Как отследить участок схемы по печатной плате

Основным инструментом являются глаза, потому что значительная часть информации о схеме и схемных соединениях может быть получена простым разглядыванием печатной платы.

Еще одним важным инструментом является прибор, позволяющий измерять сопротивление (далее в тексте могут использоваться термины "мультиметр", "тестер", "омметр"). Такой прибор позволяет получать информацию о схемных соединениях, которые недоступны визуально, а также некоторую информацию об элементах.

В некоторых случаях будет полезным паяльное оборудование (паяльник, фен, паяльная станция) для демонтажа элементов, что позволяет разбить сложную схему на отдельные участки и отрисовывать их схемы по отдельности или же получить визуальный доступ к схемным соединениям, которые расположены под демонтируемым элементом.

Если отслеживание производится исключительно визуальным способом, то полное обесточивание схемы не является обязательным условием. Но такой способ обычно пригоден для односторонних (в редких случаях двусторонних) плат с удобным расположением деталей, которые практически не перекрывают визуальный доступ к схемным соединениям. Также этот способ может использоваться людьми, которые достаточно хорошо представляют себе участок схемы. Условное название способа - гадание по фотографии.

Отслеживание схемы с использованием мультиметра и/или паяльного оборудования требует отключения внешних и внутренних источников энергии,а также разрядки конденсаторов в схеме. Несоблюдение этого условия может привести в лучшем случае к неправильному результату, а в худшем - к порче оборудования или травме.

Исследуемый объект состоит из некоторого набора компонентов и соединений между ними. Основная часть схемных соединений выполнена в виде печатной платы - на непроводящем основании расположены плоские (высота чаще всего составляет от 18 до 70 мкм) проводники определенной формы, имеющие низкое сопротивление. Эти проводники (далее в тексте могут использоваться термины "дорожки", "заливка") соединяют выводы определенных компонентов между собой. Дорожка (aka line) - это проводник, состоящий из отдельных участков, ширина которых является постоянной. Заливка (aka copper pour) - это проводник, который занимает все доступное ему пространство. Заливка кроме соединения выводов компонентов может использоваться для формирования экранов и теплоотводов. Заливка может быть сплошной, сетчатой и т.д. Проводники печатной платы располагаются в несколько слоев, разделенных диэлектрическим материалом. Для соединения проводников разных слоев используются переходные металлизированне отверстия (aka via) или металлизированные отверстия с контактными площадками (aka through hole pad) для выводных компонентов (aka through-hole component). Компоненты для поверхностного монтажа (aka surface mounted device) присоединяются к печатной плате путем припаивания к контактным площадкам (aka pad). Кроме проводников печатной платы схемные соединения могут выполняться в виде специальных компонентов - перемычек. Перемычки могут представлять собой кусок провода (как изолированного, так и неизолированного) или резистор с нулевым сопротивлением. Желательно не принимать за перемычки такие элементы как предохранители, дроссели и прочие элементы, имеющие в определенных условиях малое сопротивление.

В случае многослойной печатной платы визуально доступны только два наружных слоя проводников (aka Top/Bottom). Но это, как правило, не является проблемой при отслеживании схемы, потому что внутренние слои чаще всего используются для разводки цепей питания, соединений компонентов в корпусах типа BGA, а также высокочастотных сигналов. Цепи питания можно легко проконтролировать с помощью выводов силовых компонентов, а детальная отрисовка схемы в остальных случаях обычно требуется очень редко. Проводники наружных слоев, как правило, закрываются паяльной маской (aka solder mask). Свободными от паяльной маски остаются контактные площадки для припаивания выводов компонентов, тестовые контактные площадки, контактные площадки краевых разъемов. Переходные отверстия могут быть закрыты паяльной маской, а могут быть и свободными от нее. Закрытость переходных отверстий немного усложняет использование мультиметра в процессе отслеживания, но при необходимости можно аккуратно процарапать паяльную маску для нормального контакта щупа мультиметра и интересующего переходного отверстия. Проблемы могут возникать также из-за наличия оксидной пленки на выводах компонентов, припое и проводниках печатной платы.

Если отслеживается схема всего объекта, то сначала желательно по маркировкам основных компонентов выяснить их назначение и структуру. Также желательно определить функциональность разъемов (если таковые есть). На этом же этапе начинается отрисовка схемы - на схеме располагаются основные компоненты и разъемы.

При отслеживании только участка схемы вышеописанный пункт можно пропустить, если нет достоверных сведений о том, что к интересующему участку схемы относятся определенные основные компоненты/разъемы. На этом этапе выбирается определенный вывод определенного компонента (или сигнал, относящийся к определенному выводу определенного компонента), относительно которого отрисовывается участок схемы. На схеме рисуется компонент, от соответствующего вывода которого рисуется соединение. Далее это соединение отслеживается по плате либо визуальным способом (что более предпочтительно), либо с помощью мультиметра, либо комбинированным способом. В результате определяются компоненты, выводы которых имеют соединение с интересующим выводом исходного компонента. Эти компоненты отрисовываются на схеме и их соответствующие выводы на схеме соединяются с интересующим выводом исходного компонента. Затем выбирается следующий вывод, относительно которого повторяются вышеописанные действия.

Процесс отслеживания повторяется до тех пор, пока не будет отрисован весь интересующий участок схемы (с условием логической законченности и непротиворечивости участка схемы).

Следует отметить некоторые моменты, связанные с использованием мультиметра для отслеживания участка схемы.

Для отслеживания соединений чаще всего используется режим "прозвонка", что очень удобно в случае хорошего представления схемы. Но в случае, если схема малопонятна, то рекомендуется обращать внимание не только на звуковой сигнал, а еще и на результаты измерения в цифровом виде. В зависимости от модели мультиметра может изменяться диапазон значений, в котором выдается звуковой сигнал. Отдельные модели могут выдавать звуковой сигнал при измерении прямого падения напряжения на диоде Шоттки, например. Также следует обращать внимание на элементы, имеющие малое активное сопротивление. Например, высокопроизводительные вычислительные устройства (CPU, GPU и т.д.), являющиеся нагрузкой импульсных понижающих преобразователей напряжения, могут искажать результаты измерений между силовыми выводами элементов в нижнем(их) плече(ах) этих преобразователей, потому что сопротивление высокопроизводительных CPU/GPU относительно невелико, а активное сопротивление выходного(ых) дросселя(ей) преобразователя близко к нулю. Если мультиметр используется для приблизительной оценки сопротивления компонента, то следует учитывать влияние других компонентов, соединенных с исследуемым. При наличии сомнений в адекватности показаний мультиметра рекомендуется использовать паяльное оборудование, чтобы либо разделить схему на отдельные участки, либо исследовать компонент вне схемы.

В качестве примера использована простенькая двусторонняя плата с хорошо просматриваемыми дорожками. Фото платы было найдено на просторах инета. На фото дополнительно нанесены метки для указания первого вывода микросхем, катода диодов/светодиодов и положительного вывода полярных конденсаторов. Кроме фото самой платы были найдены топология (для виртуального применения мультиметра и паяльного оборудования) и схема (для проверки результата) платы.

Плата используется для измерения температуры (в общем случае для подключения датчиков с интерфейсом 1-Wire). Также плата имеет два программно управляемых выхода с ТТЛ-уровнями. Интерфейс подключения к персональному компьютеру - USB.

Фото платы с обоих сторон (сверху - Top, снизу - Bottom):

Топология платы (красный - Top, зеленый - Bottom):

На фото и топологии платы хорошо видна разница между дорожками и заливкой. На слое Top имеется небольшой участок заливки - возле разъема USB. Остальную часть этого слоя занимают дорожки, контактные площадки, переходные отверстия и пустое пространство между ними. На слое Bottom практически все занято сплошной заливкой. Расстояние между заливкой и остальными элементами в этом слое (4 дорожки, 16 контактных площадок, 16 переходных отверстий и 1 надпись) минимально допустимое. Часть контактных площадок и переходных отверстий относится к заливке. Причем можно отметить то, что контактные площадки и переходные отверстия соединяются со сплошной заливкой не по всему контуру, а только в определенных местах - таким образом получается термобарьер между контактной площадкой (или переходным отверстием) и сплошной заливкой. Термобарьер облегчает пайку элементов, потом что с термобарьером достаточно прогреть только контактную площадку, вывод элемента и припой, а без термобарьера часть энергии будет рассеиваться сплошной заливкой.

Используемые микросхемы - ATtiny45 (DD1) и DS18B20 (DA1). На плате присутствуют 2 обычных выпрямительных диода (VD1, VD2), 2 светодиода (LED1, LED2), 1 конденсатор (C1), 7 резисторов (R1-R7), 2 разъема (J1, J2).

Если кому-то хочется опробовать вышеизложенную методику, то этой информации и фото вполне достаточно, чтобы самостоятельно отрисовать всю схему и перейти к проверке результата.

Основные элементы: микроконтроллер ATtiny45 и датчик температуры DS18B20. Справа расположен разъем USB (функциональность выводов сверху вниз согласно фото: VBUS, D-, D+, GND). Для используемого разъема USB можно отметить наличие 4 крепежных контактов, которые на схеме не будут отражены. Слева расположен разъем с неизвестным функциональным назначением выводов.

Расположим на схеме вышеперечисленные элементы в произвольном порядке:

Начнем отслеживать схему от выводов VBUS и GND разъема J1. Воспользовавшись фото платы и виртуальными измерениями с помощью топологии платы, можно получить следующую картину:

На фото отмечены контактные площадки и переходные отверстия, между которыми есть соединение:

1. Красным цветом - соединение с контактом VBUS;

2. Оранжевым цветом - соединение между катодом диода VD1 и анодом диода VD2;

3. Голубым цветом - соединение с сигналом VCC (дополнительно введенное обозначение, которое указывает на напряжение питания основных компонентов);

4. Синим цветом - соединение с контактом GND.

Отображаем полученные сведения на схеме:

Продолжим отслеживать схему от выводов D- и D+ разъема J1, а также выводов резисторов R3 и R4. Воспользовавшись фото платы и виртуальными измерениями с помощью топологии платы, можно получить следующую картину:

На фото отмечены контактные площадки и переходные отверстия, между которыми есть соединение:

1. Красным цветом - соединение с контактом D-;

2. Оранжевым цветом - соединение с контактом D+;

3. Голубым цветом - соединение с неотслеженным ранее выводом резистора R4;

4. Синим цветом - соединение с неотслеженным ранее выводом резистора R3.

Отображаем полученные сведения на схеме:

Отследим оставшуюся часть схемы от выводов PB0, PB3 и PB4 микроконтроллера, а также выводов светодиодов LED1, LED2 и резистора R5. Воспользовавшись фото платы и виртуальными измерениями с помощью топологии платы, можно получить следующую картину:

На фото отмечены контактные площадки и переходные отверстия, между которыми есть соединение:

1. Красным цветом - соединение с выводом PB0;

2. Оранжевым цветом - соединение с выводом PB3;

3. Голубым цветом - соединение с выводом PB4;

4. Синим цветом - соединение с неотслеженным ранее выводом светодиода LED1;

5. Фиолетовым цветом - соединение с неотслеженным ранее выводом светодиода LED2.

Отображаем полученные сведения на схеме:

Сравним полученный результат со схемой устройства: