摘要：我在2022年時(shí)設(shè)計(jì)了“邏輯電平測(cè)試筆“，針對(duì)常用的3.3V和5V的TTL電平進(jìn)行快速測(cè)量，在當(dāng)時(shí)我就決定了做一款”升級(jí)版“。時(shí)間轉(zhuǎn)眼來到了2023年，我對(duì)這支測(cè)試筆的構(gòu)想在腦中逐漸完善，在”CW32生態(tài)社區(qū)“的支持下我決定將這一設(shè)計(jì)變?yōu)閷?shí)物。

1. 前言

1.1 起心動(dòng)念

在日常的硬件調(diào)試工作中，我們最常使用的儀器儀表可能就是萬用表了，雖然萬用表號(hào)稱“萬用”，但大部分時(shí)候，我們需要使用到的功能無非是電壓測(cè)量和通斷測(cè)量。

作為調(diào)試的“得力干將”，萬用表有時(shí)候也會(huì)存在存在一些缺點(diǎn)和局限性，比如：體積較大不便于攜帶、無法直接反應(yīng)邏輯電平情況而需要自己判斷、不同型號(hào)萬用表的通斷檔位閾值電阻不同等等，而最令人頭大的，莫過于萬用表的COM表筆通常需要接地，而pcb上可能沒有直插孔位可以方便的固定筆尖，因此不得不用手輔助“黑表筆“，影響操作靈活性。

因此我在2022年時(shí)設(shè)計(jì)了“邏輯電平測(cè)試筆“。針對(duì)常用的3.3V和5V的TTL電平進(jìn)行快速測(cè)量，在當(dāng)時(shí)我就決定了做一款”升級(jí)版“。時(shí)間轉(zhuǎn)眼來到了2023年，我對(duì)這支測(cè)試筆的構(gòu)想在腦中逐漸完善，在”CW32生態(tài)社區(qū)“的支持下我決定將這一設(shè)計(jì)變?yōu)閷?shí)物。

1.2 初步構(gòu)想

對(duì)于這支測(cè)試筆，我對(duì)他的功能有以下期望：

1.電壓測(cè)量+閾值判斷，閾值電平可以根據(jù)需求自行設(shè)定滿足不同邏輯電平的場(chǎng)景，并且保留“簡(jiǎn)易邏輯電平測(cè)試筆“好用的紅綠燈提示功能；

2.通斷測(cè)量，且閾值電阻可以根據(jù)需求調(diào)整（這可是在葫蘆客上千元的萬用表中才有的功能，我也要給我的測(cè)試筆加上）；

3.二極管測(cè)量，點(diǎn)亮一顆二極管（注意！不是三極管?。。。?/p>

4.PWM輸出，方便在一些場(chǎng)景下提供一個(gè)已知量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，也可以對(duì)無源蜂鳴器等進(jìn)行測(cè)試

5.PWM輸入，可以對(duì)頻率進(jìn)行測(cè)量（甚至是對(duì)串口等數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的解碼顯示等功能，不過目前技術(shù)有限還沒有實(shí)現(xiàn)）

6.直流輸出，模擬出一個(gè)需要的直流電平進(jìn)行測(cè)試（感謝李老師提出的這個(gè)需求，我在使用中發(fā)現(xiàn)非常的實(shí)用）

7.可以連接擴(kuò)展板進(jìn)行配合測(cè)量（也歡迎大家提供擴(kuò)展模塊的思路）

2. 電路設(shè)計(jì)說明

設(shè)計(jì)思路：在對(duì)測(cè)試筆進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，我把整體分為了五個(gè)部分：模擬前端、電源與電池管理、單片機(jī)及外設(shè)、顯示屏、用戶控制。根據(jù)模塊化的設(shè)計(jì)思路，我們可以在畫電路圖時(shí)更加有條理，也可以在進(jìn)行PCBLayout時(shí)將布局按照模塊進(jìn)行大致區(qū)分，以便于進(jìn)行走線等操作。

我們根據(jù)需求對(duì)每個(gè)部分進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)。在下面，將會(huì)結(jié)合電路圖和PCB對(duì)我的設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)思路進(jìn)行詳細(xì)的說明。

2.1 電源與電池管理

2.1.1 充放電管理

在充電ic部分我選擇了常用的TP4057作為主控，電源輸入采用了最常見的Type-C接口，雖然在本項(xiàng)目中實(shí)用6P接口就已經(jīng)足夠，但考慮到項(xiàng)目擴(kuò)展，因此選擇了16P接口，并借用了Type-C接口中的SBU1、SBU2引腳進(jìn)行擴(kuò)展板連接，之所以沒有實(shí)用D+D-作為擴(kuò)展線路，是因?yàn)榭紤]到設(shè)備的輸出信號(hào)可能使得充電器誤判，從而發(fā)出錯(cuò)誤電壓造成危險(xiǎn)，這在設(shè)計(jì)中是需要考慮到的。在電路圖中，可以看見Type-C接口中的CC1、CC2接了5.1K的對(duì)地下拉電阻，這是為了在使用CC線時(shí)使充電器準(zhǔn)確識(shí)別設(shè)備，如果使用AC線則可以不焊接R2、R3電阻。

TP4057充放電芯片的主要參數(shù)可以參考下圖，在我的設(shè)計(jì)中PROG可編程恒流充電電流設(shè)置端的設(shè)置電阻為2K，充電策略較為激進(jìn)。

2.1.2 系統(tǒng)上電與斷電控制邏輯

系統(tǒng)上電邏輯較為復(fù)雜，但可以根據(jù)時(shí)序幫助理解。

在上圖中，左側(cè)是電源控制部分，中鍵是電量采集部分，右側(cè)是五向搖桿開關(guān)，其中的中鍵是開機(jī)按鍵。

注意事項(xiàng)：在早期的版本中我犯了一個(gè)錯(cuò)誤，我將電量檢測(cè)電路設(shè)計(jì)在了開機(jī)控制電路之前，因此不僅會(huì)在待機(jī)情況下造成電池電量的浪費(fèi)，一開始我覺得這個(gè)漏電流很小無傷大雅，因?yàn)?a target="_blank">鋰電池滿電4.2V時(shí)也只有210μA，但我發(fā)現(xiàn)因?yàn)樵撾娐愤B接到了后級(jí)的單片機(jī)電路，因此會(huì)通過單片機(jī)漏電，從而造成后級(jí)系統(tǒng)一直帶有一個(gè)0.7V的低壓。

下面我們結(jié)合電路圖對(duì)開機(jī)時(shí)序進(jìn)行分析：

1.五向開關(guān)的中鍵被按下，并保持按下狀態(tài)

2.被BAT+電池電壓拉高的PW_ON網(wǎng)絡(luò)通過D1對(duì)地放電

3.MOS管AO3401（PMOS）柵極被拉低，Ug < Us

4.MOS管Q1導(dǎo)通，電池輸出電壓到LDO芯片XC6206

5.XC6206輸出3.3V電壓，單片機(jī)得電，KEY1網(wǎng)絡(luò)被拉高

6.由于按鍵保持按下，KEY1網(wǎng)絡(luò)被拉低，單片機(jī)獲得按鍵按下信號(hào)

7.單片機(jī)計(jì)算延時(shí)，到達(dá)閾值時(shí)間后，控制PW_CT（PF7）輸出高電平（如果延時(shí)時(shí)間未到就松手，系統(tǒng)斷電，就不會(huì)進(jìn)入后面的時(shí)序）

8.三極管S8050導(dǎo)通，保持AO3401柵極拉低

9.PW_CT持續(xù)輸出高電平，三極管保持導(dǎo)通，系統(tǒng)保持得電，開機(jī)時(shí)序完成

理解了上電時(shí)序和邏輯，那就會(huì)發(fā)現(xiàn)關(guān)機(jī)的斷電邏輯很簡(jiǎn)單：符合關(guān)機(jī)條件（無論是按鍵操作還是軟件控制），程序控制PW_CT引腳（PF7）轉(zhuǎn)為輸出低電平， Q1不再導(dǎo)通，AO3401柵極被R7拉高，MOS管也不再導(dǎo)通，系統(tǒng)完成斷電。

2.2 單片機(jī)及外設(shè)等

2.2.1 CW32單片機(jī)核心系統(tǒng)

標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)核心系統(tǒng)配置，其中因?yàn)楸卷?xiàng)目不需要用到高精度時(shí)鐘和低速晶振進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間計(jì)時(shí)，因此則省略這部分電路（這邊畫了，但是設(shè)置為不需要轉(zhuǎn)入PCB、不導(dǎo)入BOM，主要是為了別的項(xiàng)目在使用時(shí)可以直接復(fù)制使用，主打一個(gè)CV工程師（bushi）。本項(xiàng)目不適用bootloader燒錄，因此BOOT引腳直接拉低（標(biāo)準(zhǔn)畫法可以參考被注釋的部分，本項(xiàng)目的PCB面積較為緊張，就直接接地了）。SWD接口為PA13、PA14，本項(xiàng)目中通過1.0間距的排針引出，不過在實(shí)際使用中不需要焊接排針，只需要使用探針（項(xiàng)目工程里有探針的轉(zhuǎn)接板）頂住接口就可以進(jìn)行下載。排針引出接口包括SWD、RST、MCUVCC等，方便進(jìn)行調(diào)試（PCB上的復(fù)位按鍵不能SMT焊接，因?yàn)橘N片焊盤和排針直插焊盤復(fù)用，回流焊會(huì)漏錫造成虛焊甚至短路！復(fù)位按鍵的設(shè)計(jì)是為了在燒錄完成后，確定不會(huì)再燒錄的情況下焊接，既可以擋住排針的孔（沒錯(cuò)，我有強(qiáng)迫癥），也可以當(dāng)作復(fù)位按鍵使用（仿佛說了一句廢話），即使不焊接也可以使用鑷子等物品短接RST和GND孔洞進(jìn)行復(fù)位操作）。

在io的配置方面，首先根據(jù)需求及單片機(jī)引腳功能進(jìn)行io分配（優(yōu)先分配需要使用到專用功能的引腳，比如ADC、SPI、TIMER、串口等），再根據(jù)布局布線進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

在原理圖繪制時(shí)，我的習(xí)慣是把io使用到的功能直接標(biāo)注在MCU引腳邊上（放置需要連接的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符），這樣可以在分配時(shí)防止沖突并快速調(diào)整引腳分配，也可以編程時(shí)快速找到所用引腳。當(dāng)然也有人習(xí)慣把分配的引腳放置在對(duì)應(yīng)圖塊邊上，則單片機(jī)只引出io對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，個(gè)人認(rèn)為這種分配方法更適合在pin數(shù)較多的單片機(jī)上使用（比如需要使用RGB、EXMC的時(shí)候，他們的引腳位置往往不是連續(xù)的，在對(duì)應(yīng)圖塊邊上標(biāo)注io可以更好的進(jìn)行引腳管理），兩種標(biāo)注方法各有利弊，自行選擇即可。

2.2.2 用戶操作輸入

本項(xiàng)目的用戶操作部分使用了一顆五向搖桿開關(guān)，可以理解等效為五顆普通按鍵開關(guān)，編程起來也是作為普通按鍵即可。

不同方向的搖桿開關(guān)對(duì)應(yīng)的功能會(huì)在程序部分進(jìn)行說明，此處不做贅述。

和傳統(tǒng)按鍵一樣采用了0.1μF消抖電容（圖個(gè)心理安慰）

2.2.3 顯示屏

本項(xiàng)目采用了一塊0.96寸TFT顯示屏，顯示屏分辨率80*160，采用ST7735顯示驅(qū)動(dòng)芯片，通過FPC與PCB焊接進(jìn)行連接，通過SPI接口進(jìn)行通信。

在上方電路圖中，R18為背光限流電阻，可以通過單片機(jī)控制BLK網(wǎng)絡(luò)對(duì)顯示屏背光進(jìn)行控制，也可以進(jìn)行PWM調(diào)光。

2.2.4 其他人機(jī)交互

如上圖所示，多功能測(cè)試筆有一紅一綠兩顆LED用于電平指示，其中綠色用來指示低電平、紅色用來指示高電平，兩顆LED與MCU的連接均為灌電流模式（注：LED和顯示屏同時(shí)起作用，其中LED作為快速指示燈，方便用戶通過余光就能確定當(dāng)前的狀態(tài)）。一顆無源蜂鳴器用于額外的指示（比如通斷測(cè)試），增強(qiáng)用戶感知。需要注意的是此處使用的是無源蜂鳴器，不能使用有源蜂鳴器（那么小體積也沒有常規(guī)的有源蜂鳴器）。還有一顆側(cè)貼的LED作為筆尖照明燈，方便在機(jī)殼內(nèi)部等較為昏暗的場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試，可以根據(jù)需要更換限流電阻來設(shè)定自己需要的亮度。

2.2.5 BLE藍(lán)牙

為了方便測(cè)試筆與電腦或手機(jī)，我選擇使用藍(lán)牙BLE技術(shù)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。之所以不使用更加常用的CH340等串口轉(zhuǎn)USB直接連接，主要有以下三點(diǎn)考慮：

1.數(shù)據(jù)線有一定的重量和硬度，需要拖著數(shù)據(jù)線操作會(huì)不如無線時(shí)靈活；

2.不建議一邊插著數(shù)據(jù)線一邊使用，會(huì)讓表筆的浮地變成接地，進(jìn)而可能在測(cè)試時(shí)造成短路（具體原因在模擬電路章節(jié)會(huì)分析）

3.最重要的一點(diǎn)：安全因素！如果因?yàn)椴僮魇д`造成測(cè)試筆輸入一個(gè)較高的電壓，并且防護(hù)電路失效造成單片機(jī)燒毀，那這個(gè)高壓極有可能沿著數(shù)據(jù)線直接輸入手機(jī)或電腦，造成嚴(yán)重的損失！

在芯片選型時(shí)，選擇了KT6368A這顆BLE、SPP雙模芯片，基于杰理AC6368A,這顆芯片支持藍(lán)牙5.1，當(dāng)然更重要的是，這顆芯片使用晶振時(shí)不需要起振電容，其他的外圍電路也極其簡(jiǎn)單，有助于在擁擠的PCB上節(jié)約寶貴的面積。我的設(shè)計(jì)中為這顆芯片配備了指示燈和外接天線，其實(shí)這些都不是必須的，如果你想要減少物料成本，在不焊接天線的情況下依舊可以保證在2m左右范圍內(nèi)的穩(wěn)定信號(hào)連接。

2.3 模擬前端

眾所周知，模擬前端就是在數(shù)字電路之前的模擬電路（仿佛有哪里不對(duì)但有好像有有點(diǎn)道理），好了不開玩笑，根據(jù)定義：AFE(Analog Front End)，模擬前端，處理信號(hào)源給出的模擬信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化，其主要功能包括以下幾個(gè)方面：信號(hào)放大、頻率變換、調(diào)制、解調(diào)、鄰頻處理、電平調(diào)整與控制、混合。

既然你引腳知道了模擬前端是什么，那讓我們來做一個(gè)10G的示波器吧（

2.3.1 模擬前端基本設(shè)計(jì)

雖然本項(xiàng)目不是要做一個(gè)10G的示波器（而且我目前也做不出來），但模擬前端的設(shè)計(jì)思路都是類似的，即：我會(huì)采集什么樣的信號(hào)，和我的設(shè)備會(huì)采集什么樣的信號(hào)，如果覺得這不好理解，那我打個(gè)比方，我會(huì)聽到英語，但我只聽得懂中文，所以：我需要一個(gè)翻譯器，那么這個(gè)翻譯器就是我們需要的“模擬前端”。

那我們回到測(cè)試筆這個(gè)項(xiàng)目，我對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是這樣的：可以采集0~+15V的信號(hào)，能夠輸出0~+5V的信號(hào)，OK，這就是最基本的需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，是不是非常簡(jiǎn)單呢。

但是本項(xiàng)目有一個(gè)特殊的情況：我想要完成在一根表筆上完成輸入輸出的全部功能（我這種人一看就是一個(gè)變態(tài)甲方），那就需要對(duì)輸入、輸出、或其他情況進(jìn)行切換。這時(shí)候有聰明的小伙伴肯定馬上想到了：繼電器，是的，繼電器確實(shí)在這樣的場(chǎng)景下十分的好用，但是他又帶來了另外一個(gè)問題：體積，而本項(xiàng)目作為一支便攜式測(cè)試筆，我自然是不想把設(shè)備做的太大的（太大了用起來也不方便?。?，那繼電器在這樣的情況下就不那么適用了，因此我們需要請(qǐng)出另外的切換器了，他就是模擬開關(guān)。

模擬開關(guān)在早期的74電路中就已經(jīng)存在，他們的內(nèi)阻較大（這個(gè)描述可能不是很準(zhǔn)確，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膩碚f是導(dǎo)通電阻），而如今的設(shè)備越來越精密，一些低阻的模擬開關(guān)也出現(xiàn)了，他們的內(nèi)阻低至mΩ級(jí)別。在本項(xiàng)目中，因?yàn)檩斎腚妷狠^大，而低阻模擬開關(guān)的通過電壓較低，因此選用了較為“古老”的4053芯片，他是一款SPDT、3 通道模擬開關(guān)，工作電壓可以達(dá)到20V，完美的滿足了本項(xiàng)目的需求。這時(shí)候可能有細(xì)心的同學(xué)發(fā)現(xiàn)了，他的內(nèi)阻較大，達(dá)到了200-240Ω，這會(huì)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)精度有影響呢，答案是肯定的，但是本項(xiàng)目作為一個(gè)簡(jiǎn)單的便攜式測(cè)試工具，由于模擬開關(guān)內(nèi)阻帶來的影響可以忽略，而模擬開關(guān)本身帶來的直流偏置也可以通過線性校準(zhǔn)進(jìn)行修正（本項(xiàng)目沒有做多點(diǎn)校準(zhǔn)等高級(jí)功能，主打一個(gè)簡(jiǎn)單易用）。

2.3.2 模擬電路電源

根據(jù)我們選用的HT4053A，其最大工作電壓為18V，為了留出一定的余量，我覺得將系統(tǒng)電壓設(shè)計(jì)在17.5V，由于前級(jí)電壓為電池直接供電，電壓約為4.2V~3.5V，因此我們需要一個(gè)升壓電路為模擬前端進(jìn)行供電。

在芯片選型時(shí)，我選擇了常用的MT3608芯片，2A的輸出電流足夠使用，并且1.2MHz較高的開關(guān)頻率也有助于后級(jí)進(jìn)行濾波。升壓電感為一顆4.7μH的電感，SMD252010P的迷你封裝有助于節(jié)約PCB面積（也比較的好看），但是其雖然體積嬌小，也有著1.6A的額定電流和2A的飽和電流，足夠系統(tǒng)使用。在分壓電阻配置方面，雖然看似隨意，但也有一定講究，不合適的配置將影響電源輸出電壓的紋波和負(fù)載調(diào)整率等性能，但因?yàn)槠拗?，在此不做贅述，感興趣的同學(xué)可以自行查閱相關(guān)資料進(jìn)行學(xué)習(xí)。

需要注意的是本項(xiàng)目為使用雙電源供電，即只有正電源沒有負(fù)電源，因此測(cè)試筆也只能輸入/輸出正電壓信號(hào)，如果需要輸入負(fù)信號(hào)，后級(jí)電路也會(huì)需要進(jìn)行一定的修改，本項(xiàng)目出于對(duì)體積的考慮，最終決定采用單電源方案。

由于開關(guān)電源工作時(shí)會(huì)帶來干擾，模擬電路工作時(shí)也會(huì)有各種類型的干擾引入，因此在數(shù)字電源和模擬電源之間我采用了磁珠進(jìn)行隔離，同時(shí)也可以借助磁珠方便的做到單點(diǎn)接地的效果。

紅框中的即為模擬前端電源電路，提供AVC測(cè)試點(diǎn)便于快速測(cè)量電壓是否正常。上圖的左側(cè)為模擬前端，中鍵上方為電源電路，中鍵下方為按鍵消抖電容，右側(cè)為數(shù)字電路部分，對(duì)地平面進(jìn)行了開槽隔離，并對(duì)電流回流路徑進(jìn)行了優(yōu)化。

地平面和回流路徑設(shè)計(jì)

2.3.3 信號(hào)輸入電路

是不是看了上面很多內(nèi)容已經(jīng)困了，別著急，正餐才剛剛開始：信號(hào)輸入調(diào)理電路：

上圖就是最基本的信號(hào)輸入電路了，首先會(huì)有一顆雙向TVS對(duì)后級(jí)電路進(jìn)行保護(hù)，隨后，信號(hào)通過模擬開關(guān)3可以選擇是工作在信號(hào)輸入還是輸出狀態(tài)（默認(rèn)輸出模式），通過模擬開關(guān)2可以選擇輸入信號(hào)是否進(jìn)行衰減，模擬前端的設(shè)計(jì)參考了示波器的設(shè)計(jì)，輸入內(nèi)阻為1M，可以和示波器一樣選擇X1和X10的檔位，默認(rèn)選擇X10檔位，這樣的設(shè)計(jì)最大程度上保證了后級(jí)電路的安全，就像在有獨(dú)立開關(guān)機(jī)按鍵的萬用表上，我們?cè)谑占{萬用表時(shí)，應(yīng)當(dāng)把檔位調(diào)整為“交流電壓、最大量程”一樣的道理。在PCB布局時(shí)，需要將TVS管（上圖紅框中）放置在最靠近輸入的位置，從而更好的保護(hù)后級(jí)電路。

在PCB布局時(shí)，需要將TVS管（上圖紅框中）放置在最靠近輸入的位置，從而更好的保護(hù)后級(jí)電路。

這里需要注意的是，運(yùn)算放大器輸出不建議直接連接電容，否則容易發(fā)生震蕩等情況，因此需要加上一顆小電阻。這會(huì)變成一個(gè)RC低通濾波器，根據(jù)我的阻容選型，可計(jì)算出其單階在下降率為6dB時(shí)的截止頻率723.7985kHz，因此不會(huì)對(duì)表筆的正常測(cè)量造成影響。

隨后信號(hào)經(jīng)過一個(gè)電壓跟隨器進(jìn)行阻抗匹配，再經(jīng)過一個(gè)低通濾波器對(duì)高頻噪聲進(jìn)行濾波，最后還好經(jīng)過一個(gè)鉗位二極管（OUTA_0網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行最終保護(hù)，才會(huì)輸入至單片機(jī)的片內(nèi)ADC。

上圖所示的為鉗位保護(hù)電路，通過電源分壓得到鉗位電壓，再通過一個(gè)跟隨器使其具有吸電壓的能力。需要注意的是由于二極管有一個(gè)導(dǎo)通電壓在（該保護(hù)二極管的典型值為0.35V），因此電壓跟隨器的電壓應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)陀诒Ｗo(hù)的閾值電壓，本設(shè)計(jì)中采用的電壓為3V，加上二極管的0.35V，可以將保護(hù)閾值設(shè)置在單片機(jī)ADC的最大輸入電壓3.3V（事實(shí)上CW32單片機(jī)在3.3V工作電壓下，ADC輸入4V也不一定會(huì)損壞）。

模擬輸入的電壓在衰減后還會(huì)被輸入至這個(gè)比較器，比較器的閾值電壓由PWM轉(zhuǎn)直流得到（具體電路分析請(qǐng)看“信號(hào)輸出電路”部分），同時(shí)為了防止發(fā)生放置震蕩，選擇一顆大電阻來構(gòu)建遲滯比較器也是必不可少的。通過這個(gè)電路，我們可以對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)頻和數(shù)字分析。

以上就是信號(hào)輸入處理鏈路的全部單元，剩下的就是把處理后的信號(hào)輸入至單片機(jī)的ADC進(jìn)行測(cè)量和處理了。

2.3.4 信號(hào)輸出電路

信號(hào)輸出電路可以用于輸出直流信號(hào)或直接輸出PWM信號(hào)（當(dāng)然你如果愿意編程，也可以讓他輸出別的協(xié)議的信號(hào)，比如模擬串口輸出A5、A0之類的測(cè)試信號(hào)，只需要自己編程就可以）。其中直接輸出沒什么好說的，就是直接輸出單片機(jī)的信號(hào)（聽君一席話，勝聽一席話），而輸出直流電平則是通過PWM調(diào)整占空比（設(shè)定的信號(hào)頻率是20kHz，如果是別的頻率則需要自己修改直流校準(zhǔn)值），然后經(jīng)過兩級(jí)的低通濾波轉(zhuǎn)換出的“直流”信號(hào)。

但是由于PWM轉(zhuǎn)直流的輸出電壓比PWM的高電平是要低的，因此只能輸出0~（+3.3V-x）的電壓，并不能滿足我在設(shè)計(jì)目標(biāo)中提出的0~5V目標(biāo)，因此增加了一個(gè)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)了兩倍的電壓輸出，最終可以輸出0~6V的電壓，滿足了目標(biāo)需要（不明白這個(gè)設(shè)計(jì)邏輯的話可以再回顧一下“翻譯器”的故事）。最終的輸出電壓再經(jīng)過一個(gè)低通濾波，就可以得到較為理想的直流信號(hào)了。

PWM轉(zhuǎn)直流的低通濾波器在布局時(shí)也需要謹(jǐn)慎考慮，除了考慮信號(hào)流通路徑通暢和PWM信號(hào)避開易被干擾的敏感信號(hào)以外，還需要保證濾波器良好接地，在項(xiàng)目中，就近放置了過孔將GND引腳與PCB正面的地平面相連。

另外，PWM轉(zhuǎn)直流信號(hào)（OUTC）還會(huì)輸入至比較器（在模擬輸入章節(jié)有提到），使用方式和直接輸出沒有區(qū)別，故此不再贅述。

我們可以控制模擬開關(guān)1來切換是直接輸出信號(hào)還是直流信號(hào)，最終信號(hào)還會(huì)通過一個(gè)Buffer進(jìn)行隔離并提升驅(qū)動(dòng)能力。

以上就是信號(hào)輸出處理鏈路的全部單元，如果想要對(duì)輸出電路進(jìn)行優(yōu)化，我們可以引入直流輸出的負(fù)反饋回到單片機(jī)的一路ADC通道，從而實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的直流量輸出。（目前沒有負(fù)反饋，而是通過曲線擬合來修正PWM轉(zhuǎn)直流帶來的非線性問題，但在點(diǎn)-點(diǎn)之間就會(huì)存在誤差）。

2.3.5 電流源電路

在本項(xiàng)目中，為了實(shí)現(xiàn)短路測(cè)量，我使用LDO搭建了一個(gè)簡(jiǎn)易的電流源，由于只需要對(duì)“小電阻”進(jìn)行測(cè)量（設(shè)計(jì)預(yù)期是200Ω以內(nèi)），因此采用了定值電流源，可以簡(jiǎn)化電路的復(fù)雜度（其實(shí)我也想放一個(gè)更好、更精密的電流源，奈何板子的空間不允許）。

上圖是我對(duì)電路圖進(jìn)行重新布局后的樣子，其中最左側(cè)的線路連接著多功能測(cè)試筆的筆尖部分，根據(jù)上圖，我們可以從右至左對(duì)電流源進(jìn)行分析和理解。

其中最右側(cè)的部分是一個(gè)簡(jiǎn)單的用低壓（MCU的3.3VTTL電平）控制高壓MOS（模擬電源17.5V）的電路，經(jīng)過MOS后，我們通過一顆LDO把17.5V轉(zhuǎn)為3.3V的電流源電源給到后級(jí)的電流源使用。在這里有兩個(gè)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，第一點(diǎn)是將LDO設(shè)計(jì)在了MOS開關(guān)的后級(jí)，這樣可以避免在不使用電流源時(shí)LDO持續(xù)工作造成能耗的浪費(fèi)，尤其是在本項(xiàng)目中需要在17.5V轉(zhuǎn)3.3V這樣的較大壓差時(shí)，LDO的效率會(huì)比較低，因此可以通過這樣的設(shè)計(jì)減少不必要的能耗；第二點(diǎn)便是這顆LDO，雖然再后一級(jí)的LM1117輸入耐壓有20V，但由于需要進(jìn)行“通斷檢測(cè)”，在此時(shí)會(huì)有較大的瞬時(shí)電流變化，如果直接將電源接入電流源便會(huì)導(dǎo)致模擬前端的工作電壓造成波動(dòng)，這對(duì)測(cè)試精度是不利的，因此加上一級(jí)LDO來進(jìn)行緩沖。

下面我們來分析電流源部分，該電流源是利用LDO的負(fù)反饋搭建的一個(gè)簡(jiǎn)易電流源，或許有人看到這里會(huì)不理解：LDO不是一個(gè)降壓芯片嗎，怎么還能干恒流的活呢？那就讓我們來看一下芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)：（需要注意的是，不是所有LDO都可以作為電流源，需要根據(jù)LDO的工作原理來進(jìn)行具體分析）。

這是數(shù)據(jù)手冊(cè)中“APPLICATION CIRCUIT”這一章節(jié)的截圖，這一章節(jié)是廠家提供給工程師的設(shè)計(jì)參考，其中就有這張“300mA電流源”的設(shè)計(jì)參考圖，我們只需要在芯片的OUT和ADJ引腳之間加上一顆限流電阻，就可以作為簡(jiǎn)易電流源進(jìn)行使用，而電流源最大輸出電流在不高于LDO最大輸出電流時(shí)，便可以通過Vref/R1進(jìn)行計(jì)算，在我的設(shè)計(jì)中，需要一個(gè)10mA的電流源，通過查看LDO的數(shù)據(jù)手冊(cè)，可以查到Vref為1.25V，因此便可以計(jì)算出，我們需要的限流電阻為125Ω電阻。由于125Ω屬于極其不常用的E192系列，不僅價(jià)格較貴而且生產(chǎn)數(shù)量少導(dǎo)致供貨不穩(wěn)定，考慮到本項(xiàng)目只作為一個(gè)簡(jiǎn)易測(cè)試工具不涉及高精度測(cè)試，因此選用了更為常用的E24系列電阻中的120Ω電阻，雖然此時(shí)的理論電流會(huì)變成10.417mA，但是該誤差完全可以接受。如果對(duì)精度有著更高要求，可以將限流電阻換為E48系列的127Ω電阻或者E96系列的124Ω電阻。

LDO的adj引腳電壓也就是Vref電壓，可以通過數(shù)據(jù)手冊(cè)查到，請(qǐng)看上表?？梢钥吹綄?shí)際工作中這個(gè)電壓會(huì)發(fā)生浮動(dòng)，但該電壓浮動(dòng)帶來的誤差也在可以接受范圍內(nèi)。

在電流源至輸出之間，還有一個(gè)光電固態(tài)繼電器（下圖中紅色箭頭指出的PM1），其使用方法基本上類似傳統(tǒng)單刀單擲繼電器，其驅(qū)動(dòng)方法和普通LED一直，可以直接使用io口加上限流電阻進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。相比傳統(tǒng)的繼電器，光電固態(tài)繼電器具有響應(yīng)時(shí)間快、體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適合本項(xiàng)目這種對(duì)體積要求較高的項(xiàng)目 。

在上圖中還有一顆高阻值電阻（藍(lán)色箭頭指出），原因是其邊上有一顆10μF的大電容，如果光電固態(tài)繼電器關(guān)閉，則電流源輸出懸空，內(nèi)部的電量無法釋放，因此加上一顆電阻進(jìn)行放電，另外該電阻選擇了較大的阻值可以避免增加電路功耗。（該處選擇900K并沒有特別的講究，只是因?yàn)楸倦娐分性趧e處也使用了900K電阻，為了避免引入新的物料增加生產(chǎn)復(fù)雜度以及生產(chǎn)成本，因此優(yōu)先選擇已有物料型號(hào)）。

2.3.6 模擬開關(guān)控制電路

本項(xiàng)目使用了HT4053模擬開關(guān)，工作在17.5V的電壓，在查看數(shù)據(jù)手冊(cè)時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)該芯片在不同工作電壓時(shí)，邏輯高電平是不同的，比如在15V工作電壓的情況下，11V才能被識(shí)別為邏輯高電平，而本設(shè)計(jì)中由于工作電壓更高，則邏輯高電平也會(huì)更高，因此并不能直接使用單片機(jī)對(duì)4053模擬開關(guān)進(jìn)行控制。

因此我設(shè)計(jì)了一套邏輯電平轉(zhuǎn)換電路，其原理十分簡(jiǎn)單，但需要注意的是，在單片機(jī)輸出低電平時(shí)，模擬開關(guān)芯片的狀態(tài)切換引腳則是默認(rèn)的高電平，為了便于設(shè)計(jì)和后續(xù)編程，在模擬開關(guān)芯片的常開常閉引腳上，我使用的是與芯片默認(rèn)狀態(tài)下相反的網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樵诒驹O(shè)計(jì)中，設(shè)備上電后模擬開關(guān)的常開常閉引腳就已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)換。

需要注意的是，由于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝的不同，如果需要更換不同型號(hào)的模擬開關(guān)，請(qǐng)先查看芯片對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊(cè)確定其邏輯電平閾值和io口耐壓情況。

2.3.7 浮地與接地

上圖中左側(cè)的半孔為尾插焊接位置，另外兩個(gè)焊盤則為飛線點(diǎn)，尾插對(duì)應(yīng)的是COM網(wǎng)絡(luò)，和萬用表的COM口是一樣的是一個(gè)浮地。由于本設(shè)計(jì)中使用的是雙層板造成PCB走線空間十分緊張，為了達(dá)到較好的性能，也避免在數(shù)字電路 部分引入干擾，最終選擇了外部飛線的方案。因此在進(jìn)行組裝時(shí)，需要對(duì)箭頭標(biāo)注的兩個(gè)焊盤進(jìn)行飛線，具體操作會(huì)在組裝說明部分詳細(xì)說明。需要注意的是，測(cè)試筆和萬用表一樣使用的是浮地，而不是真實(shí)的GND，因此盡量不要在接入充電線的情況下進(jìn)行使用，因?yàn)榇藭r(shí)測(cè)試筆的浮地和充電器的GND相連，有可能變?yōu)檎鎸?shí)的GND，很容易在操作中因?yàn)椴恍⌒牡惹闆r造成短路進(jìn)而發(fā)生危險(xiǎn)。我們可以在隱藏導(dǎo)線后直觀的看到測(cè)試筆的地平面分隔。

我們可以在隱藏導(dǎo)線后直觀的看到測(cè)試筆的地平面分隔

2.3.8 模擬前端總結(jié)

雖然本項(xiàng)目的模擬前端有較多功能，乍一看電路圖也較為復(fù)雜，但只要將電路圖根據(jù)功能拆解開，“逐個(gè)擊破”來分析，還是很容易就能理解的。

簡(jiǎn)單的總結(jié)一下就是，模擬前端可以分為信號(hào)輸入、信號(hào)輸出、和電流源輸出這三個(gè)部分，而不同的工作模式，就是通過切換模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)這三個(gè)部分的切換。

3. 硬件焊接與組裝

硬件的組裝有很多順序，掌握良好的焊接與調(diào)試的習(xí)慣將有助于幫您節(jié)約時(shí)間并方便快速定位問題點(diǎn)，同時(shí)可以生成完整詳實(shí)的測(cè)試報(bào)告，方便軟件工程師進(jìn)行自主測(cè)試和后期的軟硬件聯(lián)調(diào)工作（也可以防止軟件工程師來找硬件問題背鍋）。

3.1 PCB焊接

PCB的焊接也是有順序之分的，并不是一股腦全部焊接好就不行，而是這樣一旦出現(xiàn)了問題會(huì)比較難以定位問題點(diǎn)，并且如果是電源部分出現(xiàn)問題，很有可能還會(huì)損壞大片的電路。下面我來介紹一下該項(xiàng)目的推薦焊接和焊接過程中的測(cè)試順序：

1.焊接Type-C接口、充放電管理，焊接電池測(cè)試充放電管理，完成后拆除電池；

2.焊接開關(guān)機(jī)電路、五向開關(guān)，長(zhǎng)按鍵開機(jī)測(cè)試電源是否正常輸出；

3.焊接模擬電源，測(cè)試電源是否正常，有條件的情況下測(cè)試輸出紋波；

4.焊接模擬開關(guān)、模擬開關(guān)控制信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路，手動(dòng)給信號(hào)測(cè)試電平轉(zhuǎn)換；

5.焊接焊接全部模擬前端電路，給模擬信號(hào)測(cè)試AIN測(cè)試點(diǎn)電壓；

6.焊接單片機(jī)、紅綠色指示燈，隨后便可燒錄程序觀察開機(jī)是否正常；

7.焊接其他外設(shè)、筆尖、尾插；

8.焊接顯示屏；

跟隨我我以上的順序進(jìn)行逐級(jí)焊接測(cè)試，即使遇到元器件失效等問題，也可以快定位。當(dāng)然如果你不想那么復(fù)雜，那我總結(jié)一下焊接的順序：電源（AVC測(cè)試點(diǎn)），模擬前端（AIN測(cè)試點(diǎn)）、單片機(jī)與外設(shè)、最后焊接容易被熱風(fēng)槍吹壞的元器件：蜂鳴器、顯示屏等。

3.2 硬件組裝說明

本項(xiàng)目中涉及了一些特殊結(jié)構(gòu)的組裝、焊接，因此通過這一章節(jié)進(jìn)行詳細(xì)說明：

3.2.1 測(cè)試探針

將彈簧針插入套管，掰掉套管尾部較細(xì)的部分（很脆，手掰斷就行），清理PCB上的半孔（如果你和我一樣沒有使用半孔工藝而是選擇使用常規(guī)工藝加工PCB，則半孔中很有可能存在一片懸空的銅箔），將探針卡在PCB中，使用烙鐵進(jìn)行焊接，使得半孔充滿焊錫。在焊接好探針之后，可以為探針套上熱縮套管，使其在引腳“錯(cuò)綜林立”的PCB上不會(huì)發(fā)生短路等危險(xiǎn)。

這里之所以使用細(xì)探針+套管，而不是選擇更粗的探針，一方面是粗探針太粗了，另一方面是細(xì)探針+套管的這種雙層結(jié)構(gòu)也有助于加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，不一定需要粗探針來達(dá)到更高強(qiáng)度。

3.2.2 尾插

和剛才的探針焊接一樣，先清理半孔，隨后放置好尾插，在外側(cè)上錫固定尾插，隨后把PCB翻到背面，使用鑷子夾住尾插與pcb（反面焊接時(shí)正面的焊錫也會(huì)融化使得尾插掉落），在焊盤中填入較多焊錫使得尾插焊接牢固，記得保持夾持姿勢(shì)直至焊錫冷卻凝固。安全提示：由于尾插體積較大，因此熱容也會(huì)較大，在焊接完成后一定要耐心等上幾分鐘直至尾插完全冷卻才可以觸摸，否則極易發(fā)生燙傷等危險(xiǎn)！

3.2.3 燒錄探針

如果你有多余的彈簧針，可以配合“下載器轉(zhuǎn)接板”的PCB進(jìn)行下載燒錄。

燒錄器探針轉(zhuǎn)接板尾部設(shè)計(jì)有一個(gè)卡槽，可以卡住5P的2.54排針，固定好后通過堆錫進(jìn)行焊接即可。

需要將彈簧針插入套筒，隨后將套筒尾部對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)接板最后一排圓形焊盤進(jìn)行焊接，探針方向順著指示線放置（注意此時(shí)只焊接尾部一個(gè)焊點(diǎn)），隨后將燒錄器探針頂住測(cè)試筆對(duì)應(yīng)孔位微調(diào)探針位置保證接觸良好，再焊接剩余的點(diǎn)位進(jìn)行固定。

為了防止探針轉(zhuǎn)接板以外短路，可以使用熱縮管對(duì)轉(zhuǎn)接板進(jìn)行保護(hù)。

3.3 燒錄方法說明

如果你不愿意使用探針燒錄，可以焊接細(xì)線進(jìn)行燒錄操作，只需要焊接SWD_CLK、SWD_DIO、GND三根線即可，如果你有多余的彈簧針，可以配合“下載器轉(zhuǎn)接板”的PCB進(jìn)行下載燒錄。

無論哪種燒錄模式，在燒錄前必須先按住五向搖桿的中鍵保持系統(tǒng)上電（可以像上圖一樣使用手指背面頂著開關(guān)），隨后在下載器中確認(rèn)可以識(shí)別出芯片ID，并勾選“Stop after Reset”復(fù)選框，隨后就可以開始下載程序了。

下載完成后，松開按住開關(guān)的手，再次按下中鍵，此時(shí)就能開機(jī)了。在開機(jī)時(shí)，綠色指示燈會(huì)點(diǎn)亮后關(guān)閉，在沒有焊接顯示屏?xí)r，可以使用這樣的方法燒錄是否成功。

4. 軟硬件聯(lián)調(diào)及測(cè)試

在硬件完成單獨(dú)的調(diào)試、測(cè)試工作后，就可以配合軟件進(jìn)行聯(lián)調(diào)工作了，軟硬件聯(lián)調(diào)往往是一個(gè)項(xiàng)目中最耗時(shí)耗力的部分，需要在此過程中根據(jù)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，對(duì)軟硬件進(jìn)行優(yōu)化并再次測(cè)試。由于本測(cè)試筆在軟硬件聯(lián)調(diào)和測(cè)試中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，而本文只作為此項(xiàng)目的成果展示以及學(xué)習(xí)，因此本文只呈現(xiàn)測(cè)試筆完成全部軟硬件聯(lián)調(diào)后的最終測(cè)試數(shù)據(jù)，供性能指標(biāo)參考使用。

4.1 電壓輸入測(cè)量模式

通過數(shù)控電源模擬被測(cè)電壓并通過筆尖輸入，使用萬用表測(cè)量AIN節(jié)點(diǎn)（模擬前端處理后輸入單片機(jī)ADC的信號(hào)，后文中的AIN節(jié)點(diǎn)/網(wǎng)絡(luò)均代表此位置，將不再進(jìn)行單獨(dú)說明），與測(cè)試筆測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

以下為測(cè)試數(shù)據(jù)：

實(shí)際輸出電壓：1.84VAIN節(jié)點(diǎn)電壓：1.860V測(cè)試筆顯示電壓（該數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過軟件處理消除系統(tǒng)恒定誤差）：1.832V

實(shí)際輸出電壓：15.07VAIN節(jié)點(diǎn)電壓：1.532V（由于電壓大于2.5V，會(huì)進(jìn)行X10衰減）測(cè)試筆顯示電壓（該數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過軟件處理消除系統(tǒng)恒定誤差）：15.110V

為了更好的展現(xiàn)測(cè)試筆模擬性能，將會(huì)使用信號(hào)源通過筆尖輸入正弦波，使用示波器雙蹤顯示輸入信號(hào)及AIN節(jié)點(diǎn)信號(hào)。下面的測(cè)試中，會(huì)將信號(hào)源S1信號(hào)輸入測(cè)試筆筆尖，并和示波器通道1進(jìn)行對(duì)連，測(cè)試筆AIN節(jié)點(diǎn)信號(hào)連接示波器通道2。

峰值電壓小于2.5V的情況：（工作在X1檔位）波形數(shù)據(jù)可以根據(jù)示波器自動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比

谷值電壓大于2.5V的情況：（工作在X10檔位）波形數(shù)據(jù)可以根據(jù)示波器自動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比

4.2 PWM輸出模式

該測(cè)試中，僅需要將測(cè)試筆筆尖與示波器相連，通過測(cè)試筆設(shè)置的輸出參數(shù)與示波器實(shí)際測(cè)得參數(shù)進(jìn)行對(duì)比即可。

測(cè)試筆設(shè)定參數(shù)：頻率20kHz，占空比90%示波器測(cè)得參數(shù)：頻率19.71kHz，占空比90.04%

測(cè)試筆設(shè)定參數(shù)：頻率20kHz，占空比20%示波器測(cè)得參數(shù)：頻率19.71kHz，占空比20.39%

?下面對(duì)多功能測(cè)試筆的最大輸出頻率進(jìn)行測(cè)量：

測(cè)試筆設(shè)定參數(shù)：頻率100kHz，占空比50%示波器測(cè)得參數(shù)：頻率99.55kHz，占空比49.97%

4.3 DC輸出模式

該測(cè)試使用萬用表對(duì)輸出電壓測(cè)量即可：

測(cè)試筆設(shè)定值：541mV 萬用表實(shí)測(cè)值：509.5mV
測(cè)試筆設(shè)定值：3341mV 萬用表實(shí)測(cè)值：3.428V
測(cè)試筆設(shè)定值：5041mV 萬用表實(shí)測(cè)值：5.221V

4.4 通斷檢測(cè)模式

該模式直接使用測(cè)試筆測(cè)量小電阻即可：
需要注意的是，該模式下的量程為0-200Ω
電阻實(shí)際阻值：10Ω測(cè)試筆測(cè)得值：10Ω
電阻實(shí)際阻值：20Ω測(cè)試筆測(cè)得值：20Ω
電阻實(shí)際阻值：51Ω測(cè)試筆測(cè)得值：52Ω
電阻實(shí)際阻值：102Ω測(cè)試筆測(cè)得值：97Ω
電阻實(shí)際阻值：153Ω測(cè)試筆測(cè)得值： OL

4.5 二極管檔位

該模式直接使用測(cè)試筆測(cè)試二極管導(dǎo)通電壓與萬用表測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比：
樣品鍺管：萬用表測(cè)試值：0.278V 測(cè)試筆測(cè)得值：273mV
樣品硅管：萬用表測(cè)試值：0.599V 測(cè)試筆測(cè)得值：601mV
紅色LED：萬用表測(cè)試值：1.740V 測(cè)試筆測(cè)得值：1760mV
黃色LED：萬用表測(cè)試值：1.897V 測(cè)試筆測(cè)得值：1913mV
藍(lán)色LED：萬用表測(cè)試值：2.568V 測(cè)試筆測(cè)得值：2820mV

審核編輯：湯梓紅