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微計算機信息>>2005年 第21卷 第04期 作者: 趙虎強, 馬鳴錦, 趙秋霞, 杜威 1 引言 電子工程師在進(jìn)行電子設備的反設計或者維修工作時(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PCB上各元件引腳之間的連通關(guān)系進(jìn)行測量并記錄。 最簡(jiǎn)單的方法是將萬(wàn)用表打到"短路蜂鳴器"檔，用兩支表筆逐對地測量引腳間連通關(guān)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(guān)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(shí)，需要測量的"引腳對"數目將會(huì )十分龐大。顯然，若采用人工方法進(jìn)行這項工作，測量、記錄及校對的工作量都將會(huì )非常大。而且測量精度較低，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。 為提高測量效率，必須設法實(shí)現元件"引腳對"的自動(dòng)測量、記錄和校對。為此筆者設計了一個(gè)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(jìn)行后端處理，共同來(lái)實(shí)現PCB上元件引腳間通路關(guān)系的自動(dòng)測量和記錄。本文主要探討其中通路探測電路實(shí)現自動(dòng)測量的設計思想與技術(shù)。 實(shí)現自動(dòng)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(gè)測量頭，通過(guò)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(wú)電阻，測量通路將其轉換為一個(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通路探測電路主要應實(shí)現3個(gè)功能： ·自動(dòng)選擇被測"引腳對"并進(jìn)行測量； ·自動(dòng)判斷"引腳對"間的通路關(guān)系； ·自動(dòng)記錄測量結果。 2 被測引腳對的自動(dòng)選擇和測量 2.1 被測引腳對的自動(dòng)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(jìn)行測量，可以設置相應的開(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量通路中，獲取其通/斷路關(guān)系。由于被測量是一個(gè)模擬電壓量，所以應該用模擬多路開(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)現被測引腳切換的思路。 
圖1 用模擬開(kāi)關(guān)陣列實(shí)現被測引腳的切換 2.2 通/斷路關(guān)系的測量 探測電路的設計原理如圖2所示。圖中Ⅰ和Ⅱ兩個(gè)方框內的兩組模擬開(kāi)關(guān)成對配置：Ⅰ-1與Ⅱ-1，Ⅰ-2與Ⅱ-2，......，Ⅰ-N與Ⅱ -N。模擬多路開(kāi)關(guān)的閉合與否由程序通過(guò)圖1所示的譯碼電路控制，在Ⅰ、Ⅱ兩路模擬開(kāi)關(guān)中最多同時(shí)只能各有一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合。例如，欲探測測量頭1與測量頭2 之間是否有通路關(guān)系，使Ⅰ-1與Ⅱ-2開(kāi)關(guān)閉合，在A(yíng)點(diǎn)與地之間通過(guò)測量頭1、2 形成測量通路，若為通路，則A點(diǎn)的電壓VA=0；若為斷路，則VA>0。VA的值就是判斷測量頭1、2之間有無(wú)通路關(guān)系的依據。這樣，在瞬間即可按照組合原則將掛連在測量頭上的所有引腳間的通/斷路關(guān)系測量完畢。由于這個(gè)測量過(guò)程是在測試夾具所夾元件引腳之間進(jìn)行的，筆者稱(chēng)其為夾內測量。 如果元件的引腳是不可夾的，則必須用表筆進(jìn)行測量。如圖2所示，把一支表筆連到一個(gè)模擬通道上，另一支接地，這時(shí)只要控制開(kāi)關(guān)Ⅰ-1閉合就可以進(jìn)行測量，稱(chēng)之為筆筆測量。用圖2所示的電路也可以在瞬間完成所有掛連測量頭的可夾引腳與接地表筆觸及的不可夾引腳之間的測量，此時(shí)需依次控制Ⅰ路各開(kāi)關(guān)的閉合，而 Ⅱ 路各開(kāi)關(guān)始終斷開(kāi)，這個(gè)測量過(guò)程可稱(chēng)為筆夾測量。
圖2 探測電路原理 3 通路關(guān)系的判斷 3.1 閾值電壓的提出 由圖2可見(jiàn)，若以VA作為測量的電壓量，理論上當VA=0時(shí)應為通路，VA>0時(shí)應為斷路，且VA的值隨兩測量通道之間的電阻值的不同而變化。但由于模擬多路開(kāi)關(guān)本身有不可忽略的導通電阻RON，這樣，在測量通路形成后，若為通路，VA并不等于0，而是等于RON上的電壓降。由于測量的目的只是獲知通/斷路關(guān)系，沒(méi)有必要去測量VA的具體值，為此只需用電壓比較器比較VA是否大于RON上的電壓降即可。設置電壓比較器的閾值電壓等于RON 上的電壓降，電壓比較器的輸出就是測量結果，該結果為可直接由微控制器讀取的數字量。 3.2 閾值電壓值的確定 實(shí)驗發(fā)現RON存在著(zhù)個(gè)體差異，并和環(huán)境溫度也有關(guān)系，所以加載的閾值電壓需隨閉合的模擬開(kāi)關(guān)通道逐一分別進(jìn)行設置，為此可通過(guò)對D/A轉換器編程實(shí)現。 利用圖2所示的電路可方便地對閾值數據進(jìn)行確定，方法為依次閉合開(kāi)關(guān)對Ⅰ-1、Ⅱ-1；Ⅰ-2、Ⅱ-2；……；Ⅰ-N、Ⅱ-N；形成通路回路，每對開(kāi)關(guān)閉合后，向D/A轉換器送數，所送的數由小到大遞增，并測量此時(shí)電壓比較器的輸出，當電壓比較器的輸出由1變?yōu)?時(shí)，此時(shí)的數據與VA相對應。這樣可測得每個(gè)通道通路時(shí)的VA，也就是一對開(kāi)關(guān)閉合時(shí)RON上的電壓降。對于高精度的模擬多路開(kāi)關(guān)而言，其RON的個(gè)體差異較小，因此可把系統自動(dòng)測得的VA的一半近似作為此對開(kāi)關(guān)各自RON上電壓降的對應數據，就是在現行溫度下各模擬開(kāi)關(guān)的閾值數據。 3.3 閾值電壓的動(dòng)態(tài)設置 利用上面測量到的閾值數據建一個(gè)表。在進(jìn)行夾內測量時(shí)，根據所閉合的兩個(gè)開(kāi)關(guān)編號從表中取出與之對應的數據，把它們的和送D/A轉換器形成閾值電壓。對于筆夾測量和筆筆測量由于測量通路僅通過(guò)Ⅰ路的模擬開(kāi)關(guān)，所以只需加載一個(gè)開(kāi)關(guān)的閾值數據。 另外，由于電路本身（D/A轉換器、電壓比較器等）具有誤差，且實(shí)際測量時(shí)測試夾具與被測引腳間具有接觸電阻，因此實(shí)際加載的閾值電壓應在按照上述方法確定的閾值基礎上再加一個(gè)修正量，以免把通路錯判為斷路。但增大的閾值電壓會(huì )把小阻值電阻淹沒(méi)，即把兩引腳間的小電阻判為通路，因此應根據實(shí)際情況合理地選擇閾值電壓的修正量。通過(guò)實(shí)驗，本探測電路可準確判斷兩引腳間電阻值大于5歐姆的電阻，其精度明顯高于萬(wàn)用表。 4 測量結果的幾種特殊情況 1. 電容的影響 當被測引腳間連的是一個(gè)電容，其應為斷路關(guān)系，但開(kāi)關(guān)閉合瞬間測量通路對該電容充電，兩測量點(diǎn)間就像通路一樣，此時(shí)從電壓比較器讀得的測量結果為通路。對于這種由電容引起的假通路現象，可采用以下兩種方法解決：適當加大測量電流以縮短充電時(shí)間，使充電過(guò)程在讀取測量結果前結束；在測量軟件中加入查驗真、假通路的程序段（見(jiàn)第5部分）。 2 電感的影響 若被測引腳之間連有電感，其應為斷路關(guān)系，但由于電感的靜態(tài)電阻阻抗非常小，用萬(wàn)用表測量的結果總是通路的。與電容測量的情況相反，在模擬開(kāi)關(guān)閉合的瞬間，由于電感存在感生電動(dòng)勢，這樣利用探測電路采集速度快的特點(diǎn)反而可以對電感進(jìn)行正確地判斷。但是這與電容的測量要求是矛盾的。 3 模擬開(kāi)關(guān)抖動(dòng)的影響 在實(shí)際測量中發(fā)現模擬開(kāi)關(guān)從開(kāi)啟狀態(tài)到閉合狀態(tài)有一個(gè)穩定過(guò)程，表現為電壓VA的波動(dòng)，使得最初的幾次測量結果不一致，為此需要對通路的結果多判斷幾次，待測量結果一致后再確認。 4 測量結果的確認與記錄 考慮以上各種情況，為適應不同的被測對象，采用如圖3所示的軟件程序框圖進(jìn)行測量結果的確認與記錄。
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(cháng)測量時(shí)間，而要消除電感元件的影響，則要利用感生電動(dòng)勢在很短時(shí)間內確定，為此程序中設置了兩個(gè)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(kāi)關(guān)閉合瞬間由于電容充電產(chǎn)生的假通路影響，即當累計讀得N次通路結果時(shí)，一般對電容的充電已結束，才確認被測量點(diǎn)間為通路。設置斷路次數n是為了排除模擬開(kāi)關(guān)抖動(dòng)所引起的干擾，一般在連續測得n次斷路結果時(shí)表明模擬開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)已經(jīng)結束，才能確認為斷路。但因為電感的感生電動(dòng)勢在模擬開(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(shí)的值是在權衡三種情況的基礎上根據實(shí)際情況確定的。 當然，使用上述程序判斷時(shí)，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(wèn)題很容易通過(guò)軟件在測量結果中檢查出來(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誤，確認后加以排除。 結語(yǔ) 本文通過(guò)對PCB通路探測電路的功能及實(shí)現原理的分析，為大規模PCB上元件引腳間通路關(guān)系的測量提供了一種新的思路。實(shí)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(guān)系。 參考文獻： [1] 胡大可，李培弘，方路平編著(zhù)。 基于單片機8051的嵌入式開(kāi)發(fā)指南。 北京：電子工業(yè)出版社，2003 [2] 沙占友，王彥明編著(zhù)。 單片機外圍電路設計。 北京：電子工業(yè)出版社，2003 [3] MAX396  recision，16-Channel, Low-Voltage, CMOS Analog Multiplexers. www.maxim-ic.com |
