基于FPGA的电容在线测试系统设计

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。

1.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。即：

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。

2.电容测试电路的硬件设计

电容在线测试的硬件电路如图2所示。

R2、C1和U1共同构成一个反向积分器，为减少运放振荡的可能性，所以采用反向输入。R1的作用是使有内部相位补偿的运放开环特性与积分电路的频率特性相同，保证一定频率范围内开环增益与频率无关。Header2为被测电容的接入插槽。

Z1、Z2是与被测电容相连的干扰阻抗。被测电容同U2和R8-11一起构成微分电路。小阻值R3起限制输入电流的作用，亦即限制了R8-11中的电流。小容量C2起相位补偿作用，提高电路的稳定性。

另外，在器件的选择上，运放选用LM318,对于C1和C2,应选用绝缘电阻大的薄膜电容，不宜用铝电容或钽电容，本设计选用的是聚丙烯电容。

当Vi为一正弦信号时，积分器的输出为：

可见，在正弦信号的激励下，R8-11选择合适，就能得到正比于被测电容Cx的输出电压Vv_out,继而可以算出被测电容值。

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。

1.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。即：

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。

2.电容测试电路的硬件设计

电容在线测试的硬件电路如图2所示。

R2、C1和U1共同构成一个反向积分器，为减少运放振荡的可能性，所以采用反向输入。R1的作用是使有内部相位补偿的运放开环特性与积分电路的频率特性相同，保证一定频率范围内开环增益与频率无关。Header2为被测电容的接入插槽。

Z1、Z2是与被测电容相连的干扰阻抗。被测电容同U2和R8-11一起构成微分电路。小阻值R3起限制输入电流的作用，亦即限制了R8-11中的电流。小容量C2起相位补偿作用，提高电路的稳定性。

另外，在器件的选择上，运放选用LM318,对于C1和C2,应选用绝缘电阻大的薄膜电容，不宜用铝电容或钽电容，本设计选用的是聚丙烯电容。

当Vi为一正弦信号时，积分器的输出为：

可见，在正弦信号的激励下，R8-11选择合适，就能得到正比于被测电容Cx的输出电压Vv_out,继而可以算出被测电容值。