CN104931785A - 一种基于众数法的pcb特性阻抗的测试方法 - Google Patents

Abstract

一种基于众数法的PCB特性阻抗的测试方法，该方法在PCB特性阻抗测试区间上应用众数原理，将测试区间内的波形等幅度分为有限多个小区间。然后统计得到测试区间内的落入点数最多的某一小幅度区间，将这一小幅度区间内的数据进行平均得到精确的电压值。此方法不仅避免了波形畸变等极端数据的影响，同时在波形数据中多中取精、多中求稳，保证了很高的精度；本方法可以根据电压波形自动选取测试区间，消除了实际被测件不同长度的影响，从而提高了PCB特性阻抗工业测试的效率。

Description

一种基于众数法的PCB特性阻抗的测试方法

技术领域

本发明涉及一种测试方法，尤其涉及一种基于众数法的特性阻抗的测试方法，属于印制电路板(PCB)试验技术领域。

背景技术

随着印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)中传输信号的时钟频率和传输速率越来越高，在工业设计中需要对PCB的信号完整性进行严格的控制，其中传输线的特性阻抗是影响信号完整性的关键因素之一。在PCB出厂前对其进行特性阻抗的测试是检验PCB质量是否合格的关键步骤。因此，精确、高效的完成特性阻抗的测试对PCB的大规模工业生产尤为重要。

目前，时域反射计(Time Domain Reflectometry，TDR)以其测试准确、直观的显示传输电压波形等特点成为了测试特性阻抗的主要工具。工作人员根据TDR取样得到的传输电压波形计算得到特性阻抗的结果。目前，常用的测试特性阻抗的方法有测量区域平均法和步长递进偏差法。但是，测量区域平均法适用于比较平稳的波形，在工业生产中经常会遇到波动较大或有多个偏离点的波形，测试结果会有较大的误差。步长递进偏差法虽然具有较高的精度，然而在测试过程中需要根据实际被测物的长度选择步长。步长过长会影响精度，步长过短会影响计算速度，然而在大规模工业生产中实际被测物的长度通常是无法预知的。综上所述，测量区域平均法和步长递进偏差法不适用于大规模的工业化特性阻抗测试。

发明内容

本发明的目的在于精确、高效地完成工业生产中PCB特性阻抗的测试，该方法根据众数原理，提出了一种基于众数法的PCB特性阻抗的测试方法。此方法适用于大量数据的处理并且不受极端数据的影响，同时根据TDR的A/D分辨率选定了合适的区间对波形进行分割，从而保证了相当的测试精度。另外，此方法还不受实际被测物长度的影响，可以自动选择特性阻抗的测试区域，从而提高了测试效率。

本发明提出一种基于众数法的PCB特性阻抗的测试方法，适用于工业生产中大规模的PCB特性阻抗的测试，本方法的创新点为：

1、在PCB特性阻抗测试区间上应用众数原理，将测试区间内的波形等幅度分为有限多个小区间。然后统计得到测试区间内的落入点数最多的某一小幅度区间，将这一小幅度区间内的数据进行平均得到精确的电压值。此方法不仅避免了波形畸变等极端数据的影响，同时在波形数据中多中取精、多中求稳，保证了很高的精度。

2、基于众数原理，直接对反射阶跃进行处理，选取反射阶跃的中间点作为测试区间的起始点，以TDR取样终点作为测试区间的截止点。此方法不受实际被测件长度的影响，根据电压波形可以自动选取测试区间，从而提高了PCB特性阻抗工业测试的效率。

该方法包括如下步骤：

步骤1：当测试开始前，读取TDR取样得到的波形数据，将波形进行去除时基抖动处理。

步骤2：设定分割区间，将整个波形的幅度分割为有限多个等间距的小幅度值，然后统计符合各个小幅度区间取值范围的点的个数。

步骤3：根据步骤2统计得到的各小幅度区间及其对应的点数，得到整个波形区间的中间点，然后以中间点为区分点将入射阶跃与反射阶跃分开。

步骤4：以下步骤直接处理反射阶跃。在反射阶跃上根据已设定的分割间隔，将反射阶跃的幅度分割为有限多个等间距小幅度区间，然后统计符合各个小幅度区间取值范围的点的个数。

步骤5：根据步骤4统计得到的各小幅度区间及其对应的点数，求得反射阶跃电压幅度的中值及其对应点的下标。

步骤6：以幅度中值的对应点为测试区间的起始点，TDR取样终点为测试区间的截止点，在测试区间上按分割区间将波形的幅度分割为有限多个等间距的小幅度值，然后统计得到落入点数最多的某一小幅度区间。将这一小幅度区间内的数据进行平均，得到精确的传输电压值V_tran。

步骤7：根据公式求得精确的PCB特性阻抗值Z_l。

其中Z_l为被测件的特性阻抗，Z₀为50Ω的标准匹配阻抗，V_in为TDR的输入电压，V_tran为入射电压与反射电压叠加后的传输电压。

通过以上步骤，基于众数法的PCB特性阻抗测试方法精确、高效的完成对PCB特性阻抗的测试。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出了一种基于众数法的PCB特性阻抗测试方法，该方法与现行的测试区域平均法和步长递进偏差法相比，其更适用于大规模工业化的PCB特性阻抗的测试，为提高工业化PCB特性阻抗的测试准确率和效率提供了一种有效方法。

附图说明

图1基于众数法的PCB特性阻抗测试方法流程图。

图2特性阻抗标称值为28.00Ω处理效果图。

图3特性阻抗标称值为75.00Ω处理效果图。

具体实施方式

如图1所示，是一种基于众数法的PCB特性阻抗的测试方法流程图，包括以下步骤：

步骤1：根据波形数据存储的路径，读取波形数据文件。设定取样点数N，时间窗Timebase，起始点startpoint，截止点endpoint，分割区间space及反卷积滤波器参数γ的初值。

步骤2：选定PDF反卷积法去除时基抖动，设置去除时基抖动算法的参数。其中a(t)是原始信号平均16次后的均值；p(t)是时基抖动的概率密度函数，其近似于均值μ＝0，方差δ＝1.6Ps的高斯分布函数。将a(t)、p(t)进行傅里叶变换分别得到A(ω)，P(ω)，然后将A(ω)与P(ω)的比值进行傅里叶反变换即可得到去除时基抖动的波形x(t)，其表达式为：

$x\left(t\right)=F^{-1}\left[\frac{A\left(\mathrm{\ω}\right)}{P\left(\mathrm{\ω}\right)}\right]---\left(1\right)$

其中F^-1[]是傅里叶反变换公式。

步骤3：确定电压波形幅度，将幅度按分割区间space分为有限多个小幅度区间zone，然后统计得到各小幅度区间内点数zone_num。

步骤4：利用统计方法，如果满足之前所有的数据应大于总数据点的10％且每一个小幅度区间内的数据个数应小于总数据点的1％的条件，即为电压波形的底值小区间Low_Index，对应的下标为y_left。同理可求得顶值小区间High_Index及下标y_right。从而取得电压波形中点y_midd。

$y\_\mathrm{midd}=\frac{y\_\mathrm{left}+y\_\mathrm{right}}{2}---\left(2\right)$

步骤5：设置时间窗，以波形中点y_midd为起始点，以TDR取样终点为截止点，直接处理反射阶跃。

步骤6：判断波形是否产生阶跃，如果波形不产生阶跃，则PCB的特性阻抗连续，符合标准。如果波形产生阶跃，则对反射阶跃进行处理。

步骤7：通过步骤3所述确定反射阶跃上的小幅度区间值及对应的点数。

步骤8：利用均值法求得电压峰值peak及电压底值bottom，求得反射阶跃的中值midd_vol。

$\mathrm{midd}\_\mathrm{vol}=\frac{\mathrm{peak}-\mathrm{bottom}}{2}---\left(3\right)$

然后利用内插法求得中值对应的下标vol_50。

步骤9：以反射阶跃中值点下标vol_50为起始点，以TDR取样终点为截止点，确定为特性阻抗的测试区间。通过步骤3所述确定测试区间上小幅度区间值及对应的点数。最后确定落入点数最多的小幅度区间。

步骤10：将点数最多的小幅度区间内的数值进行平均作为传输电压值V_tran。

步骤11:根据公式(4)、公式(5)，推导出计算特性阻抗值Z_l的公式(6)：

V_tran＝V_in+V_ref   (4)

其中，V_in为入射电压，V_ref为反射电压，V_tran为入射电压与反射电压叠加后的传输电压。

$\mathrm{\ρ}=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{V_{\mathrm{in}}}=\frac{Z_l-Z_0}{Z_l+Z_0}---\left(5\right)$

其中，ρ为传输线的反射系数，Z₀为50Ω的标准匹配阻抗。

$Z_l=Z_0=\frac{V_{\mathrm{in}}+V_{\mathrm{ref}}}{V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{ref}}}=Z_0\frac{V_{\mathrm{tran}}}{2V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{tran}}}---\left(6\right)$

步骤11：根据式(6)计算特性阻抗实测值与标准值的误差，判断是否符合合格标准。如果不符合合格标准，则需要修改PCB的各项参数，从而改变传输线的阻抗值。

Claims (2)

1.一种基于众数法的PCB特性阻抗的测试方法，其特征在于：该方法包括如下步骤，

步骤1：当测试开始前，读取TDR取样得到的波形数据，将波形进行去除时基抖动处理；

步骤2：设定分割区间，将整个波形的幅度分割为有限多个等间距的小幅度值，然后统计符合各个小幅度区间取值范围的点的个数；

步骤3：根据步骤2统计得到的各小幅度区间及其对应的点数，得到整个波形区间的中间点，然后以中间点为区分点将入射阶跃与反射阶跃分开；

步骤4：以下步骤直接处理反射阶跃；在反射阶跃上根据已设定的分割间隔，将反射阶跃的幅度分割为有限多个等间距小幅度区间，然后统计符合各个小幅度区间取值范围的点的个数；

步骤5：根据步骤4统计得到的各小幅度区间及其对应的点数，求得反射阶跃电压幅度的中值及其对应点的下标；

步骤6：以幅度中值的对应点为测试区间的起始点，TDR取样终点为测试区间的截止点，在测试区间上按分割区间将波形的幅度分割为有限多个等间距的小幅度值，然后统计得到落入点数最多的某一小幅度区间；将这一小幅度区间内的数据进行平均，得到精确的传输电压值V_tran；

步骤7：根据公式求得精确的PCB特性阻抗值Z_l；

其中Z_l为被测件的特性阻抗，Z₀为50Ω的标准匹配阻抗，V_in为TDR的输入电压，V_tran为入射电压与反射电压叠加后的传输电压；

通过以上步骤，完成对PCB特性阻抗的测试。

2.根据权利要求1所述的一种基于众数法的PCB特性阻抗的测试方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1：根据波形数据存储的路径，读取波形数据文件；设定取样点数N，时间窗Timebase，起始点startpoint，截止点endpoint，分割区间space及反卷积滤波器参数γ的初值；

步骤2：选定PDF反卷积法去除时基抖动，设置去除时基抖动算法的参数；其中a(t)是原始信号平均16次后的均值；p(t)是时基抖动的概率密度函数，其近似于均值μ＝0，方差δ＝1.6Ps的高斯分布函数；将a(t)、p(t)进行傅里叶变换分别得到A(ω)，P(ω)，然后将A(ω)与P(ω)的比值进行傅里叶反变换即可得到去除时基抖动的波形x(t)，其表达式为：

$x\left(t\right)=F^{-1}\left[\frac{A\left(\mathrm{\ω}\right)}{P\left(\mathrm{\ω}\right)}\right]---\left(1\right)$

其中F^-1[]是傅里叶反变换公式；

步骤3：确定电压波形幅度，将幅度按分割区间space分为有限多个小幅度区间zone，然后统计得到各小幅度区间内点数zone_num；

步骤4：利用统计方法，如果满足之前所有的数据应大于总数据点的10％且每一个小幅度区间内的数据个数应小于总数据点的1％的条件，即为电压波形的底值小区间Low_Index，对应的下标为y_left；同理可求得顶值小区间High_Index及下标y_right；从而取得电压波形中点y_midd；

$y\_\mathrm{midd}=\frac{y\_\mathrm{left}+y\_\mathrm{right}}{2}---\left(2\right)$

步骤5：设置时间窗，以波形中点y_midd为起始点，以TDR取样终点为截止点，直接处理反射阶跃；

步骤6：判断波形是否产生阶跃，如果波形不产生阶跃，则PCB的特性阻抗连续，符合标准；如果波形产生阶跃，则对反射阶跃进行处理；

步骤7：通过步骤3所述确定反射阶跃上的小幅度区间值及对应的点数；

步骤8：利用均值法求得电压峰值peak及电压底值bottom，求得反射阶跃的中值midd_vol；

$\mathrm{midd}\_\mathrm{vol}=\frac{\mathrm{peak}-\mathrm{bottom}}{2}---\left(3\right)$

然后利用内插法求得中值对应的下标vol_50；

步骤9：以反射阶跃中值点下标vol_50为起始点，以TDR取样终点为截止点，确定为特性阻抗的测试区间；通过步骤3所述确定测试区间上小幅度区间值及对应的点数；最后确定落入点数最多的小幅度区间；

步骤10：将点数最多的小幅度区间内的数值进行平均作为传输电压值V_tran；

步骤11:根据公式(4)、公式(5)，推导出计算特性阻抗值Z_l的公式(6)：

V_tran＝V_in+V_ref   (4)

其中，V_in为入射电压，V_ref为反射电压，V_tran为入射电压与反射电压叠加后的传输电压；

$\mathrm{\ρ}=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{V_{\mathrm{in}}}=\frac{Z_l-Z_0}{Z_l+Z_0}---\left(5\right)$

其中，ρ为传输线的反射系数，Z₀为50Ω的标准匹配阻抗；

$Z_l=Z_0\frac{V_{\mathrm{in}}+V_{\mathrm{ref}}}{V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{ref}}}=Z_0\frac{V_{\mathrm{tran}}}{2V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{tran}}}---\left(6\right)$

步骤11：根据式(6)计算特性阻抗实测值与标准值的误差，判断是否符合合格标准；如果不符合合格标准，则需要修改PCB的各项参数，从而改变传输线的阻抗值。