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：

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