CN204422715U - 电路雷达装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电路雷达装置，它可准确定位电路板上故障元件（电阻、电容或者电感）的位置，其包括电源模块、信号发生模块、信号接收和预处理模块、测试电缆和探针、高速取样分析模块、触摸输入与显示模块。通过信号发生模块产生测试用周期脉冲信号，该周期脉冲信号输入到待测微带线上，同时采集信号发送端和微带线上接收探头所在点的信号，并由此计算出反射系数、判断各阻抗不连续点位置，从而可以定位故障元件的位置，本实用新型实现了通过一次测量即可在路定位待测微带线上所有故障元件位置。

Description

电路雷达装置

技术领域

本实用新型涉及电路板故障测试领域，具体涉及通过时域反射(TDR)法测量印刷电路板走线阻抗，计算反射系数，在路判断短路点位置的电路雷达装置。

背景技术

在电路板的调试过程中，调试人员经常会碰到由元件引起的故障，如开路、短路、元件值不符合等。碰到这些故障时，往往只能通过逐一拆除跟故障节点相量的所有元件，每拆除一个元件就进行一次故障测试，直到拆除某个元件后，故障消失，调试人员才能判断出具体的故障元件，排除故障过程非常繁琐，并且当碰到有多个故障元件时过程更为复杂。

如果能一次测出某条走线的每一处大致反射系数，计算出阻抗，则可以一次性判断出故障元件的位置，并且这种方法对多故障点线路也适用。

根据传输线理论，当信号在传输线上传输时，若遇到特征阻抗不连续则会发生反射，反射系数式中ρ表示反射系数，Z₁表示靠近源端微带线阻抗，Z₂表示接在阻抗为Z₁的微带线后的第二段微带线阻抗，该式的含义为信号由阻抗为Z₁的微带线传到阻抗为Z₂的微带线时的反射系数为ρ。当开路时，ρ＝1；当短路时，ρ＝-1。

用来测量印刷电路板(PCB)走线阻抗的方法主要有TDR测试法和分布参数法。传统TDR测试法是只在发送端取样阶跃信号，对信号跃变边沿进行高速采样后绘制“反射系数—时间”的曲线，再根据信号在PCB走线中传输的速度计算阻抗不连续点(阻抗失配点)的位置，由于电信号传输速度非常快，仪器时间误差导致位置定位不精确，不能准确定位故障点，也就不能准确定位故障元件。

用来测量走线阻抗的仪器主要有时域反射计和网络分析仪，但这些专有仪器都成本昂贵，动辄几十万、上百万，这对普通设计者而言往往是难以接受的。

在碰到短路故障时，大部分调试人员排除的方法主要采用拆除相连的元件逐个排除和割线的方法，无法在路测量判断短路点。在高频电路中，割线会导致阻抗不连续，严重破坏信号完整性，甚至导致设计系统完全无法正常工作。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服市场上缺少电路板辅助调试仪器，碰到故障时难以快速定位故障元件的困难而提供的一种电路雷达装置，该装置具有测量PCB走线任一点处大致反射系数，进而在路准确判断故障点位置的功能。

本实用新型的目的是这样实现的：

在传统TDR理论的基础上，同时采样发送端信号和微带线上每一点信号进行分析，则可准确定位阻抗不连续点。

本实用新型的一种电路雷达装置，可以定位电路板上故障元件位置，该装置包括：

电源模块，为信号发生模块、信号接收和预处理模块、高速取样分析模块、触摸输入与显示模块提供所需电压；

信号发生模块，产生周期脉冲信号；

发射探头，连接信号发生模块和待测微带线一端，将信号发生模块产生的周期脉冲信号输送到待测微带线上；

接收探头，连接待测微带线及信号接收和预处理模块，将微带线上任一点处的信号输送到信号接收和预处理模块；

信号接收和预处理模块，接收来自接收探头的信号，并对接收到的信号进行处理后送到高速取样分析模块；

高速取样分析模块，对输入信号进行高速采样与分析；

触摸输入与显示模块，与信号发生模块和高速取样分析模块相连，提供输入与输出界面。

所述电源模块包括外部输入电源、电压转换电路，电压转换电路由电压转换芯片、电阻、电容和电感组成，电压转换电路将所述输入电源提供的电压转换为其他各模块所需电压。

所述信号发生模块由脉冲信号产生电路、整形电路及SMA-K座组成，脉冲信号产生电路、整形电路及SMA-K座依次连接，其中脉冲信号产生电路产生需要的周期脉冲信号，整形电路调整所产生的周期脉冲信号的幅度、上升时间和输出阻抗(50欧姆)，以达到测试需求，并通过SMA-K座输出。

所述发射探头包含SMA-J接头、50欧姆电缆、信号探针和接地探针，50欧姆电缆一端连接SMA-J接头，一端连接信号探针和接地探针，测试时，SMA-J接头与信号发生模块的SMA-K座连接，接地探针焊接到待测微带线的地节点上，信号探针焊接到待测微带线上。

所述接收探头包含SMA-J接头、50欧姆电缆、信号探针和接地探针，50欧姆电缆一端连接SMA-J接头，一端连接信号探针和接地探针，测试时，SMA-J接头与信号接收和预处理模块的SMA-K座连接，接地探针焊接到待测微带线的地节点上，信号探针探测待测微带线上的信号。

所述信号接收和预处理模块包括SMA-K座和幅度变换电路，SMA-K座与接收探头相连，信号通过该SMA-K座输入幅度变换电路，幅度变换电路对信号进行幅度控制，使之适合高速取样分析模块取样。

所述高速取样分析模块由高速模数转换芯片、存储缓冲芯片、嵌入式处理器组成，高速模数转换芯片连接存入存储缓冲芯片，嵌入式处理器连接存储缓冲芯片，其中高速模数转换芯片将输入信号的幅度转换为数字参数存入存储缓冲芯片，嵌入式处理器从存储缓冲芯片读取参数进行分析，分析结果送到触摸输入与显示模块。

所述触摸输入与显示模块由控制器、触摸屏、扬声器构成，触摸屏和扬声器都连接在控制器上，从触摸屏输入激励脉冲信号的幅度、周期以及告警的反射系数范围，控制器接收后将幅度、周期信息发送给信号发生模块，控制器同时接收高速取样分析模块的数据。

本实用新型解决了电路调试过程中定位故障元件困难及定位过程繁琐的问题，实现了通过一次测量即可在路定位待测微带线上所有故障元件位置。

附图说明

图1为本实用新型外形图。

图2为本实用新型发射探头和接收探头结构示意图；

图3为本实用新型结构框图；

图4为本实用新型信号发生模块结构框；

图5为本实用新型实施例示意图；

图6为图5所示实施例的阻抗示意图；

图7为本实用新型工作流程图。

具体实施方式

参阅图1、图2和图3，本实用新型由电源模块、信号发生模块、发射探头、接收探头、信号接收和预处理模块、高速取样分析模块、触摸输入与显示模块和外壳组成，电路主板1安装在外壳内，电源模块、信号发生模块、信号接收和预处理模块及高速取样分析模块、扬声器都固定于电路主板1上，触摸屏2倾斜安装在外壳上表面，提供人机交互界面，信号发生模块产生的脉冲信号通过SMA-K座3输出，信号输入SMA-K座4，将接收到的信号通过此处输入进行后续处理，直流12V电源输入接口8，由外部提供12V/2A的直流电源。

参阅图2，本实用新型的发射探头包括SMA-J接头9、50欧姆电缆10、信号探针11和接地探针12，50欧姆电缆10一端连接SMA-J接头9，一端连接信号探针11和接地探针12，测试时，SMA-J接头9与信号发生模块的SMA-K座3连接，接地探针12焊接到待测微带线的地节点上，信号探针11焊接到待测微带线上。

参阅图2，本实用新型接收探头包括SMA-J接头13、50欧姆电缆14、信号探针15和接地探针17，50欧姆电缆14一端连接SMA-J接头13，一端连接信号探针15和接地探针16，测试时，SMA-J接头13与信号接收和预处理模块的SMA-K座4连接，接地探针16焊接到待测微带线的地节点上，信号探针15探测微带线上的信号。

参阅图1-4，本实用新型的电源模块：采用LM267、LM2743两种DC/DC转换芯片和EUP3010LDO芯片，将适配器输入的12V直流电源转换为其他模块所需要的±5V、3.3V、2.5V、1.8V和1.2V电压。

信号发生模块：由脉冲产生电路、脉冲整形电路组成，其中脉冲产生电路产生周期脉冲信号，周期脉冲信号的脉冲宽度和周期由所测走线的最大传输延迟(TD_MAX)决定，通过触摸屏输入，要求脉冲的高电平时间和低电平时间足够让对边沿的反射信号达到平衡。脉冲整形电路调整脉冲产生电路输出的脉冲信号的幅度并缩短其上升时间。

发射探头：信号发生模块产生的信号输出到发射探头的SMA-J接头9，然后通过50欧姆电缆10传到发射探针11上。

接收探头：待测微带线上的信号通过接收探针15输入50欧姆电缆14上，然后通过SMA-J接头13连接SMA-K座4，将接收到的信号输入到信号接收和预处理模块。

信号接收和预处理模块：接收来自接收探头的信号，然后对该信号进行幅度变换，使之适合高速取样分析模块取样。

高速取样分析模块：由4片采样速率达1GSPS的高速模数转换芯片(ADC)对接收到的信号和发送端的信号同时进行时分取样，取样的结果存入FIFO存储缓冲芯片后再传给嵌入式处理器进行分析。

触摸输入与显示模块：由控制器5、9.7寸电阻触摸屏2、扬声器7构成。通过9.7寸电阻触摸屏2输入激励脉冲信号的幅度、周期以及告警的反射系数范围。控制器5对采样信号的分析结果进行判断，如遇到反射系数在告警范围则及时通过扬声器告警，听到告警后可以在对应的接收探头处的微带线上进行标记，其他异常情况需要测试人员根据实际电路、结合显示波形与反射系数判断。

外壳：给电路板提供保护，同时固定各信号接口和触摸屏，方便操作。

实施例

以测试一段“电容短路”故障的传输线为例。

参阅图5，待检测微带线起点为M，终点为N，O、P、Q为MN之间的点，在O、P、Q三点处各焊接了一个电容，依次为C₁、C₂、C₃，三个电容的阻抗依次为Z₁、Z₂、Z₃。在测试中，假设微带线阻抗为50欧姆，发生了短路故障(测试前并不知道)。

参阅图1-7、本实用新型接入外部12V/2A电源到8，按下开关按钮6，设备上电初始化。

将发射探头的信号探针11焊接在微带线M一端，并将发射探头接地探针12和接收探头的接地探针16焊接到待测微带线所在电路板的地敷铜上。

测试人员估算最大延时式中x为微带线的长度，单位为m；ε_r为微带线所在PCB的介电常数；c为光速3×10⁸m/s。从触摸屏2输入激励脉冲周期信号的低电平、高电平时间，保证两个时间均远大于TD_MAX，另外还需设置脉冲信号的幅度、告警反射系数区间，本实施例中假设三个电容正常时反射系数都不会超过[-0.6,0.6]，所以设置告警区间为≤-0.8,≥0.8。控制器接收到输入的数据后控制脉冲信号产生电路产生对应脉冲，整形电路对该周期脉冲信号进行调整使之输出对应激励脉冲。

接收探针15从M点向N点移动。阻抗Z₀＝50欧姆，是本实用新型的输出阻抗，接收探针15在MO段(不含O点)上移动时，接收探头接收到的信号经过信号接收和预处理模块后进入高速取样分析模块，高速ADC对信号取样后将数据存入存储缓冲芯片，嵌入式处理器读取参数进行分析。因为MO段(不含O点)阻抗都是匹配的，所以从信号发送端和接收探头取样到的该段信号中无异常反射信号。

当接收探针15跨越O点时，同样的，接收探头接收到的信号经过信号接收和预处理模块后进入高速取样分析模块取样分析，因为O点接了电容到地，阻抗不匹配，仪器可以分析出有反射，但计算出的反射系数不在告警范围，装置不告警。

接收探针15继续向N端点移动，在OP段移动到P处时，分析得该点处反射系数接近-1，在告警范围，显示波形的同时告警，测试人员对P点作标记。需要指出的是仪器只对反射系数在告警范围内的点发出告警，其他情况需测试人员根据显示的反射系数与阻抗进行判断。

拆除C₂，接收探针15继续从P移动到Q，再到N，可以发现反射系数都在正常范围内。于是综合判断出该条微带线上仅有C₂发生了故障，且发生的故障为短路。

通过上述步骤即可在路测量微带线线故障元件的准确位置，可以进行快速的故障排除，如果有多个故障元件，排除的步骤相似。

Claims (8)

1.一种电路雷达装置，其特征在于该装置包括：

电源模块，为信号发生模块、信号接收和预处理模块、高速取样分析模块、触摸输入与显示模块提供所需电压；

信号发生模块，产生周期脉冲信号；

发射探头，连接信号发生模块和待测微带线一端，将信号发生模块产生的周期脉冲信号输送到待测微带线上；

接收探头，连接待测微带线及信号接收和预处理模块，将微带线上任一点处的信号输送到信号接收和预处理模块；

信号接收和预处理模块，接收来自接收探头的信号，并对接收到的信号进行处理后送到高速取样分析模块；

高速取样分析模块，对输入信号进行高速采样与分析；

触摸输入与显示模块，与信号发生模块和高速取样分析模块相连，提供输入与输出界面。

2.根据权利要求1所述的电路雷达装置，其特征在于：所述电源模块包括外部输入电源、电压转换电路，电压转换电路由电压转换芯片、电阻、电容和电感组成，电压转换电路将所述输入电源提供的电压转换为其他各模块所需电压。

3.根据权利要求1所述的电路雷达装置，其特征在于：所述信号发生模块由脉冲信号产生电路、整形电路及SMA-K座组成，脉冲信号产生电路、整形电路及SMA-K座依次连接。

4.根据权利要求1所述的电路雷达装置，其特征在于：所述发射探头包括SMA-J接头、50欧姆电缆、信号探针和接地探针，50欧姆电缆一端连接SMA-J接头，一端连接信号探针和接地探针，测试时，SMA-J接头与信号发生模块的SMA-K座连接，接地探针焊接到待测微带线的地节点上，信号探针焊接到待测微带线上。

5.根据权利要求1所述的电路雷达装置，其特征在于：所述接收探头包括SMA-J接头、50欧姆电缆、信号探针和接地探针，50欧姆电缆一端连接SMA-J接头，一端连接信号探针和接地探针，测试时，SMA-J接头与信号接收和预处理模块的SMA-K座连接，接地探针焊接到待测微带线的地节点上，信号探针探测待测微带线上信号。

6.根据权利要求1所述的电路雷达装置，其特征在于：所述信号接收和预处理模块包括SMA-K座和幅度变换电路，SMA-K座与接收探头相连，信号通过该SMA-K座输入幅度变换电路，幅度变换电路对信号进行幅度控制。

7.根据权利要求1所述的电路雷达装置，其特征在于：所述高速取样分析模块由高速模数转换芯片、存储缓冲芯片、嵌入式处理器组成，高速模数转换芯片连接存入存储缓冲芯片，嵌入式处理器连接存储缓冲芯片。

8.根据权利要求1所述的电路雷达装置，其特征在于：所述触摸输入与显示模块由控制器、触摸屏、扬声器构成，触摸屏和扬声器均连接在控制器上。