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。