摘要：我在2022年時設計了“邏輯電平測試筆“，針對常用的3.3V和5V的TTL電平進行快速測量，在當時我就決定了做一款”升級版“。時間轉眼來到了2023年，我對這支測試筆的構想在腦中逐漸完善，在”CW32生態社區“的支持下我決定將這一設計變為實物。

1. 前言

1.1 起心動念

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

作為調試的“得力干將”，萬用表有時候也會存在存在一些缺點和局限性，比如：體積較大不便于攜帶、無法直接反應邏輯電平情況而需要自己判斷、不同型號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年時設計了“邏輯電平測試筆“。針對常用的3.3V和5V的TTL電平進行快速測量，在當時我就決定了做一款”升級版“。時間轉眼來到了2023年，我對這支測試筆的構想在腦中逐漸完善，在”CW32生態社區“的支持下我決定將這一設計變為實物。

1.2 初步構想

對于這支測試筆，我對他的功能有以下期望：

1.電壓測量+閾值判斷，閾值電平可以根據需求自行設定滿足不同邏輯電平的場景，并且保留“簡易邏輯電平測試筆“好用的紅綠燈提示功能；

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

3.二極管測量，點亮一顆二極管（注意！不是三極管！！！）；

4.PWM輸出，方便在一些場景下提供一個已知量對系統進行測試，也可以對無源蜂鳴器等進行測試

5.PWM輸入，可以對頻率進行測量（甚至是對串口等數據進行簡單的解碼顯示等功能，不過目前技術有限還沒有實現）

6.直流輸出，模擬出一個需要的直流電平進行測試（感謝李老師提出的這個需求，我在使用中發現非常的實用）

7.可以連接擴展板進行配合測量（也歡迎大家提供擴展模塊的思路）

2. 電路設計說明

設計思路：在對測試筆進行設計時，我把整體分為了五個部分：模擬前端、電源與電池管理、單片機及外設、顯示屏、用戶控制。根據模塊化的設計思路，我們可以在畫電路圖時更加有條理，也可以在進行PCBLayout時將布局按照模塊進行大致區分，以便于進行走線等操作。

我們根據需求對每個部分進行細化設計，來實現既定目標。在下面，將會結合電路圖和PCB對我的設計和設計思路進行詳細的說明。

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，雖然在本項目中實用6P接口就已經足夠，但考慮到項目擴展，因此選擇了16P接口，并借用了Type-C接口中的SBU1、SBU2引腳進行擴展板連接，之所以沒有實用D+D-作為擴展線路，是因為考慮到設備的輸出信號可能使得充電器誤判，從而發出錯誤電壓造成危險，這在設計中是需要考慮到的。在電路圖中，可以看見Type-C接口中的CC1、CC2接了5.1K的對地下拉電阻，這是為了在使用CC線時使充電器準確識別設備，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可以參考下圖，在我的設計中PROG可編程恒流充電電流設置端的設置電阻為2K，充電策略較為激進。

2.1.2 系統上電與斷電控制邏輯

系統上電邏輯較為復雜，但可以根據時序幫助理解。

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

注意事項：在早期的版本中我犯了一個錯誤，我將電量檢測電路設計在了開機控制電路之前，因此不僅會在待機情況下造成電池電量的浪費，一開始我覺得這個漏電流很小無傷大雅，因為鋰電池滿電4.2V時也只有210μA，但我發現因為該電路連接到了后級的單片機電路，因此會通過單片機漏電，從而造成后級系統一直帶有一個0.7V的低壓。

下面我們結合電路圖對開機時序進行分析：

1.五向開關的中鍵被按下，并保持按下狀態

2.被BAT+電池電壓拉高的PW_ON網絡通過D1對地放電

3.MOS管AO3401（PMOS）柵極被拉低，Ug < Us

4.MOS管Q1導通，電池輸出電壓到LDO芯片XC6206

5.XC6206輸出3.3V電壓，單片機得電，KEY1網絡被拉高

6.由于按鍵保持按下，KEY1網絡被拉低，單片機獲得按鍵按下信號

7.單片機計算延時，到達閾值時間后，控制PW_CT（PF7）輸出高電平（如果延時時間未到就松手，系統斷電，就不會進入后面的時序）

8.三極管S8050導通，保持AO3401柵極拉低

9.PW_CT持續輸出高電平，三極管保持導通，系統保持得電，開機時序完成

理解了上電時序和邏輯，那就會發現關機的斷電邏輯很簡單：符合關機條件（無論是按鍵操作還是軟件控制），程序控制PW_CT引腳（PF7）轉為輸出低電平， Q1不再導通，AO3401柵極被R7拉高，MOS管也不再導通，系統完成斷電。

2.2 單片機及外設等

2.2.1 CW32單片機核心系統

標準的單片機核心系統配置，其中因為本項目不需要用到高精度時鐘和低速晶振進行長時間計時，因此則省略這部分電路（這邊畫了，但是設置為不需要轉入PCB、不導入BOM，主要是為了別的項目在使用時可以直接復制使用，主打一個CV工程師（bushi）。本項目不適用bootloader燒錄，因此BOOT引腳直接拉低（標準畫法可以參考被注釋的部分，本項目的PCB面積較為緊張，就直接接地了）。SWD接口為PA13、PA14，本項目中通過1.0間距的排針引出，不過在實際使用中不需要焊接排針，只需要使用探針（項目工程里有探針的轉接板）頂住接口就可以進行下載。排針引出接口包括SWD、RST、MCUVCC等，方便進行調試（PCB上的復位按鍵不能SMT焊接，因為貼片焊盤和排針直插焊盤復用，回流焊會漏錫造成虛焊甚至短路！復位按鍵的設計是為了在燒錄完成后，確定不會再燒錄的情況下焊接，既可以擋住排針的孔（沒錯，我有強迫癥），也可以當作復位按鍵使用（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孔洞進行復位操作）。

在io的配置方面，首先根據需求及單片機引腳功能進行io分配（優先分配需要使用到專用功能的引腳，比如ADC、SPI、TIMER、串口等），再根據布局布線進行優化調整。

在原理圖繪制時，我的習慣是把io使用到的功能直接標注在MCU引腳邊上（放置需要連接的網絡標識符），這樣可以在分配時防止沖突并快速調整引腳分配，也可以編程時快速找到所用引腳。當然也有人習慣把分配的引腳放置在對應圖塊邊上，則單片機只引出io對應的網絡，個人認為這種分配方法更適合在pin數較多的單片機上使用（比如需要使用RGB、EXMC的時候，他們的引腳位置往往不是連續的，在對應圖塊邊上標注io可以更好的進行引腳管理），兩種標注方法各有利弊，自行選擇即可。

2.2.2 用戶操作輸入

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

不同方向的搖桿開關對應的功能會在程序部分進行說明，此處不做贅述。

和傳統按鍵一樣采用了0.1μF消抖電容（圖個心理安慰）

2.2.3 顯示屏

本項目采用了一塊0.96寸TFT顯示屏，顯示屏分辨率80*160，采用ST7735顯示驅動芯片，通過FPC與PCB焊接進行連接，通過SPI接口進行通信。

在上方電路圖中，R18為背光限流電阻，可以通過單片機控制BLK網絡對顯示屏背光進行控制，也可以進行PWM調光。

2.2.4 其他人機交互

如上圖所示，多功能測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前的狀態）。一顆無源蜂鳴器用于額外的指示（比如通斷測試），增強用戶感知。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的有源蜂鳴器）。還有一顆側貼的LED作為筆尖照明燈，方便在機殼內部等較為昏暗的場景進行測試，可以根據需要更換限流電阻來設定自己需要的亮度。

2.2.5 BLE藍牙

為了方便測試筆與電腦或手機，我選擇使用藍牙BLE技術進行無線數據傳輸。之所以不使用更加常用的CH340等串口轉USB直接連接，主要有以下三點考慮：

1.數據線有一定的重量和硬度，需要拖著數據線操作會不如無線時靈活；

2.不建議一邊插著數據線一邊使用，會讓表筆的浮地變成接地，進而可能在測試時造成短路（具體原因在模擬電路章節會分析）

3.最重要的一點：安全因素！如果因為操作失誤造成測試筆輸入一個較高的電壓，并且防護電路失效造成單片機燒毀，那這個高壓極有可能沿著數據線直接輸入手機或電腦，造成嚴重的損失！

在芯片選型時，選擇了KT6368A這顆BLE、SPP雙模芯片，基于杰理AC6368A,這顆芯片支持藍牙5.1，當然更重要的是，這顆芯片使用晶振時不需要起振電容，其他的外圍電路也極其簡單，有助于在擁擠的PCB上節約寶貴的面積。我的設計中為這顆芯片配備了指示燈和外接天線，其實這些都不是必須的，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左右范圍內的穩定信號連接。

2.3 模擬前端

眾所周知，模擬前端就是在數字電路之前的模擬電路（仿佛有哪里不對但有好像有有點道理），好了不開玩笑，根據定義：AFE(Analog Front End)，模擬前端，處理信號源給出的模擬信號，對其進行數字化，其主要功能包括以下幾個方面：信號放大、頻率變換、調制、解調、鄰頻處理、電平調整與控制、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10G的示波器吧（

2.3.1 模擬前端基本設計

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

那我們回到測試筆這個項目，我對系統的設計目標是這樣的：可以采集0~+15V的信號，能夠輸出0~+5V的信號，OK，這就是最基本的需要實現的目標，是不是非常簡單呢。

但是本項目有一個特殊的情況：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變態甲方），那就需要對輸入、輸出、或其他情況進行切換。這時候有聰明的小伙伴肯定馬上想到了：繼電器，是的，繼電器確實在這樣的場景下十分的好用，但是他又帶來了另外一個問題：體積，而本項目作為一支便攜式測試筆，我自然是不想把設備做的太大的（太大了用起來也不方便啊），那繼電器在這樣的情況下就不那么適用了，因此我們需要請出另外的切換器了，他就是模擬開關。

模擬開關在早期的74電路中就已經存在，他們的內阻較大（這個描述可能不是很準確，嚴謹的來說是導通電阻），而如今的設備越來越精密，一些低阻的模擬開關也出現了，他們的內阻低至mΩ級別。在本項目中，因為輸入電壓較大，而低阻模擬開關的通過電壓較低，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，工作電壓可以達到20V，完美的滿足了本項目的需求。這時候可能有細心的同學發現了，他的內阻較大，達到了200-240Ω，這會不會對系統精度有影響呢，答案是肯定的，但是本項目作為一個簡單的便攜式測試工具，由于模擬開關內阻帶來的影響可以忽略，而模擬開關本身帶來的直流偏置也可以通過線性校準進行修正（本項目沒有做多點校準等高級功能，主打一個簡單易用）。

2.3.2 模擬電路電源

根據我們選用的HT4053A，其最大工作電壓為18V，為了留出一定的余量，我覺得將系統電壓設計在17.5V，由于前級電壓為電池直接供電，電壓約為4.2V~3.5V，因此我們需要一個升壓電路為模擬前端進行供電。

在芯片選型時，我選擇了常用的MT3608芯片，2A的輸出電流足夠使用，并且1.2MHz較高的開關頻率也有助于后級進行濾波。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載調整率等性能，但因為篇幅限制，在此不做贅述，感興趣的同學可以自行查閱相關資料進行學習。

需要注意的是本項目為使用雙電源供電，即只有正電源沒有負電源，因此測試筆也只能輸入/輸出正電壓信號，如果需要輸入負信號，后級電路也會需要進行一定的修改，本項目出于對體積的考慮，最終決定采用單電源方案。

由于開關電源工作時會帶來干擾，模擬電路工作時也會有各種類型的干擾引入，因此在數字電源和模擬電源之間我采用了磁珠進行隔離，同時也可以借助磁珠方便的做到單點接地的效果。

紅框中的即為模擬前端電源電路，提供AVC測試點便于快速測量電壓是否正常。上圖的左側為模擬前端，中鍵上方為電源電路，中鍵下方為按鍵消抖電容，右側為數字電路部分，對地平面進行了開槽隔離，并對電流回流路徑進行了優化。

地平面和回流路徑設計

2.3.3 信號輸入電路

是不是看了上面很多內容已經困了，別著急，正餐才剛剛開始：信號輸入調理電路：

上圖就是最基本的信號輸入電路了，首先會有一顆雙向TVS對后級電路進行保護，隨后，信號通過模擬開關3可以選擇是工作在信號輸入還是輸出狀態（默認輸出模式），通過模擬開關2可以選擇輸入信號是否進行衰減，模擬前端的設計參考了示波器的設計，輸入內阻為1M，可以和示波器一樣選擇X1和X10的檔位，默認選擇X10檔位，這樣的設計最大程度上保證了后級電路的安全，就像在有獨立開關機按鍵的萬用表上，我們在收納萬用表時，應當把檔位調整為“交流電壓、最大量程”一樣的道理。在PCB布局時，需要將TVS管（上圖紅框中）放置在最靠近輸入的位置，從而更好的保護后級電路。

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

這里需要注意的是，運算放大器輸出不建議直接連接電容，否則容易發生震蕩等情況，因此需要加上一顆小電阻。這會變成一個RC低通濾波器，根據我的阻容選型，可計算出其單階在下降率為6dB時的截止頻率723.7985kHz，因此不會對表筆的正常測量造成影響。

隨后信號經過一個電壓跟隨器進行阻抗匹配，再經過一個低通濾波器對高頻噪聲進行濾波，最后還好經過一個鉗位二極管（OUTA_0網絡）進行最終保護，才會輸入至單片機的片內ADC。

上圖所示的為鉗位保護電路，通過電源分壓得到鉗位電壓，再通過一個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導通電壓在（該保護二極管的典型值為0.35V），因此電壓跟隨器的電壓應當適當低于保護的閾值電壓，本設計中采用的電壓為3V，加上二極管的0.35V，可以將保護閾值設置在單片機ADC的最大輸入電壓3.3V（事實上CW32單片機在3.3V工作電壓下，ADC輸入4V也不一定會損壞）。

模擬輸入的電壓在衰減后還會被輸入至這個比較器，比較器的閾值電壓由PWM轉直流得到（具體電路分析請看“信號輸出電路”部分），同時為了防止發生放置震蕩，選擇一顆大電阻來構建遲滯比較器也是必不可少的。通過這個電路，我們可以對輸入信號進行簡單的測頻和數字分析。

以上就是信號輸入處理鏈路的全部單元，剩下的就是把處理后的信號輸入至單片機的ADC進行測量和處理了。

2.3.4 信號輸出電路

信號輸出電路可以用于輸出直流信號或直接輸出PWM信號（當然你如果愿意編程，也可以讓他輸出別的協議的信號，比如模擬串口輸出A5、A0之類的測試信號，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的信號（聽君一席話，勝聽一席話），而輸出直流電平則是通過PWM調整占空比（設定的信號頻率是20kHz，如果是別的頻率則需要自己修改直流校準值），然后經過兩級的低通濾波轉換出的“直流”信號。

但是由于PWM轉直流的輸出電壓比PWM的高電平是要低的，因此只能輸出0~（+3.3V-x）的電壓，并不能滿足我在設計目標中提出的0~5V目標，因此增加了一個運放實現了兩倍的電壓輸出，最終可以輸出0~6V的電壓，滿足了目標需要（不明白這個設計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過一個低通濾波，就可以得到較為理想的直流信號了。

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

另外，PWM轉直流信號（OUTC）還會輸入至比較器（在模擬輸入章節有提到），使用方式和直接輸出沒有區別，故此不再贅述。

我們可以控制模擬開關1來切換是直接輸出信號還是直流信號，最終信號還會通過一個Buffer進行隔離并提升驅動能力。

以上就是信號輸出處理鏈路的全部單元，如果想要對輸出電路進行優化，我們可以引入直流輸出的負反饋回到單片機的一路ADC通道，從而實現更加精準的直流量輸出。（目前沒有負反饋，而是通過曲線擬合來修正PWM轉直流帶來的非線性問題，但在點-點之間就會存在誤差）。

2.3.5 電流源電路

在本項目中，為了實現短路測量，我使用LDO搭建了一個簡易的電流源，由于只需要對“小電阻”進行測量（設計預期是200Ω以內），因此采用了定值電流源，可以簡化電路的復雜度（其實我也想放一個更好、更精密的電流源，奈何板子的空間不允許）。

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

其中最右側的部分是一個簡單的用低壓（MCU的3.3VTTL電平）控制高壓MOS（模擬電源17.5V）的電路，經過MOS后，我們通過一顆LDO把17.5V轉為3.3V的電流源電源給到后級的電流源使用。在這里有兩個設計注意事項，第一點是將LDO設計在了MOS開關的后級，這樣可以避免在不使用電流源時LDO持續工作造成能耗的浪費，尤其是在本項目中需要在17.5V轉3.3V這樣的較大壓差時，LDO的效率會比較低，因此可以通過這樣的設計減少不必要的能耗；第二點便是這顆LDO，雖然再后一級的LM1117輸入耐壓有20V，但由于需要進行“通斷檢測”，在此時會有較大的瞬時電流變化，如果直接將電源接入電流源便會導致模擬前端的工作電壓造成波動，這對測試精度是不利的，因此加上一級LDO來進行緩沖。

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

這是數據手冊中“APPLICATION CIRCUIT”這一章節的截圖，這一章節是廠家提供給工程師的設計參考，其中就有這張“300mA電流源”的設計參考圖，我們只需要在芯片的OUT和ADJ引腳之間加上一顆限流電阻，就可以作為簡易電流源進行使用，而電流源最大輸出電流在不高于LDO最大輸出電流時，便可以通過Vref/R1進行計算，在我的設計中，需要一個10mA的電流源，通過查看LDO的數據手冊，可以查到Vref為1.25V，因此便可以計算出，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，不僅價格較貴而且生產數量少導致供貨不穩定，考慮到本項目只作為一個簡易測試工具不涉及高精度測試，因此選用了更為常用的E24系列電阻中的120Ω電阻，雖然此時的理論電流會變成10.417mA，但是該誤差完全可以接受。如果對精度有著更高要求，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，可以通過數據手冊查到，請看上表。可以看到實際工作中這個電壓會發生浮動，但該電壓浮動帶來的誤差也在可以接受范圍內。

在電流源至輸出之間，還有一個光電固態繼電器（下圖中紅色箭頭指出的PM1），其使用方法基本上類似傳統單刀單擲繼電器，其驅動方法和普通LED一直，可以直接使用io口加上限流電阻進行驅動。相比傳統的繼電器，光電固態繼電器具有響應時間快、體積小等諸多優點，非常適合本項目這種對體積要求較高的項目 。

在上圖中還有一顆高阻值電阻（藍色箭頭指出），原因是其邊上有一顆10μF的大電容，如果光電固態繼電器關閉，則電流源輸出懸空，內部的電量無法釋放，因此加上一顆電阻進行放電，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，只是因為本電路中在別處也使用了900K電阻，為了避免引入新的物料增加生產復雜度以及生產成本，因此優先選擇已有物料型號）。

2.3.6 模擬開關控制電路

本項目使用了HT4053模擬開關，工作在17.5V的電壓，在查看數據手冊時會發現該芯片在不同工作電壓時，邏輯高電平是不同的，比如在15V工作電壓的情況下，11V才能被識別為邏輯高電平，而本設計中由于工作電壓更高，則邏輯高電平也會更高，因此并不能直接使用單片機對4053模擬開關進行控制。

因此我設計了一套邏輯電平轉換電路，其原理十分簡單，但需要注意的是，在單片機輸出低電平時，模擬開關芯片的狀態切換引腳則是默認的高電平，為了便于設計和后續編程，在模擬開關芯片的常開常閉引腳上，我使用的是與芯片默認狀態下相反的網絡，因為在本設計中，設備上電后模擬開關的常開常閉引腳就已經發生了轉換。

需要注意的是，由于設計和生產工藝的不同，如果需要更換不同型號的模擬開關，請先查看芯片對應的數據手冊確定其邏輯電平閾值和io口耐壓情況。

2.3.7 浮地與接地

上圖中左側的半孔為尾插焊接位置，另外兩個焊盤則為飛線點，尾插對應的是COM網絡，和萬用表的COM口是一樣的是一個浮地。由于本設計中使用的是雙層板造成PCB走線空間十分緊張，為了達到較好的性能，也避免在數字電路 部分引入干擾，最終選擇了外部飛線的方案。因此在進行組裝時，需要對箭頭標注的兩個焊盤進行飛線，具體操作會在組裝說明部分詳細說明。需要注意的是，測試筆和萬用表一樣使用的是浮地，而不是真實的GND，因此盡量不要在接入充電線的情況下進行使用，因為此時測試筆的浮地和充電器的GND相連，有可能變為真實的GND，很容易在操作中因為不小心等情況造成短路進而發生危險。我們可以在隱藏導線后直觀的看到測試筆的地平面分隔。

我們可以在隱藏導線后直觀的看到測試筆的地平面分隔

2.3.8 模擬前端總結

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

簡單的總結一下就是，模擬前端可以分為信號輸入、信號輸出、和電流源輸出這三個部分，而不同的工作模式，就是通過切換模擬開關來實現這三個部分的切換。

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試的習慣將有助于幫您節約時間并方便快速定位問題點，同時可以生成完整詳實的測試報告，方便軟件工程師進行自主測試和后期的軟硬件聯調工作（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，而是這樣一旦出現了問題會比較難以定位問題點，并且如果是電源部分出現問題，很有可能還會損壞大片的電路。下面我來介紹一下該項目的推薦焊接和焊接過程中的測試順序：

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

2.焊接開關機電路、五向開關，長按鍵開機測試電源是否正常輸出；

3.焊接模擬電源，測試電源是否正常，有條件的情況下測試輸出紋波；

4.焊接模擬開關、模擬開關控制信號電平轉換電路，手動給信號測試電平轉換；

5.焊接焊接全部模擬前端電路，給模擬信號測試AIN測試點電壓；

6.焊接單片機、紅綠色指示燈，隨后便可燒錄程序觀察開機是否正常；

7.焊接其他外設、筆尖、尾插；

8.焊接顯示屏；

跟隨我我以上的順序進行逐級焊接測試，即使遇到元器件失效等問題，也可以快定位。當然如果你不想那么復雜，那我總結一下焊接的順序：電源（AVC測試點），模擬前端（AIN測試點）、單片機與外設、最后焊接容易被熱風槍吹壞的元器件：蜂鳴器、顯示屏等。

3.2 硬件組裝說明

本項目中涉及了一些特殊結構的組裝、焊接，因此通過這一章節進行詳細說明：

3.2.1 測試探針

將彈簧針插入套管，掰掉套管尾部較細的部分（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“錯綜林立”的PCB上不會發生短路等危險。

這里之所以使用細探針+套管，而不是選擇更粗的探針，一方面是粗探針太粗了，另一方面是細探針+套管的這種雙層結構也有助于加強結構，不一定需要粗探針來達到更高強度。

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（反面焊接時正面的焊錫也會融化使得尾插掉落），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，否則極易發生燙傷等危險！

3.2.3 燒錄探針

如果你有多余的彈簧針，可以配合“下載器轉接板”的PCB進行下載燒錄。

燒錄器探針轉接板尾部設計有一個卡槽，可以卡住5P的2.54排針，固定好后通過堆錫進行焊接即可。

需要將彈簧針插入套筒，隨后將套筒尾部對準轉接板最后一排圓形焊盤進行焊接，探針方向順著指示線放置（注意此時只焊接尾部一個焊點），隨后將燒錄器探針頂住測試筆對應孔位微調探針位置保證接觸良好，再焊接剩余的點位進行固定。

為了防止探針轉接板以外短路，可以使用熱縮管對轉接板進行保護。

3.3 燒錄方法說明

如果你不愿意使用探針燒錄，可以焊接細線進行燒錄操作，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“下載器轉接板”的PCB進行下載燒錄。

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上電（可以像上圖一樣使用手指背面頂著開關），隨后在下載器中確認可以識別出芯片ID，并勾選“Stop after Reset”復選框，隨后就可以開始下載程序了。

下載完成后，松開按住開關的手，再次按下中鍵，此時就能開機了。在開機時，綠色指示燈會點亮后關閉，在沒有焊接顯示屏時，可以使用這樣的方法燒錄是否成功。

4. 軟硬件聯調及測試

在硬件完成單獨的調試、測試工作后，就可以配合軟件進行聯調工作了，軟硬件聯調往往是一個項目中最耗時耗力的部分，需要在此過程中根據測試得到的數據和現象，對軟硬件進行優化并再次測試。由于本測試筆在軟硬件聯調和測試中會產生大量的數據，而本文只作為此項目的成果展示以及學習，因此本文只呈現測試筆完成全部軟硬件聯調后的最終測試數據，供性能指標參考使用。

4.1 電壓輸入測量模式

通過數控電源模擬被測電壓并通過筆尖輸入，使用萬用表測量AIN節點（模擬前端處理后輸入單片機ADC的信號，后文中的AIN節點/網絡均代表此位置，將不再進行單獨說明），與測試筆測得數據進行對比。

以下為測試數據：

實際輸出電壓：1.84VAIN節點電壓：1.860V測試筆顯示電壓（該數據會經過軟件處理消除系統恒定誤差）：1.832V

實際輸出電壓：15.07VAIN節點電壓：1.532V（由于電壓大于2.5V，會進行X10衰減）測試筆顯示電壓（該數據會經過軟件處理消除系統恒定誤差）：15.110V

為了更好的展現測試筆模擬性能，將會使用信號源通過筆尖輸入正弦波，使用示波器雙蹤顯示輸入信號及AIN節點信號。下面的測試中，會將信號源S1信號輸入測試筆筆尖，并和示波器通道1進行對連，測試筆AIN節點信號連接示波器通道2。

峰值電壓小于2.5V的情況：（工作在X1檔位）波形數據可以根據示波器自動測量數據進行對比

谷值電壓大于2.5V的情況：（工作在X10檔位）波形數據可以根據示波器自動測量數據進行對比

4.2 PWM輸出模式

該測試中，僅需要將測試筆筆尖與示波器相連，通過測試筆設置的輸出參數與示波器實際測得參數進行對比即可。

測試筆設定參數：頻率20kHz，占空比90%示波器測得參數：頻率19.71kHz，占空比90.04%

測試筆設定參數：頻率20kHz，占空比20%示波器測得參數：頻率19.71kHz，占空比20.39%

?下面對多功能測試筆的最大輸出頻率進行測量：

測試筆設定參數：頻率100kHz，占空比50%示波器測得參數：頻率99.55kHz，占空比49.97%

4.3 DC輸出模式

該測試使用萬用表對輸出電壓測量即可：

測試筆設定值：541mV 萬用表實測值：509.5mV
測試筆設定值：3341mV 萬用表實測值：3.428V
測試筆設定值：5041mV 萬用表實測值：5.221V

4.4 通斷檢測模式

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

4.5 二極管檔位

該模式直接使用測試筆測試二極管導通電壓與萬用表測試值進行對比：
樣品鍺管：萬用表測試值：0.278V 測試筆測得值：273mV
樣品硅管：萬用表測試值：0.599V 測試筆測得值：601mV
紅色LED：萬用表測試值：1.740V 測試筆測得值：1760mV
黃色LED：萬用表測試值：1.897V 測試筆測得值：1913mV
藍色LED：萬用表測試值：2.568V 測試筆測得值：2820mV

審核編輯：湯梓紅