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如何自主开发电子小制作
- 2015-08-05 15:50
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- admin
- 来源：本站
但凡电子爱好者都喜欢亲自动手装配电子小制作, 在装配的过程中体验成功的喜悦, 下面我就如何成功装配电子小制作谈一下个人的经验, 希望能对初学电子技术的爱好者有所帮助。
一、电子电路设计的基本步骤
开发一个电子系统时, 首先**明确系统的工作任务, 然后根据任务进行选择方案, 再对方案中的各个部分进行单元制作、参数计算和器件选择, **后将各部分连接在一起。一般来说要经过以下几个步骤。
二、制作PCB装配板
由于是自己开发的电子小制作, 所以很难购到符合要求的PCB装配板, 从专业性PCB生产厂家定制的话费用又很高, 于是好多电子爱好者就只能在**板上进行装配, 当然装配效果就很差了, 而且性能极不稳定。在此我推荐大家可以借助于电路设计软件— Portel 99 SE 进行自制PCB装配板。一般而言, 设计制作PCB装配板的过程要有以下四个步骤。
首先借助Protel 99 的原理图设计系统( Advanced SchematiC )来绘制一张电路原理图。Protel 99提供了各种原理图绘图工具、编辑功能, 可以很方便的绘制出精
美的电路原理图。然后生成网络表, 网络表是电路原理图设讯SCH)与印制电路板( PCB)之间的一座桥梁, 它是电路板自动布线的灵魂。网络表可以从电路原理图中自动获得, 也可以从印制电路板中提取出来。再设计印制电路板, Protel 99 提供了功能强大的电路板设计功能, 我们可以根据自己的需要进行P C B 装配板的版面设计, 完成所需的装配板的设计工作。
**后怎可以转印输出P C B 装配板了,Protel 99 提供了良好的打印输出功能, 我们可以根据需求选择不同的打印输出层,利用激光打印机将设计的装配图打印到菲林纸上, 然后利用热转印技术将菲林纸上打印好的PCB 装配图转印的相应的覆铜板上, 再通过腐蚀、打孔、丝印层转印等工序后即可得到我们需要的PCB装配板来。
调试前先不加电源进行检查, 仔细对照电路图和实际线路检查连线是否正确,包括错接、少接、多接等; 用**表电阻档检查焊接和接插是否良好, 元器件引脚之间有无短路, 连接处有无接触不良, 二极管、三极管、集成电路和电解电容的极性是否正确; 电源极性、信号源连线是否正确。
3.供电调试阶段
若电路经过上述检查, 确认无误后,可断开信号源, 把经过准确测量的电源接人电路, 用**表监测电源电压, 观察有无异常现象: 如冒烟、异常气味、元器件发烫, 电源短路等。如无异常情况, 分别测量各关键点直流电压, 如静态工作点、数字电路各输人端和输出端的高、低电平值及逻辑关系、放大电路输人、输出端直流电压等是否在正常工作状态下, 如不符则调整电路元器件参数、更换元器件等, 使电路**终工作在合适的状态; 对于放大电路还要用示波器观察是否有自激发生。
静态检测与调试阶段完成后可进行动态调试阶段, 由于动态调试是在静态调试的基础上进行的, 需要在输人端加上所需的信号源, 并循着信号的流程逐级检测各点的波形、参数是否满足设计要求, 发现问题, 要设法找出原因, 排除故障, 继续进行( 详见检查故障的一般方法)。
四、电子电路故障的故障排查
检查故障的一般方法有: 直接观察法、静态检查法、信号寻迹法、对比法、部件替换法、旁路法、短路法、断路法、暴露法等, 下面主要介绍以下几种:
1.直接观察法和信号检查法
与前面介绍的调试前的直观检查和静态检查相似, 只是更有目标针对性。
2.信号寻迹法
在输人端直接输人一定幅值、频率的信号, 用示波器由前级到后级逐级观察波形及幅值, 如哪一级异常, 则故障就在该级; 对于各种复杂的电路, 也可将各单元电路前后级断开, 分别在各单元输人端加人适当信号, 检查输出端的输出是否满足设计要求。
3.对比法
将存在问题的电路参数与工作状态和相同的正常电路中的参数( 或理论分析和仿真分析的电流、电压、波形等参数随行比对, 判断故障点, 找出原因。
4.部件替换法
用同型号的好器件替换可能存在故障的部件。
5.加速暴露法
有时故障不明显, 或时有时无, 或要较长时间才能出现, 可采用加速暴露法,如敲击元件或电路板检查接触不良、虚焊等, 用加热的方法检查热稳定性差等等。
五、电子电路干扰的抑制
1.干扰源
电子电路工作时, 往往在有用信号之外还存在一些令人头痛的干扰源, 有的产生于电子电路内部, 有的产生于外部。外部的干扰主要有: 高频电器产生的高频干扰、
电源产生的工频干扰、无线电波的干扰; 内部的干扰主要有: 交流声、不同信号之间的互相感应、调制, 寄生振荡、热噪声、因阻抗不匹配产生的波形畸变或振荡。
2.降低内部干扰的措施
(1)玩器件布局: 元件在印刷线路板上排列的位置要充分考虑抗电磁干扰问题, 原则之一是各部件之间的引线要尽量短。在布局上, 要把模拟信号部分, 高速数字电路部分, 噪声源部州如继电器, 大电流开关等)这三部分合理地分开, 使相互间的信号藕合为**小。
(2)电源线设计: 根据印制线路板电流的大小, 尽量加租电源线宽度, 减少环路电阻。同时、使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致, 这样有助于增强抗噪声能力。
(3) 她线设计: 在电子设备中, 接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用, 可解决大部分干扰问题详细方法见下节接地)。
(4) 褪藕电容配置线路板设计的常规做法之一是在线路板的各个关键部位配置适当的退藕电容。退藕电容的一般配置原则是:
电源输人端跨接10 一10 uf 的电解电容器。如有可能, 接10 0u F 以上的更好。原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.ol p F 的瓷片电容, 如遇印制板空隙不够, 可每4 一8 个芯片布置一个1 一10 p F的但电容。对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件, 如RAM、ROM 存储器件,应在芯片的电源线和地线之间直接接人退藕电容。电容引线不能太长, 尤其是高频旁路电容不能有引线。
此外, 还应注意在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时。由于它们工作时均会产生较大火花放电, **采用R C电路来吸收放电电流。一般R 取1 一ZK ,C 取2.2 一47uF 。还有CMOS 的输人阻抗很高, 且易受感应, 因此对不用端子要通过接地或接电源正来解决。对于外部的干扰可通过远离干扰源或进行屏蔽处理, 也可运用滤波器降低外界干扰。
六、接地问题的考虑
接地有安全接地、工作接地之分, 这里所谈的是工作接地, 设计接地点就是要尽可能减少各支路电流之间的相互藕合干扰, 主要方法有: 单点接地、串联接地、平面接地。在电子设备中, 接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用, 可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地( 屏蔽地)、数字地( 逻辑地)和模拟地等。在地线设计中应注意以下几点:
1.正确选择单点接地与多点接地
在低频电路中, 信号的工作频率小于IMHz , 它的布线和器件间的电感影响较小, 而接地电路形成的环流对干扰影响较大, 因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10 M H z 时, 地线阻抗变得很大, 此时应尽量降低地线阻抗, 应采用就近多点接地。高频电路宜采用多点串联接地, 地线应短而租, 高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。
2.将数字电路与模拟电路分开
电路板上既有高速逻辑电路, 又有线性电路, 应使它们尽量分开, 而两者的地线不要相混, 分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。若接地线很细, 接地电位则随电流的变化而变化,致使电子设备的定时信号电平不稳, 抗噪声性能变坏。因此应将接地线尽量加粗。
3.将接地线构成闭环路
设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时, 将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。由于印制电路板上有很多集成电路元件, 尤其遇有耗电多的元件时, 因受接地线粗细的限制,会在地结上产生较大的电位差, 引起抗噪声能力下降, 若将接地结构成环路, 则会缩小电位差值, 提高电子设备的抗噪声能力。**后要整理出整个电子电路设计性实验报告, 内容要有课题名称、内容摘要、设计内容及选择的设计方案、单元电路设计、参数计算和器件选择、画出完整的电路图并说明电路的工作原理, 还有组装调试的内容, 如使用的主要仪器和仪表、调试电路的方法和技巧、测试的数据和波形并与计算结果进行比较分析、调试中出现的故障、原因及排除方法等; 还要总结设计电路的特点和方案的优缺点, 指出项目的核心及实用价值, 提出改进意见和展望; **后还要列出元器件清单、参考文献并写出收获、体会等
一、电子电路设计的基本步骤
开发一个电子系统时, 首先**明确系统的工作任务, 然后根据任务进行选择方案, 再对方案中的各个部分进行单元制作、参数计算和器件选择, **后将各部分连接在一起。一般来说要经过以下几个步骤。
首先要明确设计任务要求, 充分了解设计任务的具体要求: 如性能指标、内容及功能要求等, 这样做就是为了明确设计任务; 然后有针对性的提出设计任务、要求和条件, 科学合理制定出**、经济、可行的设计框架, 对其优缺点进行分析, 做到心中有数; 再根据设计框架进行单元电路、参数计算和器件选择。器件选择时, **要考虑元器件的工作电压、频率和功耗等参数应满足电路指标要求, 对元器件的极限参数**留有足够的裕量, 一般应大于额定值的1 . 5 倍, 电阻器和电容器的参数应选择计算值附近的标称值。
**后就进行电路原理图的绘制了, 由于电路原理图是制作P C B 装配板、组装、焊接、调试和检修的依据, 绘制电路图时布局**合理、排列均匀、清晰、有利于读图。一般由左至右或由上至下按照信号的流向依次画出单元电路, 反馈通路的信号流向则与此相反, **要求原理图中的图形符号标准规范, 并加适当的标注, 交叉
和折弯应尽量少, 互相连通的交叉处用圆点表示, 地线用接地符号表示.二、制作PCB装配板
由于是自己开发的电子小制作, 所以很难购到符合要求的PCB装配板, 从专业性PCB生产厂家定制的话费用又很高, 于是好多电子爱好者就只能在**板上进行装配, 当然装配效果就很差了, 而且性能极不稳定。在此我推荐大家可以借助于电路设计软件— Portel 99 SE 进行自制PCB装配板。一般而言, 设计制作PCB装配板的过程要有以下四个步骤。
首先借助Protel 99 的原理图设计系统( Advanced SchematiC )来绘制一张电路原理图。Protel 99提供了各种原理图绘图工具、编辑功能, 可以很方便的绘制出精
美的电路原理图。然后生成网络表, 网络表是电路原理图设讯SCH)与印制电路板( PCB)之间的一座桥梁, 它是电路板自动布线的灵魂。网络表可以从电路原理图中自动获得, 也可以从印制电路板中提取出来。再设计印制电路板, Protel 99 提供了功能强大的电路板设计功能, 我们可以根据自己的需要进行P C B 装配板的版面设计, 完成所需的装配板的设计工作。
**后怎可以转印输出P C B 装配板了,Protel 99 提供了良好的打印输出功能, 我们可以根据需求选择不同的打印输出层,利用激光打印机将设计的装配图打印到菲林纸上, 然后利用热转印技术将菲林纸上打印好的PCB 装配图转印的相应的覆铜板上, 再通过腐蚀、打孔、丝印层转印等工序后即可得到我们需要的PCB装配板来。
三、电子电路的组装与调试
1.器件的焊装
首先要**各个焊点光滑、均匀, 不能有虚焊、桥接、错焊和漏焊, 对于集成电路的安装一定要找准第一脚, 以免倒插,所有CI 的插人方向应保持一致, 管脚不能弯曲或折断; 对于装插的元器件应该去除元件管脚上的氧化层, 按照信号的流向依次顺序连接; 对于必要的导线的连接,应考虑导线直径与插孔相当, 为了检查电路方便, 要根据不同用途选择不同颜色的导线, 一般习惯是电源正用红线, 电源负用蓝线, 地线用黑线, 信号线用其它颜色的线。所连接用的导线要紧贴装配板焊接, 不允许跨越CI 或其他器件, 尽量做到横平竖直, 对于高频电路部分的连线应尽量短, 之间**好有屏蔽的公共地。还有在电路的输人、输出端和其测试端应预留测试空间和接线柱, 以方便测量调试。
调试前先不加电源进行检查, 仔细对照电路图和实际线路检查连线是否正确,包括错接、少接、多接等; 用**表电阻档检查焊接和接插是否良好, 元器件引脚之间有无短路, 连接处有无接触不良, 二极管、三极管、集成电路和电解电容的极性是否正确; 电源极性、信号源连线是否正确。
3.供电调试阶段
若电路经过上述检查, 确认无误后,可断开信号源, 把经过准确测量的电源接人电路, 用**表监测电源电压, 观察有无异常现象: 如冒烟、异常气味、元器件发烫, 电源短路等。如无异常情况, 分别测量各关键点直流电压, 如静态工作点、数字电路各输人端和输出端的高、低电平值及逻辑关系、放大电路输人、输出端直流电压等是否在正常工作状态下, 如不符则调整电路元器件参数、更换元器件等, 使电路**终工作在合适的状态; 对于放大电路还要用示波器观察是否有自激发生。
静态检测与调试阶段完成后可进行动态调试阶段, 由于动态调试是在静态调试的基础上进行的, 需要在输人端加上所需的信号源, 并循着信号的流程逐级检测各点的波形、参数是否满足设计要求, 发现问题, 要设法找出原因, 排除故障, 继续进行( 详见检查故障的一般方法)。
四、电子电路故障的故障排查
检查故障的一般方法有: 直接观察法、静态检查法、信号寻迹法、对比法、部件替换法、旁路法、短路法、断路法、暴露法等, 下面主要介绍以下几种:
1.直接观察法和信号检查法
与前面介绍的调试前的直观检查和静态检查相似, 只是更有目标针对性。
2.信号寻迹法
在输人端直接输人一定幅值、频率的信号, 用示波器由前级到后级逐级观察波形及幅值, 如哪一级异常, 则故障就在该级; 对于各种复杂的电路, 也可将各单元电路前后级断开, 分别在各单元输人端加人适当信号, 检查输出端的输出是否满足设计要求。
3.对比法
将存在问题的电路参数与工作状态和相同的正常电路中的参数( 或理论分析和仿真分析的电流、电压、波形等参数随行比对, 判断故障点, 找出原因。
4.部件替换法
用同型号的好器件替换可能存在故障的部件。
5.加速暴露法
有时故障不明显, 或时有时无, 或要较长时间才能出现, 可采用加速暴露法,如敲击元件或电路板检查接触不良、虚焊等, 用加热的方法检查热稳定性差等等。
五、电子电路干扰的抑制
1.干扰源
电子电路工作时, 往往在有用信号之外还存在一些令人头痛的干扰源, 有的产生于电子电路内部, 有的产生于外部。外部的干扰主要有: 高频电器产生的高频干扰、
电源产生的工频干扰、无线电波的干扰; 内部的干扰主要有: 交流声、不同信号之间的互相感应、调制, 寄生振荡、热噪声、因阻抗不匹配产生的波形畸变或振荡。
2.降低内部干扰的措施
(1)玩器件布局: 元件在印刷线路板上排列的位置要充分考虑抗电磁干扰问题, 原则之一是各部件之间的引线要尽量短。在布局上, 要把模拟信号部分, 高速数字电路部分, 噪声源部州如继电器, 大电流开关等)这三部分合理地分开, 使相互间的信号藕合为**小。
(2)电源线设计: 根据印制线路板电流的大小, 尽量加租电源线宽度, 减少环路电阻。同时、使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致, 这样有助于增强抗噪声能力。
(3) 她线设计: 在电子设备中, 接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用, 可解决大部分干扰问题详细方法见下节接地)。
(4) 褪藕电容配置线路板设计的常规做法之一是在线路板的各个关键部位配置适当的退藕电容。退藕电容的一般配置原则是:
电源输人端跨接10 一10 uf 的电解电容器。如有可能, 接10 0u F 以上的更好。原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.ol p F 的瓷片电容, 如遇印制板空隙不够, 可每4 一8 个芯片布置一个1 一10 p F的但电容。对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件, 如RAM、ROM 存储器件,应在芯片的电源线和地线之间直接接人退藕电容。电容引线不能太长, 尤其是高频旁路电容不能有引线。
此外, 还应注意在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时。由于它们工作时均会产生较大火花放电, **采用R C电路来吸收放电电流。一般R 取1 一ZK ,C 取2.2 一47uF 。还有CMOS 的输人阻抗很高, 且易受感应, 因此对不用端子要通过接地或接电源正来解决。对于外部的干扰可通过远离干扰源或进行屏蔽处理, 也可运用滤波器降低外界干扰。
六、接地问题的考虑
接地有安全接地、工作接地之分, 这里所谈的是工作接地, 设计接地点就是要尽可能减少各支路电流之间的相互藕合干扰, 主要方法有: 单点接地、串联接地、平面接地。在电子设备中, 接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用, 可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地( 屏蔽地)、数字地( 逻辑地)和模拟地等。在地线设计中应注意以下几点:
1.正确选择单点接地与多点接地
在低频电路中, 信号的工作频率小于IMHz , 它的布线和器件间的电感影响较小, 而接地电路形成的环流对干扰影响较大, 因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10 M H z 时, 地线阻抗变得很大, 此时应尽量降低地线阻抗, 应采用就近多点接地。高频电路宜采用多点串联接地, 地线应短而租, 高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。
2.将数字电路与模拟电路分开
电路板上既有高速逻辑电路, 又有线性电路, 应使它们尽量分开, 而两者的地线不要相混, 分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。若接地线很细, 接地电位则随电流的变化而变化,致使电子设备的定时信号电平不稳, 抗噪声性能变坏。因此应将接地线尽量加粗。
3.将接地线构成闭环路
设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时, 将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。由于印制电路板上有很多集成电路元件, 尤其遇有耗电多的元件时, 因受接地线粗细的限制,会在地结上产生较大的电位差, 引起抗噪声能力下降, 若将接地结构成环路, 则会缩小电位差值, 提高电子设备的抗噪声能力。**后要整理出整个电子电路设计性实验报告, 内容要有课题名称、内容摘要、设计内容及选择的设计方案、单元电路设计、参数计算和器件选择、画出完整的电路图并说明电路的工作原理, 还有组装调试的内容, 如使用的主要仪器和仪表、调试电路的方法和技巧、测试的数据和波形并与计算结果进行比较分析、调试中出现的故障、原因及排除方法等; 还要总结设计电路的特点和方案的优缺点, 指出项目的核心及实用价值, 提出改进意见和展望; **后还要列出元器件清单、参考文献并写出收获、体会等
