通用电路板自动测试系统方案设计与实现

号一般不作为关键测试信号，若需测试时可按高频信号进行采集。其中电源信号和电平变换信号均可视为直流信号来采集，用AD7864 完成采集。而脉冲数字信号的频率较高，动辄就几十兆赫兹甚至上百兆赫兹，需要用高速的AD（本系统中用的是AT84AD331） 来进行采集，并且需要对频率进行测量。因此本系统信号采集分为低频和高频两个部分，下面分别叙述：

（1）低频部分。本部分主要采集的是电源信号和电平变换信号，采用AD7864 作为采集芯片。AD7864 具有片内时钟、读写允许逻辑、多种通道选择方式以及内部精确的2。5 V 参考电压，这使得其与高速处理器的接口变得非常简单。AD7864 转换后的数据读取采用转换后读取数据的方式，其读取时序见图3。

采集到的数据为D3～D11 共12 位，需根据采集到的数据来计算电压值，计算公式如下：

当D11 位为3 时，电压为正值，计算公式为：

当D11 位为1 时，电压为负值，计算公式为：

以上两式中D 为读取的12 位数据，ＦＳＲ 为AD7864 的测量范围，本例中为23 V（测量范围为V）。

（2）高频部分。主要是对脉冲数字信号的采集，包括频率测量和信号采集两个部分。脉冲数字信号的频率是确定电路板是否工作正常的重要参数，因此确定脉冲信号的频率是否正常是本测试系统的必要工作。本系统是将待测信号接入FPGA 与53MHz 的高精度时钟同时开始计数，一段时间后，通过两个信号的计数值来计算脉冲信号频率的。信号采集是以AT84AD331 作为采集芯片。AT84AD331 与EP2S63 的连接见图4。

AT84AD331 可以配置成I 路和Q 路单独使用，此时可以同时采集两路信号，最高采样率为1 Gｓ/ｓ；也可以配置成Ｉ 和Ｑ 路的交错采样，此时只能采集1 路信号，等效采样率为2 Gｓ/ｓ，使用时可以根据需要对该芯片进行在线配置。FPGA 对AT84AD331数据读取时序见图5。

由于AT84AD331 输入信号为差分信号，且信号峰峰值要求不超过533 mV。电路板上的待测信号都是单端的并且峰峰值一般在4 V～5 V 之间。本系统中采用了13∶1 的变压器耦合输入方式，可以完成单端信号到差分信号的转换，并且使信号电压满足要求。

在FPGA 内部完成对LVDS 信号的读取、组合、排序以及存储等操作。一般情况下存储的采样点的值在1 333 以内，然后对这些采样点的值进行计算，可以得到实际电压值，计算公式如下：

2.3 数据传输和控制协议

系统中待测信号较多，低频和高频部分分别是32 个，而数据采集芯片都只有一个，各个信号都是由FPGA 控制模拟开关分时地进行采集的。为使各个通道的数据存储、传输和控制有序地进行，在FPGA 中为每一个信号都设置了工作状态控制模块和数据存储模块（以下称为寄存器和数据存储器）。本系统中所有控制过程的命令都是从PC 端发出的，FPGA 接收控制指令后，按指令进行相应的操作。

（1）寄存器和数据存储器介绍。FPGA 对每一路信号都设有5 bit 的控制寄存器、12 bit 的最终结果寄存器和16 bit 的原始数据存储器。此外在高频部分还拥有一个公共的高速采样数据的存储器，大小为1 ｋB，及其对应的一个8 bit 的控制寄存器。5 bit的控制寄存器每个通道只设有一个，该寄存器D3 位为数据准备好标志（1 有效），其余4 位为控制位，各位的功能见表1，每一位都是1 为肯定，每一位都可通过PC 端发来的控制指令更改，FPGA 只能向D3 位写1 ，表示数据已经准备好。上电或复位后该寄存器值为33333B。

表1 5bit控制寄存器的位功能

12 bit 的最终结果寄存器每个通道也只设有一个，该寄存器的值是向PC 机发送的最终结果。该寄存器的数据在低频和高频部分，存放的数据不同：低频部分存放的是13 次采样结果的平均值，高频部分存放的是计算后的频率值。

16 bit 的原始数据存储器，其低频和高频部分的数量是不相同的：高频部分一般是2 个，分别用来存放标准和待测时钟的计数值；低频部分为13 个，用来存放13 个采样点的值，12 bit 的最终结果寄存器的值是根据这13 个数据的平均值。

高速采样数据存储器是高频部分的32 路共有的，由于波形采样的数据量比较大，本系统设计时在同一时刻只允许采样1 路信号，采样点数可以设定（最多为1 K），待这些数据全部发送出后，才可以开始下一次采集。对应的控制寄存器的位功能见表2。

表2 高速采样控制寄存器的位功能

其中D7～D4 为数据采集的点数设置，3333B 表示64 个，1111 表示1 324 个，步进为64。D3～D1 为数据抽取的间隔设置，333 表示抽取间隔为3，全部数据有效；111 表示抽取间隔为28，即每隔28 个点抽取一个点，步进为4。设置这几位的目的是为了适应信号频率的要求