Безопасная "звонилка" для схем

Картинка с просторов интернета. Вероятно, с elektro.ru

Я всегда проверял качество запайки микросхем-многоножек обычным мультиметром в режиме прозвонки. И не один я. Но вот как то совершенно случайно узнал, что один человек таким образом убил целую STM32. Не помню, мультиметром или самопальной прозвонкой.... Давно это было.

Но где то в подсознании отложилась мысль, что те 2 - 3 вольта, которые выдает мультиметр в режиме прозвонки, при должном стечении обстоятельств могут попортить порты микроконтроллера... Как минимум, можно убить защитные диоды, как максимум - каким то образом сломать какой то из транзисторов порта.

"Как быть?" - спросил я у интернета. Интернет тут же подсунул мне пару идей таких пробников. Раз и два.
Первый пробник - ну как по мне, идея правильная, но реализация на куче рассыпухи мне не нравится. Второй пробник - минимализм в схеме и размере. Даже диоды умеет определять.

Эти все мысли  медленно и нудно крутились в голове.... И тут в какой то момент PIN 1000 приносит в комментарии ссылку на видео за авторством пана Jiri Dobry. Устройство под названием ShortyPen, позволяет измерять малые сопротивления вплоть до 100 мкОм (0,0001 Ом) и пищать разными звуками в зависимости от сопротивления. Беглый поиск привел на гитлаб автора. А так же на первоисточник идеи - статью Jaromir Sukuba на hackaday.io и ее развитие на eevblog.

Это устройство предназначено в первую очередь для поиска коротких замыканий на печатных платах. Идея очень проста - через низкоомный резистор течет ток, падение напряжения на резисторе измеряется вольтметром. Если параллельно резистору подключить тестируемую цепь, то можно по изменению падения напряжения, зная сопротивление исходного резистора, посчитать сопротивление параллельно подключенной цепи.
Идея красивая. И изначальная реализация Jaromir Sukuba на ардуинке - в принципе, правильная и самодостаточная. 

Напряжение с измерительного резистора усиливается ОУ и подается на АЦП ардуины. Здесь нет стабилизации напряжения на делителе, поскольку это не нужно. АЦП ардуины умеет использовать в качестве референса напряжение питания и при расчетах это напряжение просто из формул сократится.
А вот реализация с дисплеем авторства Jiri Dobry - как по мне - сильно под вопросом. В процессе поиска КЗ на плате некогда смотреть на дисплей и читать, а какое же там сопротивление сейчас. Да и неважно это. Правильней ориентироваться на звук. А при измерения малых сопротивлений точность сильно-сильно вызывает вопросы. 4 знака после запятой требуют хорошо стабилизированного источника опорного напряжения для АЦП и для задания тока через делитель. Хотя тут применен хороший внешний АЦП. Поэтому устройство меня особо не заинтересовало, но идея комбинированного устройства - звонилки и искателя КЗ тоже упала куда то в подсознание...

И тут звезды сложились нужным образом. Старший ребенок параллельно с учебой подрабатывает в сервисе по ремонту специфического оборудования. И у них иногда возникает вопрос поиска КЗ. И мы как то за вечерним чаем обсуждали данный вопрос - как искать КЗ. В принципе, все простые варианты сводятся к тому, что б подать на цепь большой ток и по нагреву найти виновника, либо подать малый ток и по уменьшению падения напряжения найти проблемную точку.

Идея Jaromir Sukuba пришлась мне по душе и я начал смотреть, что у меня есть из деталей. А из деталей нашелся мелкий rail-2-rail операционник в SOT23-5. И всякие разные микроконтроллеры. А еще вспомнилось, что некоторые микроконтроллеры на борту имеют встроенный операционник. В частности - ATTINY85. В принципе, самодостаточное решение.
Осталось придумать схему.

Начнем с делителя. Делитель будет подключаться к питанию устройства. Это же питание будет использоваться в качестве референсного для АЦП. Таким образом мы вычеркиваем стабилизатор. В Tiny85 есть встроенный ОУ с усилением в 20 раз. Маловато, но попробуем и с этим взлететь. Внешний ОУ - тоже вычеркиваем.

Начинаем считать делитель. Нам нужно по максимуму использовать диапазон АЦП МК. Он 10-битный, т.е. может померять 1024 градации отношения референса ко входному напряжению.
Референс у нас - питание, на входе у АЦП стоит ОУ с усилением в 20 раз. Значит максимальное входное напряжение - 1/20 от питания. 
Соответственно, нужен делитель с соотношением плеч 19:1. Меньший, измерительный резистор - как раз и будет работать в паре с тестируемой цепью. Тут тоже палка о двух концах. Если взять маленький резистор, то увеличится чувствительность устройства в области низких сопротивлений. Но и возрастет потребляемый ток. Если взять большое сопротивление измерительного резистора - ток уменьшится, но и уменьшится разрешающая способность в низкоомной части цепи.
Добавочный резистор должен иметь сопротивление в 19 раз больше, чем измерительный. Ну или чуть-чуть больше, чем в 19.

Например, для измерительного резистора в 4,7 Ом добавочный должен быть 89,3 Ом.
Можно взять резистор 91 Ом. А можно - два резистора по 47 Ом. Да, это будет 94 Ома - в 20 раз больше измерительного резистора. Это приведет к тому, что максимальное значение АЦП будет не 1023, а 974-975. 
Тут еще будет влиять точность резисторов, погрешность самого АЦП...

Соотношение резисторов делителя так же определяет максимальное напряжение, прикладываемое к измеряемой цепи - для случая 4,7 : 47+47 Ом это 1/21 от напряжения питания устройства.
Для напряжения 4.2 вольта - это 200 мВ, для 3.2 вольта - 150 мВ... 
Максимальный ток, протекающий по измеряемой цепи определяется напряжением питания и дополнительными резисторами. Для питания 4.2 вольта это 4.2/(47+47) = 45 мА.

Но! Мы же делаем не измерительный прибор, а тестер - оценочное устройство, которое призвано проверить наличие контакта и при необходимости - найти точку с наименьшим сопротивлением этого контакта. Поэтому возьмём пару резисторов в 47 Ом и включим измерительный резистор 4,7 Ом между ними.
Заодно таким включением и область работы встроенного ОУ сдвинем в серединку питания. 

Дальше попробуем провести расчеты, какое же минимальное параллельное сопротивление способен отловить наш тестер. 

Внешнее сопротивление подключается параллельно измерительному резистору.
Измерительный резистор подключен к напряжению питания между двумя дополнительными резисторами. Но для расчетов эти два резистора можно принять как один, Rдоп = Rдоп1 + Rдоп2.

Используется дифференциальный режим АЦП с усилением 20х. Соответственно, напряжение на входе АЦП - это напряжение на измерительном резисторе, умноженное на 20.

Напряжение на измерительном резисторе - это

   (1)

Помним, что референс АЦП и напряжение питания - это одно и то же : Uref = +U.
Значение АЦП - это измерение умноженного на 20 напряжения на измерительном резисторе.

(2)

Подставим сюда формулу (1) - и видим, что Uref сокращается....

(3)

Если к измерительному резистору Rизм подключить неизвестное сопротивление Rx, то результирующее сопротивление будет 

 (4)

Подставляя (4) в (3), можно получить значения АЦП для различных подключаемых сопротивлений.

Формула (4) - это частный случай формулы для расчета сопротивлений параллельно включенных резисторов

(5)

Так же можно провести и обратный расчет - определить по значению АЦП значение подключенного параллельно измерительному резистору сопротивления. Этот расчет будет приблизителен, поскольку значения АЦП дискретны.
Преобразования формулы (3) дают следующее:

(6)

Формула (6) дает нам значение Rизм вместе с подключенным ему параллельно Rx. А из полученного R||, зная Rизм, можно рассчитать Rx, используя формулу (5).
Для случая двух параллельных сопротивлений формулу (5) можно привести к следующему виду:

 (7)

Используя формулу (6) для значений АЦП 0, 1, 2 и т.д., можно по формуле (7) посчитать приблизительные сопротивления Rx, которые будут соответствовать этим значениям АЦП.

Ниже - выдержка из эксельной таблички с расчетами:

Как видно из расчетов - в области от 0 до 1 Ом у нас получается около 180 точек АЦП - чуть менее 1/5 рабочего диапазона значений АЦП для выбранных резисторов делителя.
В этой области зависимость достаточно линейная, единица АЦП соответствует сопротивлениям от 4.5 до 6.5 мОм.

В принципе, такой разрешающей способности АЦП должно хватить для отслеживания пути к точке КЗ. 
А для прозвонки - и подавно.

Раз с делителем определились, можно придумывать и остальную периферию. 
Сигнальное устройство - пьезопищалка. Дополнительная сигнализация - программируемый светодиод WS2812. Управление - кнопка. Питание - литий, заряд посредством LTC4054. Можно рисовать схему.

Схема

Схема в PDF

Измерительная часть. 

R15-R17 образуют делитель. К верхней точке измерительного резистора R16 подключен встроенный щуп - игла. Выносной щуп построен по двухпроводной схеме - по одному проводу течет ток, по второму проводу снимается измеряемое напряжение. Провода соединены непосредственно на игле выносного щупа.
Резистор R14 - защитный, для выравнивания потенциалов при обрыве одного из проводов выносного щупа.
R12R13C3 - фильтр. D1D2 - защитные диоды. Далее сигнал уходит на дифференциальные входы АЦП. 
Транзистор Q2 - управление питанием делителя и питанием программируемого светодиода.

Транзистор Q1 - блокировка работы измерительной части при программировании МК. Q1R9 можно не устанавливать, поскольку программирование МК проводится один раз. Это оно мне нужно было при написании прошивки.

Индикация и управление.

Управляется устройство одной кнопкой. 

Световая индикация - программируемый RGB-светодиод, в режиме ожидания он светит синим ( при севшей батарее - фиолетовым) цветом, при прозвонке цепей цвет свечения меняется от голубого к зеленому и далее к оранжевому цвету. Вывод управления диодом параллельно используется для опроса кнопки. R7D3R11 - развязывающие элементы.

Звуковая индикация - пьезопищалка. Вывод управления пищалкой совмещен с сигналом о заряде аккумулятора от LTC4054. поэтому сигналы так же развязаны резисторами R5R6. Это же ограничивает сигнальную часть именно пьезопищалкой. И да, возможно ее громкость будет из-за резистора R5 не такой громкой, как хотелось бы.

Я перемудрил с развязкой. По факту R5 не нужен, он заменяется перемычкой. R6 - развязка от LTC4054. Сигнальная часть должна быть именно пьезопищалка пассивная.

Зарядная часть

Типовое включение LTC4054 или ее аналогов. При указанном на схеме номинале R3 ток заряда около 100 мА. R1R2 - резисторы, необходимые по стандарту Type-C.

Печатная плата

Плата двухсторонняя, 16.5 х 60 мм

Герберы.

Прошивка микроконтроллера.

Фьюзы.

Low: 0xE2
High: 0xDF
Extended: 0xFF

Прошивка.

Работа с устройством.

Длительное нажатие на кнопку включает устройство.

Устройство включается в режим непрерывного измерения напряжения на измерительном резисторе.
При этом индикаторный светодиод загорается синим цветом. Или фиолетовым, если напряжение аккумулятора менее 3.3 вольта.

Длительное нажатие на кнопку во включенном режиме выключает устройство.

Если в течении 30 секунд ни одной прозвонки цепей не проводилось, устройство переходит в режим прерывистых измерений - 25 мс делитель включен, производится измерение напряжения на измерительном резисторе, 75 мс пауза, делитель выключен, светодиод не горит.

Если в течении  следующих 30 секунд так же не производилось ни одной прозвонки, устройство увеличивает время паузы до 175 мс. еще через минуту устройство выключается.

Короткое нажатие на кнопку в режиме прерывистых измерений возвращает устройство в режим непрерывного измерения.

Так же любая прозвонка цепи, вызывающая срабатывание индикации, возвращает устройство в режим непрерывного измерения. 

Даже короткое замыкание щупов (на время порядка 5 мс) вызывает срабатывание звукового сигнала длительностью 50 мс.

Теперь про саму прозвонку.

Звуковая и световая индикация срабатывает на сопротивлении менее 65-75 Ом (это зависит от погрешности АЦП и встроенного ОУ микроконтроллера, а так же от точности резисторов делителя). 

Световая индикация.

Сопротивление 65..75 - 5 Ом - голубой цвет свечения диода
Сопротивление 5 Ом - 0.6 Ом - зеленый цвет свечения диода
Сопротивление 0.6 Ом - 0 Ом - в этом диапазоне цвет свечения диода меняется от зеленого к оранжевому и далее, в идеальном случае - до чисто красного.

Звуковая инидикация

Звуковая индикация сделана в двух вариантах (нужно проверять на примененном пьезоизлучателе и индивидуальных особенностях слуха).
Варианты выбираются соответствующей прошивкой.
Первый вариант - диапазон от 490 Гц до приблизительно 5,6 кГц - CircuitTester.hex
Второй вариант - урезанный диапазон - от 850 Гц до ~3,8 кГц - CircuitTester_reduced_range.hex

Все частоты приблизительные, зависят от частоты встроенного тактового генератора микроконтроллера, собственного сопротивления измерительных цепей, точности резисторов делителя, погрешностей АЦП, фазы луны, солнечной радиации и толщины снежного покрова на великой священной горе Фудзи....

Сопротивление 65..75 - 0.6 Ом -  звук 490 (850) Гц
Сопротивление 0.6 Ом - 0 Ом - в этом диапазоне звук повышается до 5,6 (3,8) кГц

Конструкция

В принципе, если бы не острые иголки щупов, можно было бы оформить устройство хоть в термоусадке, хоть в пластиковом кабель-канале. Или вообще в стиле эксгибиционизма - в прозрачный акрил. Когда то какой то Apple-компуктер был так оформлен, фанаты кипятком писались от потрошков.
Но поскольку иголки острые и это больно, для самого устройства был взят старый маркер, а для внешнего щупа - шариковая ручка.

Фото и видео

Так же, для тестирования устройства была собрана небольшая тестовая платка с десятком резисторов и спиральной дорожкой.

Герберы

Ну и коротенькое видео

Еще видео из Челябинска от PIN1000, встраивание запрещено, поэтому ссылкой.