利用mΩ揚聲器查找短路 輕鬆抄板PCB

作者 : Glen Chenier,EDN專欄作者

使用長柄刷探針掃過PCB的其餘部份,同時聽取蜂鳴聲。探針使用非常細(3mil)的磷青銅硬毛製作,就可以避免對小型表面黏著(SMT)元件造成實體損壞...

蜂鳴連續性測試儀已經存在很長的時間了,但如果要實現PCB反向工程(reverse engineering)的目的,它們還有許多不足之處。它們可對數歐姆(Ω)的「短路」做出反應,但我們更期望它能區分PCB走線和小於1Ω的測試探針電阻,以免出現誤報。 然後還希望蜂鳴聲音調能指示幾Ω的ΔR,以便確定閉合的繼電器觸點、變壓器繞組、熔絲或低電阻電流檢測電阻器的哪一側實際連接到目標網路,尤其是當銅走線隱藏在元件下方時。 當用金屬絲長柄刷快速掃過PCB,尋找公共網路點時,就不能容忍有任何的時間延遲。蜂鳴聲必須立即響起,然後延長一段時間而讓人能夠察覺。其次的要求是:為了延長電池壽命,電流消耗要低;為了避免使半導體PN接面發生偏置,測試電壓要低;具有50~60Hz的抗干擾能力;抗靜電放電(ESD)和充電電容的能力;以及為避免在實驗室或辦公室環境中引起同事的煩惱(真的,這聲音聽起來像是燙傷的貓叫聲),要支援耳機操作。
更多反向工程: SiC MOSFET離子佈植現形記
金屬絲長柄刷? 對於單點夾有夾子的單獨網路來說,要想找到與這個網路相連的所有點,最快的方法就是用長柄刷探針掃過PCB的其餘部份,同時聽取蜂鳴聲。探針(1a)使用非常細(3mil)的磷青銅硬毛製作,這樣就可以避免對小型表面黏著(SMT)元件造成實體損壞。一旦將長柄刷放置到特定元件的接腳,彈簧針就會大致對準這個區域。同時,彈簧針的鍍金尖端也很有用,可以最大程度地降低接觸電阻。 將其伸縮部份焊接在一起,這樣就可以避免對於測量結果增加不期望的ΔR變化。相較於單點彈簧針,使用多點彈簧針就不太會意外刺穿手,同時仍能保持良好的低電阻接觸。如果需要的話,對於極細間距的表面黏著IC接腳,可以在附加的單獨探針上使用單點彈簧針,然後將其平整放置在工作台上(1b),但要小心,這些接腳非常尖銳。 1a:長柄刷和徑向彈簧針。 1b:另一端的軸向彈簧針。 為了使探針在掃動時易於操作,可以使用螺旋電纜——在本例中,為最大程度地降低電阻,電纜中的4根美規26號(AWG26)導線採用平行佈置。固定式探針可以使用香蕉插頭(banana plug)連接到各種尺寸和類型的抓取夾。定期進行酒精清潔,可最大程度地降低香蕉插頭連接所引起的ΔR變化。 典型的反向工程設置如2所示。 2:符合人體工學的微型工作台用於將待測板(BUT)抬高到靠近頭戴式放大鏡的視線高度,毫歐姆蜂鳴器藍盒剛好可以放置於其下,其同一視線平面上還配備了原理圖擷取軟體顯示器。 3:毫歐姆揚聲器原理圖(TinyCAD繪製)3所示,電路將9V電池調節成5V用於低電壓類比電路。R4將探針測試電流設置為1mA,R3則將測試電壓限制為10mV。R2用於增加測試導線電阻,以確保U2獲得正偏移電壓,該電壓由微調電阻R8進行補償。這是必要的,因為U2採用單電源供電。它的偏移量可能為負,測試導線電阻隨後還會透過其他電路進行補償。 C3可消除50~60Hz交流(AC)雜散訊號的干擾,但在測試探針的條件下會立即放電到短路狀態,從而實現快速回應。R5、D1、D2和D4用於對箝位ESD以及來自於充電待測板(BUT)電容的任何電壓。為了實現低電流消耗和低輸入偏移電壓,選用低電壓比較器U2,但其速度足以對1ms的長柄刷掃描脈衝做出回應。它只以表面黏著的形式供貨,因此,如果有人想使用帶接腳的元件來製作電路,則需要使用轉接板,也可以嘗試使用其他快速的低功耗、低偏移運算放大器(op-amp)。我之所以選擇LTC6240只是因為它在LTspice模擬中具有夠快的回應速度。 微調電阻R8用於設置蜂鳴閾值電阻:由於PCB一般採用長而細的走線,選用1Ω比較不錯。U2的輸入偏移電壓可略過,U2負輸入端上的1mV電壓用於對1Ω探針+R2+PCB走線電阻條件下的1mA測試電流設置閾值。如果需要,也可以針對不同的閾值對R8進行設置。 探針電壓低於1mV會使U2觸發100ms單穩態U3A。這有助於延長蜂鳴聲,這樣在用長柄刷快速掃過時就可以察覺到。U3A會使能U3B VCO,進而以4%的工作週期驅動揚聲器。在空閒(無蜂鳴)期間,U3B使揚聲器驅動器電晶體Q1保持截止狀態;低工作週期可確保Q1大部份時間處於截止狀態,從而最大程度地減少電池電流消耗。R14將揚聲器電流脈衝與電池隔離開來,從而防止揚聲器電流與低電壓類比電路之間發生任何相互作用。C6提供驅動揚聲器到適當響度所需要的電流峰值。 如果僅使用頭戴式耳機,則不需要Q1。U3B可以直接驅動耳機(此揚聲器電路的缺點是,即使使用耳機,音量控制也會浪費電流。由於揚聲器大部份時間都是安靜的,因此略過這個浪費電池的問題。) 最終的版本是在具有實心接地面的PCB上用SMT製作的,因此我把揚聲器返回電流送到這個平面也沒有遇到什麼問題。但是,如果用Vector board麵包板製作這個電路,則應使揚聲器的返回電流與低電壓類比接地系統分開,將其自己的返回路徑直接連接到電池。這種最初的免焊麵包板版本存在與此相關的各種問題。 U4A和U4B提供音調與ΔR功能的關係。後來發現在此PCB版本中不需要使用電容C7和C8,這裡把它們顯示出來是為了「以防萬一」,也就是個預防措施。探針兩端的0~1mV電壓通過U4A放大,U4A的增益由微調電阻R16設置。通常,R16保持在完全順時針方向,以獲得最小增益;我發現這足以輕鬆區分低至5mΩ ΔR的音調變化。如果有必要增加ΔR解析度,可以將微調電阻R16設置為更高的增益——到目前為止,我還沒有發現有這個必要。請勿過度設置增益——如果將增益設置得過高,U4A可能會在輸入偏移時達到飽和。 U4B和前面板調整電阻R20可以讓用戶「放大」到所關心的ΔR範圍。U4B對VCO U3B控制輸入進行驅動,用來設置蜂鳴聲音調。R20用於設置ΔR測量視窗,並調整測試探針的電阻、香蕉插頭附件以及BUT走線電阻。首先將探針短接在一起,然後調整R20,直到蜂鳴聲剛好從最低音調開始上升為止。探針之間的幾毫歐姆電阻將導致蜂鳴音高進一步增加。如果在嗅探電路時發現了較長的BUT走線,可重新調整R20來適應增加的走線電阻,而將蜂鳴聲音調降低到其線性測量範圍。 最終就可能到達某個點,而使你所關心的網路以閉合的繼電器觸點或變壓器繞組結束。它們的兩邊都會發出蜂鳴聲,但是音調較低(電阻最低)的那一邊是待測網路所連接的位置。 彈簧針必須牢牢地固定在測試點上,而使接觸電阻達到最小。請注意,彈簧針的溫度變化也會導致音調變化,因此,如果剛剛將BUT焊接好或在探針元件上安裝了新的彈簧針,就需要等待一段時間使其穩定到室溫。此外,在使用過程中不要觸摸彈簧針。手指的溫度將會改變蜂鳴聲音調。 (參考原文:Milliohm Squawker great at finding shorts and reverse engineering PCB,by Glen Chenier) 本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年5月號雜誌

發表評論