PCB 在焊接完成后需要对其元器件进行测试。传统的方法是将元件焊离 PCB 板后测试，但该方法不仅麻烦、效率低，而且容易损伤电路板，极不实用；另一种方法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，使测试结果的精准度无法达到现代电路板的可靠性要求。因此，本文研究了一种可行、简单实用且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。本设计结合上述两个特点，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。

一、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，并使另一端与测试电路同地。由于运放反相输入端的虚地特性，Z2 两端电位近似相等（均近似为地电位），即 Z2 被隔离；另外当 Vi 为理想电压源（内阻为零）时，Z1 可视为电压源的输出负载，不影响 Zx 上的电压降，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。

图 1　在线测试的隔离方法

二、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控制器 FPGA，本文采用串行装载控制字以节约 I/O 口，图 2 为控制字的串行加载时序。

图 2　控制字串行加载时序

采用串行输入方式时，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 3 为 DDS 硬件电路，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 100 MHz 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 +5 V 供电。IOUT 输出信号经过滤波器后作为测试电路的激励信号。

图 3　DDS 硬件电路

通过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 0.01～3 μF。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。