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摘要:本文结合教学实践,探讨如何指导学生进行电子电路设计,指出电子电路设计的指导内容包括:选课题、设计方案、设计单元电路、电路图的绘制和电路组装与调试等步骤。
关键词:电子电路;指导;设计
在我校的电子专业教学计划中,学生修完《电子线路》课程后,要求每人都要完成一个功能电路设计的课题。这既是对学生的专业课程掌握情况的检查,也可以借此机会进一步提高学生的动手能力,增强对学生专业素质的培养。下面,笔者结合自身教学实践,淡淡如何指导学生进行电子电路设计。
一、选课题的指导
在设计电子电路之前,教师首先要让学生明确教学计划中所提出的任务和要求,选好具体的功能电路课题,并对课题做具体分析,充分掌握课题中功能电路系统的性能、指标、内容及要求。 例如,对于《全波整流滤波电路设计》课题,该功能电路的输入/输出电压值的大小,功率大小,性能要求高不高,是变压器分压全波整流还是桥式全波整流等,这些都是设计者要掌握的性能和指标。
二、制定设计方案的指导
这一步的工作要求学生根据设计任务的电路功能需要,画出一个能实现制作任务电路功能的电路原理框图,并依据原理框图制定出具体的实施方案,并科学地分配时间,使学生按计划、有目标和分阶段地进行制作任务。
制作方案的制定,由学生根据专业知识和掌握的资料,针对功能电路目标、要求和条件,制定出符合实际需要的实施计划。在这个过程中教师要鼓励学生,敢于探索,勇于创新,力争做到设计方案合理、可靠,同时对制定的方案不断进行可行性和有缺点的分析,不能忽略任何细节的问题。
三、对电路设计过程的要求
在制定好设计方案后,教师根据电路设计任务的指标和原理框图,要求学生做好如下工作。
1.单元电路的设计。
整机电路由多个单元电路组成,因此在设计每个单元电路前,要明确地描述出各单元电路的具体功能,详细拟定出单元电路的性能指标,与前后单元电路之间的关系,分析电路的组成形式。具体设计时,可以模仿或者参考其他一些较成熟的、相关的电路设计思路,也可以进行创新或者在相关电路的基础上改进,但必须保证性能要求。而且,不仅单元电路本身要设计合理,各单元电路间也要互相配合,注意各单元电路的输入信号,输出信号和控制信号的关系,各级间的输入、输出阻抗的搭配。
2.电路参数的计算。
每个单元电路都有相应的功能指标要求,充分利用所学的专业知识,按照电路组成形式对其参数进行计算,并制作电路参数表。例如,整流滤波电路中电阻值、电容值、二极管的最大反向电压值和输出有效电压值的计算;振荡器中电阻、电容和振荡频率等参数的计算;数/模转换器中的分辨率、转换精确和转换时间等参数的计算。在参数计算时,同一个电路可能有多组数据,在选择参数时,注意联系电路设计要求,估计其在实践中的可行性,然后再做出选择。将所有参数都计算出来之后,以表单形式,有条理地记录下来。
计算电路参数时应注意下列问题:一是单元电路级间输入、输出阻抗的匹配,应尽可能达到最大匹配;二是单元电路级间信号传输的频带宽度和信噪比,要综合考虑;三是元器件的静态工作电流、电压、频率和功耗等参数应能满足电路指标的要求;四是元器件的极限参数必须留有足够充裕量,一般应大于额定值的1.5倍以上。
3.元器件的选择。
第一,阻抗元件的选择。阻容电阻、电容和电感种类很多,正确选择电阻、电容和电感非常重要。不同的电路对电阻和电容性能要求也不同。例如对电容的选择,在滤波电路中滤波电容的选择需要考虑几个方面:电容类型、电容耐压、工作温度和容量等;输入滤波电容容量的选择和驱动器的驱动电压、最大功率有直接关系,需要通过一些计算得到,如果该电容容量过小,驱动器表现为驱动力不足,而容量过大,则增加制作成本。
第二,半导体分立元件的选择。分立元件包括二极管、晶体三极管、场效应管、可控硅和光电二(三)极管等。要根据其用途分别进行选择。例如用于整流电路一般选二极管;用于放大电路可选三极管或者场效应管,但需要根据电路的参数要求来确定;用于开关电路可选光电二(三)极管或者可控硅。此外,选择的元件种类不同,注意事项也不同。例如选择晶体三极管时,必须注意是选择NPN型还是PNP型管,是硅管还是锗管,是高频管还是低频管,是大功率管还是小功率管,并注意管子的参数β、 ICEO、 ICM 、V(BR)CEO 、PCM 、 fT和fβ等是否满足电路设计指标的要求。特别是工作于高频电路时应保证晶体三极管截止频率fβ是电路工作频率的八倍左右。
第三,集成电路的选择。集成电路又分为模拟集成电路和数字集成电路,其内部由成千上万的晶体管集成,可以实现单元电路甚至整机电路的功能模块。目前国内外已生成出大量集成电路,其器件的型号、原理、功能、特征、甚至其应用实例都可以查阅有关手册或者从互联网上查找。所以选用集成电路来设计单元电路和整机电路既方便又灵活,它不仅使系统体积缩小,而且性能可靠,便于调试及运用。不过,选择集成电路时不仅要在功能和特性上实现设计方案,而且要符合功能、功耗,响应速度,电压,性能价格比等多方面的要求。
四、电路原理图的绘制要求
在列出元件清单,选好元器件,并确认能在市场上可以购买之后,为详细表示设计的整机电路及各单元电路的连接关系,制作之前需绘制出完整电路图。
电路图通常是在原理框图、单元电路设计、参数计算和元器件选择的基础上绘制的,它是组装、调试和维修的依据。绘制电路图时要注意以下几点问题:
第一,要注意以信号的流向为绘制电路导向,一般从主电路到辅助电路,从输入端和信号源画起,由左至右或由上至下按信号的流向依次画出各单元电路,不过反馈电路的信号流向则与此相反。
第二,要注意布局合理,元件排列整齐,线路清晰,易理解和阅读。绘图前分析整机电路的组成部分,规划绘图方案,绘图时应尽量把主电路部分集中画在一起。如果电路比较复杂,需绘制几张图,则应把主电路画在同一张图纸上,把一些比较独立和次要的部分画在另外的图纸上,并在图的断口两端做上标记,标出信号从一张图到另一张图的对应接口点,以此说明各图纸在电路连线之间的关系。有时为了强调并便于看清各单元电路的功能关系, 每一个功能单元电路的元件应集中布置在一起,并尽可能按信号流向顺序排列。
第三,要注意用标准元器件符号,并加以适当的标注。每种电气图形符号,在国家标准系列汇编电气元器件数据库中都有统一的表示符号。在绘图时应采用标准的图形符号,以便通用和阅读;电路图中的中、大规模集成电路器件,一般用方框表示,在方框中标出它的型号,在方框的变新两侧标出每根线的功能名称和管脚号。接正电源用符号“ ”表示和接地用符号“┴”表示,并且要标明电源电压值。
第四,要注意连接线画法。连接线通常是以水平或垂直形式布置,一般不用斜的连接线,如果出现交叉线,并且是互相接通的,要在交叉点加上原点表示接通(如:符号“ ”、“ ”所示表示二线接通,地线符号“┴”除外)。此外,也可以在连接线上加注信号名或其他标记,表示其功能或其去向。有的连线可用符号表示,例如期间的电源一般标电源电压的数值,地线用符号“┴”表示。
五、PCB电路板设计及整机电路组装与调试的要求
设计的电路是否能满足设计任务要求,还必须通过组装、调试来验证,下面是几点做法和要求。
1.设计PCB电路板的主要做法。
(1)线路布局要求美观。设计PCB板时,在符合电气以及物理结构要求的基础上考虑电路板的整体美观,在一个PCB板上,元件的布局要求要均衡,疏密有序, 符合PCB制造工艺要求。
(2)热敏元件与发热元件之间要有适当的距离,可调元件能方便调整,带散器的元件要考虑其装放位置及空间。
(3)信号流程要求顺畅且传输线路最短,蜂鸣器要远离柱形电感,避免产生干扰失真,供电电源相同的器件尽量放在一起。
(4)布线要有合理的走向。如输入/输出,交流/直流,强/弱信号,高频/低频等线路,它们的走向应该是分离的,不得相互交融。其目的是防止相互干扰。输入端与输出端的线路应避免相邻平行,最好是互相垂直,因为平行容易产生寄生耦合。
(5)合理布置电源滤波、退耦电容:布置这些电容就应尽量靠近这些元部件,离得太远就不起作用了。贴片器件的退耦电容最好布在板子另一面的器件的位置,电源接进集成电路芯片之前,先过电容,避免浪泳电流的产生,损坏芯片。
(6)线条大小的要求。在布置PCB板中的线路时,有条件做宽的线决不做细;高压及高频线应圆滑,不得有尖锐的倒角,拐弯也不得采用直角,一般采用如图1所示的做法处理。尽量加宽电源线和地线,它们的大小关系是:地线>电源线>信号线。
2.组装与调试。
组装调试电路过程中,我们通常要求学生采用实物焊接方式,这样虽然器件可重复利用率低,可能会造成制作成本增加,但有更多的好处:减少学生在设计电路过程中的随意性;增强学生的实际操作能力;在分组设计的情况下,还可以加强同学之间的业知识交流,师学之间的沟通;提高学生的学习兴趣和增加成就感。下面介绍实物焊接组装电路的方法。
(1)元器件及工具的准备。根据设计电路元件清单,备齐元件,并放在一个大小适中的硬纸盒中;电铬铁要求其功率在35W左右,不宜太低也不宜过高。
(2)元器件的组装。元件焊接顺序是:先组装集成电路,到分立元件,最后电阻、电容等元件;组装时注意认清集成电路方向,不要倒插,管脚不能弯曲,并按信号的流向将元器件顺序地连接,以便于调试;为检查电路的方便,根据不同用途,电源连线可以选用不同的颜色。一般习惯是电源正极用红线,负电源用蓝线,地线用黑线。
(3)电路调试。电路调试包括静态和动态调试,调试的步骤:首先,通电前检查,电路安装完毕,首先直观检查电路各部分接线是否正确,检查电源、地线、信号线、元器件引脚之间有无短路,元器件有无接错。接着,通电检查,接入电路正常的工作电源电压,观察电路中各部分器件有无异常现象。如果出现异常现象,应立即关断电源,待排除故障后方可重新通电。最后,单元电路调试,在调试单元电路时应明确本部分的调试要求,按调试要求测试其性能指标和观察波形,调试顺序按信号的流向进行,这样可以把前面调试过的输出信号作为后一级的输入信号,为最后的整机调试创造条件。通过调试掌握必要的数据、波形、现象,然后对电路进行分析、判断、排除故障,完成调试要求。
六、结语
中职教育培养的是应用型技能人才,要做到让学生能够应用专业知识,最好的方法就是从学生的实际需要出发,积极开拓专业实训课题,并加以科学的指导,提高他们专业操作技能。这样,才能使他们学以致用,学有所成。
(作者单位:肇庆市四会中等专业学校)
参考文献:
熊耀辉.电子线路[M].北京:高等教育出版社,2001.
责任编辑朱守锂
关键词:电子电路;指导;设计
在我校的电子专业教学计划中,学生修完《电子线路》课程后,要求每人都要完成一个功能电路设计的课题。这既是对学生的专业课程掌握情况的检查,也可以借此机会进一步提高学生的动手能力,增强对学生专业素质的培养。下面,笔者结合自身教学实践,淡淡如何指导学生进行电子电路设计。
一、选课题的指导
在设计电子电路之前,教师首先要让学生明确教学计划中所提出的任务和要求,选好具体的功能电路课题,并对课题做具体分析,充分掌握课题中功能电路系统的性能、指标、内容及要求。 例如,对于《全波整流滤波电路设计》课题,该功能电路的输入/输出电压值的大小,功率大小,性能要求高不高,是变压器分压全波整流还是桥式全波整流等,这些都是设计者要掌握的性能和指标。
二、制定设计方案的指导
这一步的工作要求学生根据设计任务的电路功能需要,画出一个能实现制作任务电路功能的电路原理框图,并依据原理框图制定出具体的实施方案,并科学地分配时间,使学生按计划、有目标和分阶段地进行制作任务。
制作方案的制定,由学生根据专业知识和掌握的资料,针对功能电路目标、要求和条件,制定出符合实际需要的实施计划。在这个过程中教师要鼓励学生,敢于探索,勇于创新,力争做到设计方案合理、可靠,同时对制定的方案不断进行可行性和有缺点的分析,不能忽略任何细节的问题。
三、对电路设计过程的要求
在制定好设计方案后,教师根据电路设计任务的指标和原理框图,要求学生做好如下工作。
1.单元电路的设计。
整机电路由多个单元电路组成,因此在设计每个单元电路前,要明确地描述出各单元电路的具体功能,详细拟定出单元电路的性能指标,与前后单元电路之间的关系,分析电路的组成形式。具体设计时,可以模仿或者参考其他一些较成熟的、相关的电路设计思路,也可以进行创新或者在相关电路的基础上改进,但必须保证性能要求。而且,不仅单元电路本身要设计合理,各单元电路间也要互相配合,注意各单元电路的输入信号,输出信号和控制信号的关系,各级间的输入、输出阻抗的搭配。
2.电路参数的计算。
每个单元电路都有相应的功能指标要求,充分利用所学的专业知识,按照电路组成形式对其参数进行计算,并制作电路参数表。例如,整流滤波电路中电阻值、电容值、二极管的最大反向电压值和输出有效电压值的计算;振荡器中电阻、电容和振荡频率等参数的计算;数/模转换器中的分辨率、转换精确和转换时间等参数的计算。在参数计算时,同一个电路可能有多组数据,在选择参数时,注意联系电路设计要求,估计其在实践中的可行性,然后再做出选择。将所有参数都计算出来之后,以表单形式,有条理地记录下来。
计算电路参数时应注意下列问题:一是单元电路级间输入、输出阻抗的匹配,应尽可能达到最大匹配;二是单元电路级间信号传输的频带宽度和信噪比,要综合考虑;三是元器件的静态工作电流、电压、频率和功耗等参数应能满足电路指标的要求;四是元器件的极限参数必须留有足够充裕量,一般应大于额定值的1.5倍以上。
3.元器件的选择。
第一,阻抗元件的选择。阻容电阻、电容和电感种类很多,正确选择电阻、电容和电感非常重要。不同的电路对电阻和电容性能要求也不同。例如对电容的选择,在滤波电路中滤波电容的选择需要考虑几个方面:电容类型、电容耐压、工作温度和容量等;输入滤波电容容量的选择和驱动器的驱动电压、最大功率有直接关系,需要通过一些计算得到,如果该电容容量过小,驱动器表现为驱动力不足,而容量过大,则增加制作成本。
第二,半导体分立元件的选择。分立元件包括二极管、晶体三极管、场效应管、可控硅和光电二(三)极管等。要根据其用途分别进行选择。例如用于整流电路一般选二极管;用于放大电路可选三极管或者场效应管,但需要根据电路的参数要求来确定;用于开关电路可选光电二(三)极管或者可控硅。此外,选择的元件种类不同,注意事项也不同。例如选择晶体三极管时,必须注意是选择NPN型还是PNP型管,是硅管还是锗管,是高频管还是低频管,是大功率管还是小功率管,并注意管子的参数β、 ICEO、 ICM 、V(BR)CEO 、PCM 、 fT和fβ等是否满足电路设计指标的要求。特别是工作于高频电路时应保证晶体三极管截止频率fβ是电路工作频率的八倍左右。
第三,集成电路的选择。集成电路又分为模拟集成电路和数字集成电路,其内部由成千上万的晶体管集成,可以实现单元电路甚至整机电路的功能模块。目前国内外已生成出大量集成电路,其器件的型号、原理、功能、特征、甚至其应用实例都可以查阅有关手册或者从互联网上查找。所以选用集成电路来设计单元电路和整机电路既方便又灵活,它不仅使系统体积缩小,而且性能可靠,便于调试及运用。不过,选择集成电路时不仅要在功能和特性上实现设计方案,而且要符合功能、功耗,响应速度,电压,性能价格比等多方面的要求。
四、电路原理图的绘制要求
在列出元件清单,选好元器件,并确认能在市场上可以购买之后,为详细表示设计的整机电路及各单元电路的连接关系,制作之前需绘制出完整电路图。
电路图通常是在原理框图、单元电路设计、参数计算和元器件选择的基础上绘制的,它是组装、调试和维修的依据。绘制电路图时要注意以下几点问题:
第一,要注意以信号的流向为绘制电路导向,一般从主电路到辅助电路,从输入端和信号源画起,由左至右或由上至下按信号的流向依次画出各单元电路,不过反馈电路的信号流向则与此相反。
第二,要注意布局合理,元件排列整齐,线路清晰,易理解和阅读。绘图前分析整机电路的组成部分,规划绘图方案,绘图时应尽量把主电路部分集中画在一起。如果电路比较复杂,需绘制几张图,则应把主电路画在同一张图纸上,把一些比较独立和次要的部分画在另外的图纸上,并在图的断口两端做上标记,标出信号从一张图到另一张图的对应接口点,以此说明各图纸在电路连线之间的关系。有时为了强调并便于看清各单元电路的功能关系, 每一个功能单元电路的元件应集中布置在一起,并尽可能按信号流向顺序排列。
第三,要注意用标准元器件符号,并加以适当的标注。每种电气图形符号,在国家标准系列汇编电气元器件数据库中都有统一的表示符号。在绘图时应采用标准的图形符号,以便通用和阅读;电路图中的中、大规模集成电路器件,一般用方框表示,在方框中标出它的型号,在方框的变新两侧标出每根线的功能名称和管脚号。接正电源用符号“ ”表示和接地用符号“┴”表示,并且要标明电源电压值。
第四,要注意连接线画法。连接线通常是以水平或垂直形式布置,一般不用斜的连接线,如果出现交叉线,并且是互相接通的,要在交叉点加上原点表示接通(如:符号“ ”、“ ”所示表示二线接通,地线符号“┴”除外)。此外,也可以在连接线上加注信号名或其他标记,表示其功能或其去向。有的连线可用符号表示,例如期间的电源一般标电源电压的数值,地线用符号“┴”表示。
五、PCB电路板设计及整机电路组装与调试的要求
设计的电路是否能满足设计任务要求,还必须通过组装、调试来验证,下面是几点做法和要求。
1.设计PCB电路板的主要做法。
(1)线路布局要求美观。设计PCB板时,在符合电气以及物理结构要求的基础上考虑电路板的整体美观,在一个PCB板上,元件的布局要求要均衡,疏密有序, 符合PCB制造工艺要求。
(2)热敏元件与发热元件之间要有适当的距离,可调元件能方便调整,带散器的元件要考虑其装放位置及空间。
(3)信号流程要求顺畅且传输线路最短,蜂鸣器要远离柱形电感,避免产生干扰失真,供电电源相同的器件尽量放在一起。
(4)布线要有合理的走向。如输入/输出,交流/直流,强/弱信号,高频/低频等线路,它们的走向应该是分离的,不得相互交融。其目的是防止相互干扰。输入端与输出端的线路应避免相邻平行,最好是互相垂直,因为平行容易产生寄生耦合。
(5)合理布置电源滤波、退耦电容:布置这些电容就应尽量靠近这些元部件,离得太远就不起作用了。贴片器件的退耦电容最好布在板子另一面的器件的位置,电源接进集成电路芯片之前,先过电容,避免浪泳电流的产生,损坏芯片。
(6)线条大小的要求。在布置PCB板中的线路时,有条件做宽的线决不做细;高压及高频线应圆滑,不得有尖锐的倒角,拐弯也不得采用直角,一般采用如图1所示的做法处理。尽量加宽电源线和地线,它们的大小关系是:地线>电源线>信号线。
2.组装与调试。
组装调试电路过程中,我们通常要求学生采用实物焊接方式,这样虽然器件可重复利用率低,可能会造成制作成本增加,但有更多的好处:减少学生在设计电路过程中的随意性;增强学生的实际操作能力;在分组设计的情况下,还可以加强同学之间的业知识交流,师学之间的沟通;提高学生的学习兴趣和增加成就感。下面介绍实物焊接组装电路的方法。
(1)元器件及工具的准备。根据设计电路元件清单,备齐元件,并放在一个大小适中的硬纸盒中;电铬铁要求其功率在35W左右,不宜太低也不宜过高。
(2)元器件的组装。元件焊接顺序是:先组装集成电路,到分立元件,最后电阻、电容等元件;组装时注意认清集成电路方向,不要倒插,管脚不能弯曲,并按信号的流向将元器件顺序地连接,以便于调试;为检查电路的方便,根据不同用途,电源连线可以选用不同的颜色。一般习惯是电源正极用红线,负电源用蓝线,地线用黑线。
(3)电路调试。电路调试包括静态和动态调试,调试的步骤:首先,通电前检查,电路安装完毕,首先直观检查电路各部分接线是否正确,检查电源、地线、信号线、元器件引脚之间有无短路,元器件有无接错。接着,通电检查,接入电路正常的工作电源电压,观察电路中各部分器件有无异常现象。如果出现异常现象,应立即关断电源,待排除故障后方可重新通电。最后,单元电路调试,在调试单元电路时应明确本部分的调试要求,按调试要求测试其性能指标和观察波形,调试顺序按信号的流向进行,这样可以把前面调试过的输出信号作为后一级的输入信号,为最后的整机调试创造条件。通过调试掌握必要的数据、波形、现象,然后对电路进行分析、判断、排除故障,完成调试要求。
六、结语
中职教育培养的是应用型技能人才,要做到让学生能够应用专业知识,最好的方法就是从学生的实际需要出发,积极开拓专业实训课题,并加以科学的指导,提高他们专业操作技能。这样,才能使他们学以致用,学有所成。
(作者单位:肇庆市四会中等专业学校)
参考文献:
熊耀辉.电子线路[M].北京:高等教育出版社,2001.
责任编辑朱守锂