PCB反设计系统中的探测电路

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。