PCB反設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的探測(cè)電路

1 引言

　　電子工程師在進(jìn)行電子設(shè)備的反設(shè)計(jì)或者維修工作時(shí)，首先需要了解未知印刷電路板（PCB）上各元件間的連接關(guān)系，因此需要對(duì)PCB上各元件引腳之間的連通關(guān)系進(jìn)行測(cè)量并記錄。

　　最簡(jiǎn)單的方法是將萬(wàn)用表打到"短路蜂鳴器"檔，用兩支表筆逐對(duì)地測(cè)量引腳間連通關(guān)系，然后手工記錄"引腳對(duì)"之間的通/斷路狀況。為了得到所有"引腳對(duì)"之間連接關(guān)系的全集，必須按照組合原則組織被測(cè)"引腳對(duì)"，當(dāng)PCB上元件數(shù)目及引腳數(shù)目較多時(shí)，需要測(cè)量的"引腳對(duì)"數(shù)目將會(huì)十分龐大。顯然，若采用人工方法進(jìn)行這項(xiàng)工作，測(cè)量、記錄及校對(duì)的工作量都將會(huì)非常大。而且測(cè)量精度較低，眾所周知，一般萬(wàn)用表兩表筆間的阻性阻抗值高至20歐姆左右時(shí)，其蜂鳴器仍會(huì)發(fā)出響聲，表示為通路。

　　為提高測(cè)量效率，必須設(shè)法實(shí)現(xiàn)元件"引腳對(duì)"的自動(dòng)測(cè)量、記錄和校對(duì)。為此筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)由微控制器控制的通路探測(cè)儀作為前端探測(cè)設(shè)備，設(shè)計(jì)了一套強(qiáng)大的測(cè)量導(dǎo)航軟件進(jìn)行后端處理，共同來(lái)實(shí)現(xiàn)PCB上元件引腳間通路關(guān)系的自動(dòng)測(cè)量和記錄。本文主要探討其中通路探測(cè)電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量的設(shè)計(jì)思想與技術(shù)。

　　實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量的前提是將被測(cè)元件引腳連入探測(cè)電路中，為此探測(cè)設(shè)備設(shè)置若干個(gè)測(cè)量頭，通過(guò)電纜引出，測(cè)量頭可掛接各種測(cè)試夾具與元件引腳建立連接，測(cè)量頭的數(shù)量決定了同一批連入探測(cè)電路的引腳數(shù)。然后在程序控制下探測(cè)儀按組合原則依次將被測(cè)"引腳對(duì)"一一納入測(cè)量通路。在測(cè)量通路中將"引腳對(duì)"之間的通/斷路狀況呈現(xiàn)為引腳間有無(wú)電阻，測(cè)量通路將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)電壓量，由此判斷它們之間的通/斷路關(guān)系并加以記錄。

　　建立在這個(gè)思路之上的PCB通路探測(cè)電路主要應(yīng)實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能：

　　·自動(dòng)選擇被測(cè)"引腳對(duì)"并進(jìn)行測(cè)量；
　　·自動(dòng)判斷"引腳對(duì)"間的通路關(guān)系；
　　·自動(dòng)記錄測(cè)量結(jié)果。

　　2 被測(cè)引腳對(duì)的自動(dòng)選擇和測(cè)量

　　2.1 被測(cè)引腳對(duì)的自動(dòng)切換

　　為了使探測(cè)電路能從已掛連元件引腳的眾多測(cè)量頭中按組合原則依次選擇不同的引腳進(jìn)行測(cè)量，可以設(shè)置相應(yīng)的開(kāi)關(guān)陣列，由程序開(kāi)啟/閉合不同的開(kāi)關(guān)，將元件引腳切換入測(cè)量通路中，獲取其通/斷路關(guān)系。由于被測(cè)量是一個(gè)模擬電壓量，所以應(yīng)該用模擬多路開(kāi)關(guān)形成開(kāi)關(guān)陣列，圖1示出了用模擬開(kāi)關(guān)陣列實(shí)現(xiàn)被測(cè)引腳切換的思路。

圖1? 用模擬開(kāi)關(guān)陣列實(shí)現(xiàn)被測(cè)引腳的切換

　　2.2 通/斷路關(guān)系的測(cè)量

　　探測(cè)電路的設(shè)計(jì)原理如圖2所示。圖中Ⅰ和Ⅱ兩個(gè)方框內(nèi)的兩組模擬開(kāi)關(guān)成對(duì)配置：Ⅰ-1與Ⅱ-1，Ⅰ-2與Ⅱ-2，......，Ⅰ-N與Ⅱ-N。模擬多路開(kāi)關(guān)的閉合與否由程序通過(guò)圖1所示的譯碼電路控制，在Ⅰ、Ⅱ兩路模擬開(kāi)關(guān)中最多同時(shí)只能各有一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合。例如，欲探測(cè)測(cè)量頭1與測(cè)量頭2之間是否有通路關(guān)系，使Ⅰ-1與Ⅱ-2開(kāi)關(guān)閉合，在A點(diǎn)與地之間通過(guò)測(cè)量頭1、2 形成測(cè)量通路，若為通路，則A點(diǎn)的電壓VA=0；若為斷路，則VA>0。VA的值就是判斷測(cè)量頭1、2之間有無(wú)通路關(guān)系的依據(jù)。這樣，在瞬間即可按照組合原則將掛連在測(cè)量頭上的所有引腳間的通/斷路關(guān)系測(cè)量完畢。由于這個(gè)測(cè)量過(guò)程是在測(cè)試夾具所夾元件引腳之間進(jìn)行的，筆者稱(chēng)其為夾內(nèi)測(cè)量。
如果元件的引腳是不可夾的，則必須用表筆進(jìn)行測(cè)量。如圖2所示，把一支表筆連到一個(gè)模擬通道上，另一支接地，這時(shí)只要控制開(kāi)關(guān)Ⅰ-1閉合就可以進(jìn)行測(cè)量，稱(chēng)之為筆筆測(cè)量。用圖2所示的電路也可以在瞬間完成所有掛連測(cè)量頭的可夾引腳與接地表筆觸及的不可夾引腳之間的測(cè)量，此時(shí)需依次控制Ⅰ路各開(kāi)關(guān)的閉合，而Ⅱ 路各開(kāi)關(guān)始終斷開(kāi)，這個(gè)測(cè)量過(guò)程可稱(chēng)為筆夾測(cè)量。

圖2? 探測(cè)電路原理

　　3 通路關(guān)系的判斷

　　3.1 閾值電壓的提出

　　由圖2可見(jiàn)，若以VA作為測(cè)量的電壓量，理論上當(dāng)VA=0時(shí)應(yīng)為通路，VA>0時(shí)應(yīng)為斷路，且VA的值隨兩測(cè)量通道之間的電阻值的不同而變化。但由于模擬多路開(kāi)關(guān)本身有不可忽略的導(dǎo)通電阻RON，這樣，在測(cè)量通路形成后，若為通路，VA并不等于0，而是等于RON上的電壓降。由于測(cè)量的目的只是獲知通/斷路關(guān)系，沒(méi)有必要去測(cè)量VA的具體值，為此只需用電壓比較器比較VA是否大于RON上的電壓降即可。設(shè)置電壓比較器的閾值電壓等于RON上的電壓降，電壓比較器的輸出就是測(cè)量結(jié)果，該結(jié)果為可直接由微控制器讀取的數(shù)字量。

?　　3.2 閾值電壓值的確定

　　實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)RON存在著個(gè)體差異，并和環(huán)境溫度也有關(guān)系，所以加載的閾值電壓需隨閉合的模擬開(kāi)關(guān)通道逐一分別進(jìn)行設(shè)置，為此可通過(guò)對(duì)D/A轉(zhuǎn)換器編程實(shí)現(xiàn)。

?　　利用圖2所示的電路可方便地對(duì)閾值數(shù)據(jù)進(jìn)行確定，方法為依次閉合開(kāi)關(guān)對(duì)Ⅰ-1、Ⅱ-1；Ⅰ-2、Ⅱ-2；……；Ⅰ-N、Ⅱ-N；形成通路回路，每對(duì)開(kāi)關(guān)閉合后，向D/A轉(zhuǎn)換器送數(shù)，所送的數(shù)由小到大遞增，并測(cè)量此時(shí)電壓比較器的輸出，當(dāng)電壓比較器的輸出由1變?yōu)?時(shí)，此時(shí)的數(shù)據(jù)與VA相對(duì)應(yīng)。這樣可測(cè)得每個(gè)通道通路時(shí)的VA，也就是一對(duì)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)RON上的電壓降。對(duì)于高精度的模擬多路開(kāi)關(guān)而言，其RON的個(gè)體差異較小，因此可把系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)得的VA的一半近似作為此對(duì)開(kāi)關(guān)各自RON上電壓降的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，就是在現(xiàn)行溫度下各模擬開(kāi)關(guān)的閾值數(shù)據(jù)。

　　3.3 閾值電壓的動(dòng)態(tài)設(shè)置

　　利用上面測(cè)量到的閾值數(shù)據(jù)建一個(gè)表。在進(jìn)行夾內(nèi)測(cè)量時(shí)，根據(jù)所閉合的兩個(gè)開(kāi)關(guān)編號(hào)從表中取出與之對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，把它們的和送D/A轉(zhuǎn)換器形成閾值電壓。對(duì)于筆夾測(cè)量和筆筆測(cè)量由于測(cè)量通路僅通過(guò)Ⅰ路的模擬開(kāi)關(guān)，所以只需加載一個(gè)開(kāi)關(guān)的閾值數(shù)據(jù)。

　　另外，由于電路本身（D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器等）具有誤差，且實(shí)際測(cè)量時(shí)測(cè)試夾具與被測(cè)引腳間具有接觸電阻，因此實(shí)際加載的閾值電壓應(yīng)在按照上述方法確定的閾值基礎(chǔ)上再加一個(gè)修正量，以免把通路錯(cuò)判為斷路。但增大的閾值電壓會(huì)把小阻值電阻淹沒(méi)，即把兩引腳間的小電阻判為通路，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理地選擇閾值電壓的修正量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，本探測(cè)電路可準(zhǔn)確判斷兩引腳間電阻值大于5歐姆的電阻，其精度明顯高于萬(wàn)用表。

　　4 測(cè)量結(jié)果的幾種特殊情況

　　1. 電容的影響

　　當(dāng)被測(cè)引腳間連的是一個(gè)電容，其應(yīng)為斷路關(guān)系，但開(kāi)關(guān)閉合瞬間測(cè)量通路對(duì)該電容充電，兩測(cè)量點(diǎn)間就像通路一樣，此時(shí)從電壓比較器讀得的測(cè)量結(jié)果為通路。對(duì)于這種由電容引起的假通路現(xiàn)象，可采用以下兩種方法解決：適當(dāng)加大測(cè)量電流以縮短充電時(shí)間，使充電過(guò)程在讀取測(cè)量結(jié)果前結(jié)束；在測(cè)量軟件中加入查驗(yàn)真、假通路的程序段（見(jiàn)第5部分）。

　　2 電感的影響

　　若被測(cè)引腳之間連有電感，其應(yīng)為斷路關(guān)系，但由于電感的靜態(tài)電阻阻抗非常小，用萬(wàn)用表測(cè)量的結(jié)果總是通路的。與電容測(cè)量的情況相反，在模擬開(kāi)關(guān)閉合的瞬間，由于電感存在感生電動(dòng)勢(shì)，這樣利用探測(cè)電路采集速度快的特點(diǎn)反而可以對(duì)電感進(jìn)行正確地判斷。但是這與電容的測(cè)量要求是矛盾的。

　　3 模擬開(kāi)關(guān)抖動(dòng)的影響

　　在實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)模擬開(kāi)關(guān)從開(kāi)啟狀態(tài)到閉合狀態(tài)有一個(gè)穩(wěn)定過(guò)程，表現(xiàn)為電壓VA的波動(dòng)，使得最初的幾次測(cè)量結(jié)果不一致，為此需要對(duì)通路的結(jié)果多判斷幾次，待測(cè)量結(jié)果一致后再確認(rèn)。

　　4 測(cè)量結(jié)果的確認(rèn)與記錄

　　考慮以上各種情況，為適應(yīng)不同的被測(cè)對(duì)象，采用如圖3所示的軟件程序框圖進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的確認(rèn)與記錄。

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圖3? 軟件程序框圖

?　　為了消除電容元件和模擬開(kāi)關(guān)抖動(dòng)的影響需要延長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間，而要消除電感元件的影響，則要利用感生電動(dòng)勢(shì)在很短時(shí)間內(nèi)確定，為此程序中設(shè)置了兩個(gè)計(jì)數(shù)器：通路次數(shù)計(jì)數(shù)器和斷路次數(shù)計(jì)數(shù)器。設(shè)置通路次數(shù)N是為了消除模擬開(kāi)關(guān)閉合瞬間由于電容充電產(chǎn)生的假通路影響，即當(dāng)累計(jì)讀得N次通路結(jié)果時(shí)，一般對(duì)電容的充電已結(jié)束，才確認(rèn)被測(cè)量點(diǎn)間為通路。設(shè)置斷路次數(shù)n是為了排除模擬開(kāi)關(guān)抖動(dòng)所引起的干擾，一般在連續(xù)測(cè)得n次斷路結(jié)果時(shí)表明模擬開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)已經(jīng)結(jié)束，才能確認(rèn)為斷路。但因?yàn)殡姼械母猩妱?dòng)勢(shì)在模擬開(kāi)關(guān)閉合瞬間最大，隨后迅速下降，所以如果第一次和第二次測(cè)量結(jié)果都為斷路，則確認(rèn)為斷路。由于幾種情況之間互相矛盾，計(jì)數(shù)器及延時(shí)的值是在權(quán)衡三種情況的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際情況確定的。

　　當(dāng)然，使用上述程序判斷時(shí)，若被測(cè)引腳之間為一小電阻、小電感或者大電容，則還有可能誤判為通路，這種問(wèn)題很容易通過(guò)軟件在測(cè)量結(jié)果中檢查出來(lái)，若某個(gè)兩引腳元件的兩端在同一網(wǎng)絡(luò)之中，則可能存在上述判斷錯(cuò)誤，確認(rèn)后加以排除。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文通過(guò)對(duì)PCB通路探測(cè)電路的功能及實(shí)現(xiàn)原理的分析，為大規(guī)模PCB上元件引腳間通路關(guān)系的測(cè)量提供了一種新的思路。實(shí)驗(yàn)表明，此探測(cè)電路在測(cè)量導(dǎo)航軟件（另文介紹）的支持下能高效、準(zhǔn)確、完備地測(cè)量和記錄PCB上各元件引腳之間的通路關(guān)系。