端接地，根据“虚地”原则，Z2两端等电位，都为地，即Z2被隔离；另外Vi为理想电压源时，内阻为零，Z1可视为电压源的输出负载，不影响 Zx上电压降，即Z1也被隔离。可见，只要确定输入，测得输出结果，就可计算出被测元件的大小。

　　信号源电路

　　电容测试需要在测试电路输入端加交流信号，并且要求频率可调。本文采用DDS专用芯片AD9850进行交流信号源的设计。AD9850内部有40位控制字，其中32位用于频率控制，5位用于相位控制，1位用于电源休眠控制，2位用于选择工作方式。这40位控制字可以通过并行或串行方式接入到控制器FPGA，本文采用串行装载控制字，以节约I/O口，图3为控制字的串行加载时序图。

　　串行输入方式，在W_CLK上升沿把数据位D7的一位数据串行输入，当输入40位后，用一个FQ_UD脉冲即可更新输出频率和相位。图4为DDS硬件电路图。

　　其中，D0~D7为八位数据输入端口，给内部寄存器装入40位控制数据，本文采用串行输入，所以只 用到D7位与FPGA相连；CLKIN为外部参考时钟输入，本设计采用100M外部时钟输入；W_CLK为字输入信号，上升沿有效；FQ_UD为频率更新 控制信号，时钟上升沿确认输入数据有效；VINP和VINN分别为内部比较器的正负输入端；IOUT为内部DAC输出端；IOUTB为“互补”DAC输出 端；AVDD和DVDD采用+5V供电。IOUT输出信号经过滤波器后作为测试电路的激励信号。

　　通过上述实测值与标准值的比较可以看出本文设计的由FPGA控制的电容在线测试系统具有多量程自动选择，测试精度高，使用方便等特点，测试范围达到0.01μF~3μF.经理论分析和试验证明，该设计具有很强的实用性和可靠性。