一、電子電路設(shè)計(jì)的基本步驟
開發(fā)一個(gè)電子系統(tǒng)時(shí),首先必須明確系統(tǒng)的工作任務(wù),然后根據(jù)任務(wù)進(jìn)行選擇方案,再對(duì)方案中的各個(gè)部分進(jìn)行單元制作、參數(shù)計(jì)算和器件選擇,最后將各部分連接在一起。一般來(lái)說(shuō)要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟。
首先要明確設(shè)計(jì)任務(wù)要求,充分了解設(shè)計(jì)任務(wù)的具體要求:如性能指標(biāo)、內(nèi)容及功能要求等,這樣做就是為了明確設(shè)計(jì)任務(wù);然后有針對(duì)性的提出設(shè)計(jì)任務(wù)、要求和條件,科學(xué)合理制定出可靠、經(jīng)濟(jì)、可行的設(shè)計(jì)框架,對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析,做到心中有數(shù);再根據(jù)設(shè)計(jì)框架進(jìn)行單元電路、參數(shù)計(jì)算和器件選擇。器件選擇時(shí),特別要考慮元器件的工作電壓、頻率和功耗等參數(shù)應(yīng)滿足電路指標(biāo)要求,對(duì)元器件的極限參數(shù)必須留有足夠的裕量,一般應(yīng)大于額定值的1.5倍,電阻器和電容器的參數(shù)應(yīng)選擇計(jì)算值附近的標(biāo)稱值。
最后就進(jìn)行電路原理圖的繪制了,由于電路原理圖是制作PCB裝配板、組裝、焊接、調(diào)試和檢修的依據(jù),繪制電路圖時(shí)布局必須合理、排列均勻、清晰、有利于讀圖。一般由左至右或由上至下按照信號(hào)的流向依次畫出單元電路,反饋通路的信號(hào)流向則與此相反,特別要求原理圖中的圖形符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,并加適當(dāng)?shù)臉?biāo)注,交叉
和折彎應(yīng)盡量少,互相連通的交叉處用圓點(diǎn)表示,地線用接地符號(hào)表示.
二、制作PCB裝配板
由于是自己開發(fā)的電子小制作,所以很難購(gòu)到符合要求的PCB裝配板,從專業(yè)性PCB生產(chǎn)廠家定制的話費(fèi)用又很高,于是好多電子愛好者就只能在萬(wàn)用板上進(jìn)行裝配,當(dāng)然裝配效果就很差了,而且性能極不穩(wěn)定。在此我推薦大家可以借助于電路設(shè)計(jì)軟件—Portel99SE進(jìn)行自制PCB裝配板。一般而言,設(shè)計(jì)制作PCB裝配板的過(guò)程要有以下四個(gè)步驟。
首先借助Protel99的原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)(AdvancedSchematiC)來(lái)繪制一張電路原理圖。Protel99提供了各種原理圖繪圖工具、編輯功能,可以很方便的繪制出精
美的電路原理圖。然后生成網(wǎng)絡(luò)表,網(wǎng)絡(luò)表是電路原理圖設(shè)訊SCH)與印制電路板(PCB)之間的一座橋梁,它是電路板自動(dòng)布線的靈魂。網(wǎng)絡(luò)表可以從電路原理圖中自動(dòng)獲得,也可以從印制電路板中提取出來(lái)。再設(shè)計(jì)印制電路板,Protel99提供了功能強(qiáng)大的電路板設(shè)計(jì)功能,我們可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行PCB裝配板的版面設(shè)計(jì),完成所需的裝配板的設(shè)計(jì)工作。
最后怎可以轉(zhuǎn)印輸出PCB裝配板了,Protel99提供了良好的打印輸出功能,我們可以根據(jù)需求選擇不同的打印輸出層,利用激光打印機(jī)將設(shè)計(jì)的裝配圖打印到菲林紙上,然后利用熱轉(zhuǎn)印技術(shù)將菲林紙上打印好的PCB裝配圖轉(zhuǎn)印的相應(yīng)的覆銅板上,再通過(guò)腐蝕、打孔、絲印層轉(zhuǎn)印等工序后即可得到我們需要的PCB裝配板來(lái)。
三、電子電路的組裝與調(diào)試
1.器件的焊裝
首先要保證各個(gè)焊點(diǎn)光滑、均勻,不能有虛焊、橋接、錯(cuò)焊和漏焊,對(duì)于集成電路的安裝一定要找準(zhǔn)第一腳,以免倒插,所有CI的插人方向應(yīng)保持一致,管腳不能彎曲或折斷;對(duì)于裝插的元器件應(yīng)該去除元件管腳上的氧化層,按照信號(hào)的流向依次順序連接;對(duì)于必要的導(dǎo)線的連接,應(yīng)考慮導(dǎo)線直徑與插孔相當(dāng),為了檢查電路方便,要根據(jù)不同用途選擇不同顏色的導(dǎo)線,一般習(xí)慣是電源正用紅線,電源負(fù)用藍(lán)線,地線用黑線,信號(hào)線用其它顏色的線。所連接用的導(dǎo)線要緊貼裝配板焊接,不允許跨越CI或其他器件,盡量做到橫平豎直,對(duì)于高頻電路部分的連線應(yīng)盡量短,之間最好有屏蔽的公共地。還有在電路的輸人、輸出端和其測(cè)試端應(yīng)預(yù)留測(cè)試空間和接線柱,以方便測(cè)量調(diào)試。
2.調(diào)試前的檢測(cè)
調(diào)試前先不加電源進(jìn)行檢查,仔細(xì)對(duì)照電路圖和實(shí)際線路檢查連線是否正確,包括錯(cuò)接、少接、多接等;用萬(wàn)用表電阻檔檢查焊接和接插是否良好,元器件引腳之間有無(wú)短路,連接處有無(wú)接觸不良,二極管、三極管、集成電路和電解電容的極性是否正確;電源極性、信號(hào)源連線是否正確。
3.供電調(diào)試階段
若電路經(jīng)過(guò)上述檢查,確認(rèn)無(wú)誤后,可斷開信號(hào)源,把經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量的電源接人電路,用萬(wàn)用表監(jiān)測(cè)電源電壓,觀察有無(wú)異常現(xiàn)象:如冒煙、異常氣味、元器件發(fā)燙,電源短路等。如無(wú)異常情況,分別測(cè)量各關(guān)鍵點(diǎn)直流電壓,如靜態(tài)工作點(diǎn)、數(shù)字電路各輸人端和輸出端的高、低電平值及邏輯關(guān)系、放大電路輸人、輸出端直流電壓等是否在正常工作狀態(tài)下,如不符則調(diào)整電路元器件參數(shù)、更換元器件等,使電路最終工作在合適的狀態(tài);對(duì)于放大電路還要用示波器觀察是否有自激發(fā)生。
靜態(tài)檢測(cè)與調(diào)試階段完成后可進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試階段,由于動(dòng)態(tài)調(diào)試是在靜態(tài)調(diào)試的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,需要在輸人端加上所需的信號(hào)源,并循著信號(hào)的流程逐級(jí)檢測(cè)各點(diǎn)的波形、參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,要設(shè)法找出原因,排除故障,繼續(xù)進(jìn)行(詳見檢查故障的一般方法)。
四、電子電路故障的故障排查
檢查故障的一般方法有:直接觀察法、靜態(tài)檢查法、信號(hào)尋跡法、對(duì)比法、部件替換法、旁路法、短路法、斷路法、暴露法等,下面主要介紹以下幾種:
1.直接觀察法和信號(hào)檢查法
與前面介紹的調(diào)試前的直觀檢查和靜態(tài)檢查相似,只是更有目標(biāo)針對(duì)性。
2.信號(hào)尋跡法
在輸人端直接輸人一定幅值、頻率的信號(hào),用示波器由前級(jí)到后級(jí)逐級(jí)觀察波形及幅值,如哪一級(jí)異常,則故障就在該級(jí);對(duì)于各種復(fù)雜的電路,也可將各單元電路前后級(jí)斷開,分別在各單元輸人端加人適當(dāng)信號(hào),檢查輸出端的輸出是否滿足設(shè)計(jì)要求。
3.對(duì)比法
將存在問(wèn)題的電路參數(shù)與工作狀態(tài)和相同的正常電路中的參數(shù)(或理論分析和仿真分析的電流、電壓、波形等參數(shù)隨行比對(duì),判斷故障點(diǎn),找出原因。
4.部件替換法
用同型號(hào)的好器件替換可能存在故障的部件。
5.加速暴露法
有時(shí)故障不明顯,或時(shí)有時(shí)無(wú),或要較長(zhǎng)時(shí)間才能出現(xiàn),可采用加速暴露法,如敲擊元件或電路板檢查接觸不良、虛焊等,用加熱的方法檢查熱穩(wěn)定性差等等。
五、電子電路干擾的抑制
1.干擾源
電子電路工作時(shí),往往在有用信號(hào)之外還存在一些令人頭痛的干擾源,有的產(chǎn)生于電子電路內(nèi)部,有的產(chǎn)生于外部。外部的干擾主要有:高頻電器產(chǎn)生的高頻干擾、
電源產(chǎn)生的工頻干擾、無(wú)線電波的干擾;內(nèi)部的干擾主要有:交流聲、不同信號(hào)之間的互相感應(yīng)、調(diào)制,寄生振蕩、熱噪聲、因阻抗不匹配產(chǎn)生的波形畸變或振蕩。
2.降低內(nèi)部干擾的措施
(1)玩器件布局:元件在印刷線路板上排列的位置要充分考慮抗電磁干擾問(wèn)題,原則之一是各部件之間的引線要盡量短。在布局上,要把模擬信號(hào)部分,高速數(shù)字電路部分,噪聲源部州如繼電器,大電流開關(guān)等)這三部分合理地分開,使相互間的信號(hào)藕合為最小。
(2)電源線設(shè)計(jì):根據(jù)印制線路板電流的大小,盡量加租電源線寬度,減少環(huán)路電阻。同時(shí)、使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致,這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。
(3)她線設(shè)計(jì):在電子設(shè)備中,接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來(lái)使用,可解決大部分干擾問(wèn)題詳細(xì)方法見下節(jié)接地)。
(4)褪藕電容配置線路板設(shè)計(jì)的常規(guī)做法之一是在線路板的各個(gè)關(guān)鍵部位配置適當(dāng)?shù)耐伺弘娙�。退藕電容的一般配置原則是:
電源輸人端跨接10一10uf的電解電容器。如有可能,接100uF以上的更好。原則上每個(gè)集成電路芯片都應(yīng)布置一個(gè)0.olpF的瓷片電容,如遇印制板空隙不夠,可每4一8個(gè)芯片布置一個(gè)1一10pF的但電容。對(duì)于抗噪能力弱、關(guān)斷時(shí)電源變化大的器件,如RAM、ROM存儲(chǔ)器件,應(yīng)在芯片的電源線和地線之間直接接人退藕電容。電容引線不能太長(zhǎng),尤其是高頻旁路電容不能有引線。
此外,還應(yīng)注意在印制板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時(shí)。由于它們工作時(shí)均會(huì)產(chǎn)生較大火花放電,必須采用RC電路來(lái)吸收放電電流。一般R取1一ZK,C取2.2一47uF。還有CMOS的輸人阻抗很高,且易受感應(yīng),因此對(duì)不用端子要通過(guò)接地或接電源正來(lái)解決。對(duì)于外部的干擾可通過(guò)遠(yuǎn)離干擾源或進(jìn)行屏蔽處理,也可運(yùn)用濾波器降低外界干擾。
六、接地問(wèn)題的考慮
接地有安全接地、工作接地之分,這里所談的是工作接地,設(shè)計(jì)接地點(diǎn)就是要盡可能減少各支路電流之間的相互藕合干擾,主要方法有:單點(diǎn)接地、串聯(lián)接地、平面接地。在電子設(shè)備中,接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來(lái)使用,可解決大部分干擾問(wèn)題。電子設(shè)備中地線結(jié)構(gòu)大致有系統(tǒng)地、機(jī)殼地(屏蔽地)、數(shù)字地(邏輯地)和模擬地等。在地線設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
1.正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地
在低頻電路中,信號(hào)的工作頻率小于IMHz,它的布線和器件間的電感影響較小,而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大,因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí),地線阻抗變得很大,此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗,應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地,地線應(yīng)短而租,高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。
2.將數(shù)字電路與模擬電路分開
電路板上既有高速邏輯電路,又有線性電路,應(yīng)使它們盡量分開,而兩者的地線不要相混,分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。若接地線很細(xì),接地電位則隨電流的變化而變化,致使電子設(shè)備的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn),抗噪聲性能變壞。因此應(yīng)將接地線盡量加粗。
3.將接地線構(gòu)成閉環(huán)路
設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的印制電路板的地線系統(tǒng)時(shí),將接地線做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。由于印制電路板上有很多集成電路元件,尤其遇有耗電多的元件時(shí),因受接地線粗細(xì)的限制,會(huì)在地結(jié)上產(chǎn)生較大的電位差,引起抗噪聲能力下降,若將接地結(jié)構(gòu)成環(huán)路,則會(huì)縮小電位差值,提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。最后要整理出整個(gè)電子電路設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告,內(nèi)容要有課題名稱、內(nèi)容摘要、設(shè)計(jì)內(nèi)容及選擇的設(shè)計(jì)方案、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇、畫出完整的電路圖并說(shuō)明電路的工作原理,還有組裝調(diào)試的內(nèi)容,如使用的主要儀器和儀表、調(diào)試電路的方法和技巧、測(cè)試的數(shù)據(jù)和波形并與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析、調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法等;還要總結(jié)設(shè)計(jì)電路的特點(diǎn)和方案的優(yōu)缺點(diǎn),指出項(xiàng)目的核心及實(shí)用價(jià)值,提出改進(jìn)意見和展望;最后還要列出元器件清單、參考文獻(xiàn)并寫出收獲、體會(huì)等
