PCB反設計系統中的探測電路

1 引言

電子工程師在進行電子設備的反設計或者維修工作時，首先需要了解未知印刷電路板（PCB）上各元件間的連接關系，因此需要對PCB上各元件引腳之間的連通關系進行測量并記錄。
最簡單的方法是將萬用表打到短路蜂鳴器檔，用兩支表筆逐對地測量引腳間連通關系，然后手工記錄引腳對之間的通/斷路狀況。為了得到所有引腳對之間連接關系的全集，必須按照組合原則組織被測引腳對，當PCB上元件數目及引腳數目較多時，需要測量的引腳對數目將會十分龐大。顯然，若采用人工方法進行這項工作，測量、記錄及校對的工作量都將會非常大。而且測量精度較低，眾所周知，一般萬用表兩表筆間的阻性阻抗值高至20歐姆左右時，其蜂鳴器仍會發出響聲，表示為通路。
為提高測量效率，必須設法實現元件引腳對的自動測量、記錄和校對。為此筆者設計了一個由微控制器控制的通路探測儀作為前端探測設備，設計了一套強大的測量導航軟件進行后端處理，共同來實現PCB上元件引腳間通路關系的自動測量和記錄。本文主要探討其中通路探測電路實現自動測量的設計思想與技術。
實現自動測量的前提是將被測元件引腳連入探測電路中，為此探測設備設置若干個測量頭，通過電纜引出，測量頭可掛接各種測試夾具與元件引腳建立連接，測量頭的數量決定了同一批連入探測電路的引腳數。然后在程序控制下探測儀按組合原則依次將被測引腳對一一納入測量通路。在測量通路中將引腳對之間的通/斷路狀況呈現為引腳間有無電阻，測量通路將其轉換為一個電壓量，由此判斷它們之間的通/斷路關系并加以記錄。
建立在這個思路之上的PCB通路探測電路主要應實現3個功能：
?自動選擇被測引腳對并進行測量；
?自動判斷引腳對間的通路關系；
?自動記錄測量結果。

2 被測引腳對的自動選擇和測量

2.1 被測引腳對的自動切換
為了使探測電路能從已掛連元件引腳的眾多測量頭中按組合原則依次選擇不同的引腳進行測量，可以設置相應的開關陣列，由程序開啟/閉合不同的開關，將元件引腳切換入測量通路中，獲取其通/斷路關系。由于被測量是一個模擬電壓量，所以應該用模擬多路開關形成開關陣列，圖1示出了用模擬開關陣列實現被測引腳切換的思路。

圖3 軟件程序框圖

為了消除電容元件和模擬開關抖動的影響需要延長測量時間，而要消除電感元件的影響，則要利用感生電動勢在很短時間內確定，為此程序中設置了兩個計數器：通路次數計數器和斷路次數計數器。設置通路次數N是為了消除模擬開關閉合瞬間由于電容充電產生的假通路影響，即當累計讀得N次通路結果時，一般對電容的充電已結束，才確認被測量點間為通路。設置斷路次數n是為了排除模擬開關抖動所引起的干擾，一般在連續測得n次斷路結果時表明模擬開關的抖動已經結束，才能確認為斷路。但因為電感的感生電動勢在模擬開關閉合瞬間最大，隨后迅速下降，所以如果第一次和第二次測量結果都為斷路，則確認為斷路。由于幾種情況之間互相矛盾，計數器及延時的值是在權衡三種情況的基礎上根據實際情況確定的。
當然，使用上述程序判斷時，若被測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，這種問題很容易通過軟件在測量結果中檢查出來，若某個兩引腳元件的兩端在同一網絡之中，則可能存在上述判斷錯誤，確認后加以排除。

結語

本文通過對PCB通路探測電路的功能及實現原理的分析，為大規模PCB上元件引腳間通路關系的測量提供了一種新的思路。實驗表明，此探測電路在測量導航軟件（另文介紹）的支持下能高效、準確、完備地測量和記錄PCB上各元件引腳之間的通路關系。