一、電子電路設計的基本步驟
開發一個電子系統時,首先必須明確系統的工作任務,然后根據任務進行選擇方案,再對方案中的各個部分進行單元制作、參數計算和器件選擇,最后將各部分連接在一起。一般來說要經過以下幾個步驟。
首先要明確設計任務要求,充分了解設計任務的具體要求:如性能指標、內容及功能要求等,這樣做就是為了明確設計任務;然后有針對性的提出設計任務、要求和條件,科學合理制定出可靠、經濟、可行的設計框架,對其優缺點進行分析,做到心中有數;再根據設計框架進行單元電路、參數計算和器件選擇。器件選擇時,特別要考慮元器件的工作電壓、頻率和功耗等參數應滿足電路指標要求,對元器件的極限參數必須留有足夠的裕量,一般應大于額定值的1.5倍,電阻器和電容器的參數應選擇計算值附近的標稱值。
最后就進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、調試和檢修的依據,繪制電路圖時布局必須合理、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的流向依次畫出單元電路,反饋通路的信號流向則與此相反,特別要求原理圖中的圖形符號標準規范,并加適當的標注,交叉
和折彎應盡量少,互相連通的交叉處用圓點表示,地線用接地符號表示.
二、制作PCB裝配板
由于是自己開發的電子小制作,所以很難購到符合要求的PCB裝配板,從專業性PCB生產廠家定制的話費用又很高,于是好多電子愛好者就只能在萬用板上進行裝配,當然裝配效果就很差了,而且性能極不穩定。在此我推薦大家可以借助于電路設計軟件—Portel99SE進行自制PCB裝配板。一般而言,設計制作PCB裝配板的過程要有以下四個步驟。
首先借助Protel99的原理圖設計系統(AdvancedSchematiC)來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。然后生成網絡表,網絡表是電路原理圖設訊SCH)與印制電路板(PCB)之間的一座橋梁,它是電路板自動布線的靈魂。網絡表可以從電路原理圖中自動獲得,也可以從印制電路板中提取出來。再設計印制電路板,Protel99提供了功能強大的電路板設計功能,我們可以根據自己的需要進行PCB裝配板的版面設計,完成所需的裝配板的設計工作。
最后怎可以轉印輸出PCB裝配板了,Protel99提供了良好的打印輸出功能,我們可以根據需求選擇不同的打印輸出層,利用激光打印機將設計的裝配圖打印到菲林紙上,然后利用熱轉印技術將菲林紙上打印好的PCB裝配圖轉印的相應的覆銅板上,再通過腐蝕、打孔、絲印層轉印等工序后即可得到我們需要的PCB裝配板來。
三、電子電路的組裝與調試
1.器件的焊裝
首先要保證各個焊點光滑、均勻,不能有虛焊、橋接、錯焊和漏焊,對于集成電路的安裝一定要找準第一腳,以免倒插,所有CI的插人方向應保持一致,管腳不能彎曲或折斷;對于裝插的元器件應該去除元件管腳上的氧化層,按照信號的流向依次順序連接;對于必要的導線的連接,應考慮導線直徑與插孔相當,為了檢查電路方便,要根據不同用途選擇不同顏色的導線,一般習慣是電源正用紅線,電源負用藍線,地線用黑線,信號線用其它顏色的線。所連接用的導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,對于高頻電路部分的連線應盡量短,之間最好有屏蔽的公共地。還有在電路的輸人、輸出端和其測試端應預留測試空間和接線柱,以方便測量調試。
2.調試前的檢測
調試前先不加電源進行檢查,仔細對照電路圖和實際線路檢查連線是否正確,包括錯接、少接、多接等;用萬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短路,連接處有無接觸不良,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、信號源連線是否正確。
3.供電調試階段
若電路經過上述檢查,確認無誤后,可斷開信號源,把經過準確測量的電源接人電路,用萬用表監測電源電壓,觀察有無異常現象:如冒煙、異常氣味、元器件發燙,電源短路等。如無異常情況,分別測量各關鍵點直流電壓,如靜態工作點、數字電路各輸人端和輸出端的高、低電平值及邏輯關系、放大電路輸人、輸出端直流電壓等是否在正常工作狀態下,如不符則調整電路元器件參數、更換元器件等,使電路最終工作在合適的狀態;對于放大電路還要用示波器觀察是否有自激發生。
靜態檢測與調試階段完成后可進行動態調試階段,由于動態調試是在靜態調試的基礎上進行的,需要在輸人端加上所需的信號源,并循著信號的流程逐級檢測各點的波形、參數是否滿足設計要求,發現問題,要設法找出原因,排除故障,繼續進行(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、靜態檢查法、信號尋跡法、對比法、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.直接觀察法和信號檢查法
與前面介紹的調試前的直觀檢查和靜態檢查相似,只是更有目標針對性。
2.信號尋跡法
在輸人端直接輸人一定幅值、頻率的信號,用示波器由前級到后級逐級觀察波形及幅值,如哪一級異常,則故障就在該級;對于各種復雜的電路,也可將各單元電路前后級斷開,分別在各單元輸人端加人適當信號,檢查輸出端的輸出是否滿足設計要求。
3.對比法
將存在問題的電路參數與工作狀態和相同的正常電路中的參數(或理論分析和仿真分析的電流、電壓、波形等參數隨行比對,判斷故障點,找出原因。
4.部件替換法
用同型號的好器件替換可能存在故障的部件。
5.加速暴露法
有時故障不明顯,或時有時無,或要較長時間才能出現,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,往往在有用信號之外還存在一些令人頭痛的干擾源,有的產生于電子電路內部,有的產生于外部。外部的干擾主要有:高頻電器產生的高頻干擾、
電源產生的工頻干擾、無線電波的干擾;內部的干擾主要有:交流聲、不同信號之間的互相感應、調制,寄生振蕩、熱噪聲、因阻抗不匹配產生的波形畸變或振蕩。
2.降低內部干擾的措施
(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,要把模擬信號部分,高速數字電路部分,噪聲源部州如繼電器,大電流開關等)這三部分合理地分開,使相互間的信號藕合為最小。
(2)電源線設計:根據印制線路板電流的大小,盡量加租電源線寬度,減少環路電阻。同時、使電源線、地線的走向和數據傳遞的方向一致,這樣有助于增強抗噪聲能力。
(3)她線設計:在電子設備中,接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結合起來使用,可解決大部分干擾問題詳細方法見下節接地)。
(4)褪藕電容配置線路板設計的常規做法之一是在線路板的各個關鍵部位配置適當的退藕電容。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。原則上每個集成電路芯片都應布置一個0.olpF的瓷片電容,如遇印制板空隙不夠,可每4一8個芯片布置一個1一10pF的但電容。對于抗噪能力弱、關斷時電源變化大的器件,如RAM、ROM存儲器件,應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,尤其是高頻旁路電容不能有引線。
此外,還應注意在印制板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時。由于它們工作時均會產生較大火花放電,必須采用RC電路來吸收放電電流。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,因此對不用端子要通過接地或接電源正來解決。對于外部的干擾可通過遠離干擾源或進行屏蔽處理,也可運用濾波器降低外界干擾。
六、接地問題的考慮
接地有安全接地、工作接地之分,這里所談的是工作接地,設計接地點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:單點接地、串聯接地、平面接地。在電子設備中,接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結合起來使用,可解決大部分干擾問題。電子設備中地線結構大致有系統地、機殼地(屏蔽地)、數字地(邏輯地)和模擬地等。在地線設計中應注意以下幾點:
1.正確選擇單點接地與多點接地
在低頻電路中,信號的工作頻率小于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流對干擾影響較大,因而應采用一點接地。當信號工作頻率大于10MHz時,地線阻抗變得很大,此時應盡量降低地線阻抗,應采用就近多點接地。高頻電路宜采用多點串聯接地,地線應短而租,高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。
2.將數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,接地電位則隨電流的變化而變化,致使電子設備的定時信號電平不穩,抗噪聲性能變壞。因此應將接地線盡量加粗。
3.將接地線構成閉環路
設計只由數字電路組成的印制電路板的地線系統時,將接地線做成閉環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,因受接地線粗細的限制,會在地結上產生較大的電位差,引起抗噪聲能力下降,若將接地結構成環路,則會縮小電位差值,提高電子設備的抗噪聲能力。最后要整理出整個電子電路設計性實驗報告,內容要有課題名稱、內容摘要、設計內容及選擇的設計方案、單元電路設計、參數計算和器件選擇、畫出完整的電路圖并說明電路的工作原理,還有組裝調試的內容,如使用的主要儀器和儀表、調試電路的方法和技巧、測試的數據和波形并與計算結果進行比較分析、調試中出現的故障、原因及排除方法等;還要總結設計電路的特點和方案的優缺點,指出項目的核心及實用價值,提出改進意見和展望;最后還要列出元器件清單、參考文獻并寫出收獲、體會等
