PCB反设计系统中的探测电路

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1 引言
        电子工程师在进行电子设备的反设计或者维修工作时，首先需要了解未知印刷电路板（PCB）上各元件间的连接关系，因此需要对PCB上各元件引脚之间的连通关系进行测量并记录。
         
        最简单的方法是将万用表打到"短路蜂鸣器" 档，用两支表笔逐对地测量引脚间连通关系，然后手工记录"引脚对"之间的通/断路状况。为了得到所有"引脚对"之间连接关系的全集，必须按照组合原则组织 被测"引脚对"，当PCB上元件数目及引脚数目较多时，需要测量的"引脚对"数目将会十分庞大。显然，若采用人工方法进行这项工作，测量、记录及校对的工 作量都将会非常大。而且测量精度较低，众所周知，一般万用表两表笔间的阻性阻抗值高至20欧姆左右时，其蜂鸣器仍会发出响声，表示为通路。
         
        为提高测量效率，必须设法实现元件"引脚对"的自动测量、记录和校对。为此笔者设计了一个由微控制 器控制的通路探测仪作为前端探测设备，设计了一套强大的测量导航软件进行后端处理，共同来实现PCB上元件引脚间通路关系的自动测量和记录。本文主要探讨 其中通路探测电路实现自动测量的设计思想与技术。
         
        实现自动测量的前提是将被测元件引脚连入探测电路中，为此探测设备设置若干个测量头，通过电缆引出，测量头可挂接各种测试夹具与元件引脚建立连接，测量头的数量决定了同一批连入探测电路的引脚数。然后在程序控制下探测仪按组合原则依次将被测"引脚对"一一纳入测量通路。在测量通路中将"引脚对"之间的通/断路状况呈现为引脚间有无电阻，测量通路将其转换为一个电压量，由此判断它们之间的通/断路关系并加以记录。
         
        建立在这个思路之上的PCB通路探测电路主要应实现3个功能：
         

       

•                 自动选择被测"引脚对"并进行测量；       
  
•                 自动判断"引脚对"间的通路关系；       
  
•                 自动记录测量结果。
  

         
        2 被测引脚对的自动选择和测量
         
        2.1 被测引脚对的自动切换
        为了使探测电路能从已挂连元件引脚的众多测量头中按组合原则依次选择不同的引脚进行测量，可以设置相应的开关阵列，由程序开启/闭合不同的开关，将元件引脚切换入测量通路中，获取其通/断路关系。由于被测量是一个模拟电压量，所以应该用模拟多路开关形成开关阵列，图1示出了用模拟开关阵列实现被测引脚切换的思路。

       

        图1  用模拟开关阵列实现被测引脚的切换

         
        2.2 通/断路关系的测量
        探测电路的设计原理如图2所示。图中Ⅰ和Ⅱ两个方框内的两组模拟开关成对配置：Ⅰ-1与Ⅱ-1，Ⅰ -2与Ⅱ-2，......，Ⅰ-N与Ⅱ-N。模拟多路开关的闭合与否由程序通过图1所示的译码电路控制，在Ⅰ、Ⅱ两路模拟开关中最多同时只能各有一个开 关闭合。例如，欲探测测量头1与测量头2之间是否有通路关系，使Ⅰ-1与Ⅱ-2开关闭合，在A点与地之间通过测量头1、2 形成测量通路，若为通路，则A点的电压VA=0；若为断路，则VA>0。VA的值就是判断测量头1、2之间有无通路关系的依据。这样，在瞬间即可按 照组合原则将挂连在测量头上的所有引脚间的通/断路关系测量完毕。由于这个测量过程是在测试夹具所夹元件引脚之间进行的，笔者称其为夹内测量。
         
        如果元件的引脚是不可夹的，则必须用表笔进行测量。如图2所示，把一支表笔连到一个模拟通道上，另 一支接地，这时只要控制开关Ⅰ-1闭合就可以进行测量，称之为笔笔测量。用图2所示的电路也可以在瞬间完成所有挂连测量头的可夹引脚与接地表笔触及的不可 夹引脚之间的测量，此时需依次控制Ⅰ路各开关的闭合，而Ⅱ 路各开关始终断开，这个测量过程可称为笔夹测量。

       

        图2  探测电路原理

         
        3 通路关系的判断
         
        3.1 阈值电压的提出
        由图2可见，若以VA作为测量的电压量，理论上当VA=0时应为通路，VA>0时应为断路， 且VA的值随两测量通道之间的电阻值的不同而变化。但由于模拟多路开关本身有不可忽略的导通电阻RON，这样，在测量通路形成后，若为通路，VA并不等于 0，而是等于RON上的电压降。由于测量的目的只是获知通/断路关系，没有必要去测量VA的具体值，为此只需用电压比较器比较VA是否大于RON上的电压 降即可。设置电压比较器的阈值电压等于RON上的电压降，电压比较器的输出就是测量结果，该结果为可直接由微控制器读取的数字量。
         
        3.2 阈值电压值的确定
        实验发现RON存在着个体差异，并和环境温度也有关系，所以加载的阈值电压需随闭合的模拟开关通道逐一分别进行设置，为此可通过对D/A转换器编程实现。
         
        利用图2所示的电路可方便地对阈值数据进行确定，方法为依次闭合开关对Ⅰ-1、Ⅱ-1；Ⅰ-2、Ⅱ -2；……；Ⅰ-N、Ⅱ-N；形成通路回路，每对开关闭合后，向D/A转换器送数，所送的数由小到大递增，并测量此时电压比较器的输出，当电压比较器的输 出由1变为0时，此时的数据与VA相对应。这样可测得每个通道通路时的VA，也就是一对开关闭合时RON上的电压降。对于高精度的模拟多路开关而言，其 RON的个体差异较小，因此可把系统自动测得的VA的一半近似作为此对开关各自RON上电压降的对应数据，就是在现行温度下各模拟开关的阈值数据。
         
        3.3 阈值电压的动态设置
        利用上面测量到的阈值数据建一个表。在进行夹内测量时，根据所闭合的两个开关编号从表中取出与之对应的数据，把它们的和送D/A转换器形成阈值电压。对于笔夹测量和笔笔测量由于测量通路仅通过Ⅰ路的模拟开关，所以只需加载一个开关的阈值数据。
         
        另外，由于电路本身（D/A转换器、电压比较器等）具有误差，且实际测量时测试夹具与被测引脚间具 有接触电阻，因此实际加载的阈值电压应在按照上述方法确定的阈值基础上再加一个修正量，以免把通路错判为断路。但增大的阈值电压会把小阻值电阻淹没，即把 两引脚间的小电阻判为通路，因此应根据实际情况合理地选择阈值电压的修正量。通过实验，本探测电路可准确判断两引脚间电阻值大于5欧姆的电阻，其精度明显 高于万用表。
         
        4 测量结果的几种特殊情况
         
        1. 电容的影响
        当被测引脚间连的是一个电容，其应为断路关系，但开关闭合瞬间测量通路对该电容充电，两测量点间就 像通路一样，此时从电压比较器读得的测量结果为通路。对于这种由电容引起的假通路现象，可采用以下两种方法解决：适当加大测量电流以缩短充电时间，使充电 过程在读取测量结果前结束；在测量软件中加入查验真、假通路的程序段（见第5部分）。
         
        2 电感的影响
        若被测引脚之间连有电感，其应为断路关系，但由于电感的静态电阻阻抗非常小，用万用表测量的结果总 是通路的。与电容测量的情况相反，在模拟开关闭合的瞬间，由于电感存在感生电动势，这样利用探测电路采集速度快的特点反而可以对电感进行正确地判断。但是 这与电容的测量要求是矛盾的。
         
        3 模拟开关抖动的影响
        在实际测量中发现模拟开关从开启状态到闭合状态有一个稳定过程，表现为电压VA的波动，使得最初的几次测量结果不一致，为此需要对通路的结果多判断几次，待测量结果一致后再确认。
         
        4 测量结果的确认与记录
        考虑以上各种情况，为适应不同的被测对象，采用如图3所示的软件程序框图进行测量结果的确认与记录。

       

        图3  软件程序框图

         
        为了消除电容元件和模拟开关抖动的影响需要延长测量时间，而要消除电感元件的影响，则要利用感生电 动势在很短时间内确定，为此程序中设置了两个计数器：通路次数计数器和断路次数计数器。设置通路次数N是为了消除模拟开关闭合瞬间由于电容充电产生的假通 路影响，即当累计读得N次通路结果时，一般对电容的充电已结束，才确认被测量点间为通路。设置断路次数n是为了排除模拟开关抖动所引起的干扰，一般在连续 测得n次断路结果时表明模拟开关的抖动已经结束，才能确认为断路。但因为电感的感生电动势在模拟开关闭合瞬间最大，随后迅速下降，所以如果第一次和第二次 测量结果都为断路，则确认为断路。由于几种情况之间互相矛盾，计数器及延时的值是在权衡三种情况的基础上根据实际情况确定的。
         
        当然，使用上述程序判断时，若被测引脚之间为一小电阻、小电感或者大电容，则还有可能误判为通路，这种问题很容易通过软件在测量结果中检查出来，若某个两引脚元件的两端在同一网络之中，则可能存在上述判断错误，确认后加以排除。
         
        结语
        本文通过对PCB通路探测电路的功能及实现原理的分析，为大规模PCB上元件引脚间通路关系的测量提供了一种新的思路。实验表明，此探测电路在测量导航软件（另文介绍）的支持下能高效、准确、完备地测量和记录PCB上各元件引脚之间的通路关系。