利用毫欧扬声器查找短路，轻松“抄板”PCB

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。wGbednc

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。wGbednc

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。wGbednc

金属丝长柄刷？

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（图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。wGbednc

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图1a：长柄刷和径向弹簧针。wGbednc

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图1b：另一端的轴向弹簧针。wGbednc

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。wGbednc

典型的逆向工程设置如图2所示。wGbednc

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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。wGbednc

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图3：毫欧扬声器原理图（用TinyCAD绘制）。wGbednc

如图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。wGbednc

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。wGbednc

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。wGbednc

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。wGbednc

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。）wGbednc

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。wGbednc

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。wGbednc

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。wGbednc

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。wGbednc

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。wGbednc

（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。）wGbednc

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。wGbednc

（责编：赵明灿）wGbednc