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利用毫欧扬声器查找短路,轻松“抄板”PCB

2021-05-07 Glen Chenier 阅读:
蜂鸣连续性测试仪已经存在很长时间了,但是要实现PCB逆向工程的用途,它们还有很多不足之处。它们可对几欧姆的“短路”做出反应,但人们更愿意区分PCB走线和小于1Ω的测试探针电阻,以免出现误报。

蜂鸣连续性测试仪已经存在很长时间了,但是要实现PCB逆向工程的用途,它们还有很多不足之处。它们可对几欧姆的“短路”做出反应,但人们更愿意区分PCB走线和小于1Ω的测试探针电阻,以免出现误报。Mi4ednc

然后希望用蜂鸣声音调指示几毫欧的ΔR,以便确定闭合的继电器触点、变压器绕组、保险丝或低电阻电流检测电阻器是哪一侧实际连接到目标网络,尤其是当铜走线隐藏在元器件下方时。Mi4ednc

当用金属丝长柄刷快速扫过PCB,寻找公共网络点时,就不能容忍有任何的时间延迟。蜂鸣声必须立即响起,然后延长一段时间而让人能够察觉。次要要求是:为了延长电池寿命,电流消耗要低;为避免使半导体PN结发生偏置,测试电压要低;具有50~60Hz的抗干扰能力;抗ESD和充电电容的能力;以及为避免在实验室或办公室环境中引起同事的烦恼(真的,这声音听起来像是烫伤的猫叫),要支持耳机操作。Mi4ednc

金属长柄刷

对上面某点夹有夹子的某个单独网络来说,要想找到与这个网络相连的所有点,最快的方法就是用长柄刷探针扫过PCB的其余部分,同时听取蜂鸣声。探针(1a)使用非常细(3mil)的磷青铜硬毛制作,这样就可以避免对小型表贴元件造成物理损坏。一旦将长柄刷放置到特定器件的引脚上,弹簧针就会大致对准这个区域。同时,弹簧针的镀金尖端也很有用,这样可最大程度地降低接触电阻。将它们的伸缩部分焊接在一起,这样就可以避免在测量结果上增加不期望的ΔR变化。然后需要使用多点弹簧针——与单点弹簧针相比,这样就不大可能把手给意外刺穿,同时仍能保持良好的低电阻接触。如果需要的话,对于极细间距的表贴IC引脚,可以在单独的探针附件上使用单点弹簧针,然后将其平整放置在工作台上(图1b),但要小心,这些引脚非常尖锐。Mi4ednc

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图1a:长柄刷和径向弹簧针。Mi4ednc

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图1b:另一端的轴向弹簧针。Mi4ednc

为了使探针在扫动时易于操作,可以使用螺旋电缆——在本例中,为最大程度地降低电阻,电缆中四根美规26号(AWG26)导线采用平行布置。固定式探针可以使用香蕉插头连接到各种尺寸和类型的抓取夹。定期进行酒精清洁,可最大程度地降低香蕉插头连接所引起的ΔR变化。Mi4ednc

典型的逆向工程设置如2所示。Mi4ednc

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图2:符合人体工程学的微型工作台用于将被测板(BUT)抬高到靠近头戴式放大镜的视线高度,毫欧蜂鸣器蓝盒可以很方便地放到它的下面,其同一视平面上还配备了原理图捕获软件显示器。Mi4ednc

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图3:毫欧扬声器原理图(用TinyCAD绘制)。Mi4ednc

图3所示,电路将9V电池调节成5V用于低电压模拟电路。R4将探针测试电流设置为1mA,R3则将测试电压限制为10mV。R2用于增加测试引线电阻,确保U2获得正失调电压,该电压由微调电阻R8进行补偿。这是必要的,因为U2采用单电源供电。它的失调量可能为负,测试引线电阻随后还会通过其他电路进行补偿。Mi4ednc

C3可消除50~60Hz交流杂散信号的干扰,但在测试探针的条件下会立即放电到短路状态,从而实现快速响应。R5、D1、D2和D4用于对ESD以及来自于已充电被测板电容的任何电压进行钳位。为了实现低电流消耗和低输入失调电压,U2选用低电压比较器,但其速度要足以对1ms的长柄刷扫描脉冲做出响应。它只以表面贴装的形式供货,因此,如果有人想使用带引脚的器件来制作电路,则需要使用一块转接板。也可以尝试使用其他快速的低功耗、低失调运算放大器。我之所以选择LTC6240,仅仅是因为它在LTspice仿真中具有足够快的响应速度。Mi4ednc

微调电阻R8用于设置蜂鸣阈值电阻:由于PCB一般采用长而细的走线,选用1Ω比较不错。忽略U2的输入失调电压,U2负输入端上的1mV电压用于对1Ω探针+R2+PCB走线电阻条件下的1mA测试电流设置阈值。如果需要,也可以针对不同的阈值对R8进行设置。Mi4ednc

探针电压低于1mV,会使U2触发100ms单稳态U3A。这有助于延长蜂鸣声,这样在用长柄刷快速扫过时就可以察觉到。U3A会使能U3B VCO,进而以4%的占空比驱动扬声器。在空闲(无蜂鸣)期间,U3B使扬声器驱动器晶体管Q1保持截止状态;低占空比可确保Q1大部分时间处于截止状态,从而最大程度地减少电池电流消耗。R14将扬声器电流脉冲与电池隔离开,从而防止扬声器电流与低电压模拟电路之间发生任何相互作用。C6用于为将扬声器驱动到适当响度提供所需的电流峰值。Mi4ednc

如果仅使用耳机,则不需要Q1。U3B可以直接驱动耳机(此扬声器电路的缺点是,即使使用耳机,音量控制也会浪费电流。由于扬声器大部分时间都是安静的,因此我忽略了这个电池浪费问题。)Mi4ednc

最终版本是在具有实心地平面的PCB上用SMT制作的,因此我把扬声器返回电流送到这个平面也没有遇到什么问题。但是,如果用Vectorboard面包板制作这个电路,则应使扬声器的返回电流与低电压模拟地系统分开,将其自己的返回路径直接连接到电池。这种最初的免焊面包板版本存在与此相关的各种问题。Mi4ednc

U4A和U4B用于提供音调与ΔR的关系。后来发现在PCB版本中不需要使用电容C7和C8,这里把它们显示出来是为了“以防万一”,也就是个预防措施。探针两端的0~1mV电压通过U4A放大,U4A的增益由微调电阻R16设置。通常,R16保持在完全顺时针方向,以获得最小增益;我发现这足以轻松区分低至5mΩ ΔR的音调变化。如果有必要增加ΔR分辨率,可以将微调电阻R16设置为更高的增益——到目前为止,我还没有发现有这个必要。请勿过度设置增益——如果将增益设置得过高,U4A可能会在输入失调时达到饱和。Mi4ednc

U4B和前面板调整电阻R20可以让用户“放大”到所关心的ΔR范围。U4B对VCO U3B控制输入进行驱动,用来设置蜂鸣声音调。R20用于设置ΔR测量窗口,并调整测试探针的电阻、香蕉插头附件和被测板走线电阻。首先将探针短接在一起,然后调整R20,直到蜂鸣声刚好从最低音调开始上升为止。探针之间的几毫欧电阻将导致蜂鸣音高进一步增加。如果在嗅探电路时发现了较长的被测板走线,可重新调整R20来适应增加的走线电阻,而将蜂鸣声音调降低到其线性测量范围。Mi4ednc

最终,就可以到达某个点,而使你所关心的网络以闭合的继电器触点或变压器绕组结束。它们的两边都会发出蜂鸣声,但是音调较低(电阻最低)的那一边是被测网络所连接的位置。Mi4ednc

必须将弹簧针牢固地固定在测试点上,而使接触电阻达到最小。请注意,弹簧针的温度变化也会导致音调变化,因此,如果刚刚将被测板焊接好或在探针组件上安装了新的弹簧针,就需要等待一段时间使其稳定到室温。另外,在使用过程中不要触摸弹簧针。手指的温度会改变蜂鸣声音调。Mi4ednc

(本文授权编译自EDN美国版,原文参考链接:Milliohm Squawker great at finding shorts and reverse engineering PCBs。由赵明灿编译。)Mi4ednc

本文为《电子技术设计》2021年5月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里Mi4ednc

(责编:赵明灿)Mi4ednc

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