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您的位置分割线网站首页>>经验杂谈>>《教师吧》讲堂:合格的电子工程师需要掌握的知识和技能
责任编辑:刘昆山

  掌握了以下的硬件和软件知识,基本上就可以成为一个合格的电子工程师:
  第一部分:硬件知识
一、 数字信号
1、 TTL和带缓冲的TTL信号
2、 RS232和定义
3、 RS485/422(平衡信号)
4、 干接点信号
二、 模拟信号视频
1、 非平衡信号
2、 平衡信号
三、 芯片
1、 封装
2、 7407
3、 7404
4、 7400
5、 74LS573
6、 ULN2003
7、 74LS244
8、 74LS240
9、 74LS245
10、 74LS138/238
11、 CPLD(EPM7128)
12、 1161
13、 max691
14、 max485/75176
15、 mc1489
16、 mc1488
17、 ICL232/max232
18、 89C51
四、 分立器件
1、 封装
2、 电阻:功耗和容值
3、 电容
1) 独石电容
2) 瓷片电容
3) 电解电容
4、 电感
5、 电源转换模块
6、 接线端子
7、 LED发光管
8、 8字(共阳和共阴)
9、 三极管2N5551
10、 蜂鸣器
五、 单片机最小系统
1、 单片机
2、 看门狗和上电复位电路
3、 晶振和瓷片电容
六、 串行接口芯片
1、 eeprom
2、 串行I/O接口芯片
3、 串行AD、DA
4、 串行LED驱动、max7129
七、 电源设计
1、 开关电源:器件的选择
2、 线性电源:
1) 变压器
2) 桥
3) 电解电容
3、 电源的保护
1) 桥的保护
2) 单二极管保护
八、 维修
1、 电源
2、 看门狗
3、 信号
九、 设计思路
1、 电源:电压和电流
2、 接口:串口、开关量输入、开关量输出
3、 开关量信号输出调理
1) TTL―>继电器
2) TTL―>继电器(反向逻辑)
3) TTL―>固态继电器
4) TTL―>LED(8字)
5) 继电器―>继电器
6) 继电器―>固态继电器
4、 开关量信号输入调理
1) 干接点―>光耦
2) TTL―>光耦
5、 CPU处理能力的考虑
6、 成为产品的考虑:
1) 电路板外形:大小尺寸、异形、连接器、空间体积
2) 电路板模块化设计
3) 成本分析
4) 器件的冗余度
1. 电阻的功耗
2. 电容的耐压值等
5) 机箱
6) 电源的选择
7) 模块化设计
8) 成本核算
1. 如何计算电路板的成本?
2. 如何降低成本?选用功能满足价格便宜的器件
十、 思考题
1、 如何检测和指示RS422信号
2、 如何检测和指示RS232信号
3、 设计一个4位8字的显示板
1) 电源:DC12
2) 接口:RS232
3) 4位3”8字(连在一起)
4) 亮度检测
5) 二级调光
4、 设计一个33位1”8字的显示板
1) 电源:DC5V
2) 接口:RS232
3) 3排 11位8字,分4个、3个、4个3组,带行与行之间带间隔
4) 单片机最小系统
5) 译码逻辑
6) 显示驱动和驱动器件
5、 设计一个PCL725和MOXA C168P的接口板
1) 电源:DC5V
2) 接口:PCL725/MOXA 8个RS232
1. PCL725,直立DB37,孔
2. MOXA C168P,DB62弯
3) 开关量输出信号调理:6个固态继电器和8个继电器,可以被任何一路信号控制和驱动,接口:固态继电器5.08直立,继电器3.81直立
4) 开关量输入调理:干接点闭合为1或0可选,接口:3.81直立
5) RS232调理:
1. LED指示
2. 前4路RS232全信号,后4路只需要TX、RX、0
3. 无需光电隔离
4. 接口形式:DB9(针)直立

  第二部分:软件知识

一、 汇编语言
二、 C51
  该部分可以从市场上买到的N种开发板上学到,至于第一部分,需要人来带吧。为什么要掌握这些知识?实际上,电子工程师就是将一堆器件搭在一起,注入思想(程序),完成原来的这器件分离时无法完成的功能,做成一个成品。所需要的技能越高、功能越复杂、成本越低、市场上对相应的东东的需求越大,就越成功。这就是电子工程师的自身的价值。从成本到产品售出,之间的差价就是企业的追求。作为企业的老板,是在市场上去寻找这样的应用;对电子工程师而言,是将老板提出的需求或者应用按照一定的构思原则(成本最低、可靠性最高、电路板最小、功能最强大等)在最短的时间内完成。最短的时间,跟电子工程师的熟练程度、工作效率和工作时间直接有关。这就是电子工程师的价值。

  将电子产品抽象成一个硬件的模型,大约有以下组成:
1) 输入
2) 处理核心
3) 输出
输入基本上有以下的可能:
1) 键盘
2) 串行接口(RS232/485/can bus/以太网/USB)
3) 开关量(TTL,电流环路,干接点)
4) 模拟量(4~20ma、 0~10ma、0~5V(平衡和非平衡信号))
输出基本上有以下组成:
1) 串行接口(RS232/485/can bus/以太网/USB)
2) 开关量(TTL、电流环路、干接点、功率驱动)
3) 模拟量(4~20ma, 0~10ma,0~5V(平衡和非平衡信号))
4) LED显示:发光管、八字
5) 液晶显示器
6) 蜂鸣器
  处理核心主要有:
1) 8位单片机,主要就是51系列
2) 32位arm单片机,主要有atmel和三星系列
  51系列单片机现在看来,只能做一些简单的应用,说白了,这个芯片也就是做单一的一件事情,做多了,不如使用arm来做;还可以在arm上加一个操作系统,程序既可靠又容易编写。最近三星的arm受到追捧,价格便宜,以太网和USB的接口也有,周立功的开发系统便宜,作为学习ARM的产品来说,应该是最好的;作为工业级的控制,是不是合适,在网友中有不同的看法和争议。本公司使用atmel ARM91系列开发的1个室外使用的产品,在北京室外使用,没有任何的通风和加热的措施,从去年的5月份到现在,运行情况良好。已经有个成功应用的案例。 但对于初学者来说,应该从51着手,一方面,51还是入门级的芯片,作为初学者练手还是比较好的,可以将以上的概念走一遍;很多特殊的单片机也是在51的核的基础上增加了一些I/O和A/D、D/A;也为今后学习更高一级的单片机和ARM打下基础。再说了,哪个老板会将ARM级别的开发放在连51也没有学过的新手手中?在51上面去做复杂的并行扩展是没有必要的,比如,扩展I/O口和A/D、D/A等等,可以直接买带有A/D、D/A的单片机;或者直接使用ARM,它的I/O口线口多。可以使用I2C接口的芯片,扩展I/O口和A/D、D/A,以及SPI接口扩展LED显示,例如:MAX7219等芯片。市面上一些比较古老的书籍中还有一些并行扩展的例子,如:RAM、EPROM、A/D、D/A等,我觉得已经没有必要去看了,知道历史上有这些一回事就行了;这知识,是所有产品都具备的要素。所以要学,再具体应用。

第一课:51单片机最小系统

  实际上,51单片机核心外围电路是很简单的,一个单片机+一个看门狗+一个晶振+2个磁片电容;

1. 单片机:atmel的89C51系列、winbond的78E52系列,还有philips的系列,都差不多;现在有一些有ISP(在线下载的),就更好用了;

2. 看门狗:种类很多,我常用的有max691/ca1161和DS1832等,具体看个人习惯、芯片工作电压、封装等。Max系列和DS系列,还有IMP公司的,种类很多,一般只需要有最基本的功能就可以了;原来我使用max691,但是max691比较贵,因为它有电池切换功能,后来新设计电路板,就都采用ca1161了。很早以前的电路设计中,现在可能还有人使用,使用一个电阻和一个电容达成的上电复位电路;但是,这样的复位电路一个是不可靠,为什么不可靠,网络上能找得到专门论述复位电路的文章;更重要的是,51系列的单片机比较容易受到干扰;没有看门狗电路是不行的,当程序跑飞时,回不来了,死在那里。常规的做法是买一个专门的看门狗电路,完成复位电路和看门狗电路的功能。这些芯片的资料很容易在网络上找到,通常使用百度搜索就可以了;看见有PDF的字样,就点击下载;使用网际快车flashget下载也是最好的;这些资料通常是pdf格式的文件,所以,还需要一个pdf的阅读器。单片机和单片机抗干扰能力是不一样的。如果你的产品是工作在干扰比较大的环境,可以试试选用不同品牌的单片机;原来我在一个光电所,做YAG激光治疗机的控制部分,脉冲激光机的电源放电的时候,能量是很大的,在采取了所有能够想到的光电隔离等措施之后,还是不行;后来,选用了intel的8031,就可以了。小声的说:当时的philips的单片机抗干扰性能是最差的,可能跟Philips主要是用在民用领域有关。现在不知道怎么样了,有人知道的话告诉我。单片机的输入输出口线是最容易引进干扰的地方;在严重干扰的情况下,需要将所有的口线光电隔离。

3. 晶振:一般选用11.0592M,因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率;也可以使用36.864M,这个频率是1.8432M的20倍,看别人的电路板上用过,我也没有用到。这2种晶振很容易买到,价钱跟12M的一样。书上说,12M的晶振也能得到9600的波特率,但是,实际用的时候,会每隔一段时间就出错一次,好像累积误差一样,比较奇怪。即使你的单片机系统不使用RS232接口,也可以做一个Rs232,留着做测试,或者预留等等,没有坏处。除非你的单片机系统的口线不够用了。

4. 磁片电容:22pf~30pf,可以在有些书上找到什么晶振频率对应什么容量的磁片电容,但是,我都是随便拿来使用,反正在11.0592M下,都没有问题;如果你用到了更高的频率,最好还是找找资料看看。

  参见以下电路图:

  如果你的单片机系统没有工作,检查步骤如下:

1. 查看门狗的复位输出,可能的话在电路板上加一个LED,下拉,这样看起来就更方便;要是看门狗复位信号有,往下;

2. 查单片机,看看管脚有没有问题;一般编程器能够将程序写入,说明单片机是好的;最好手头上准备一个验证过的单片机,内部有一个简单的程序,比如,在某个口线上输出1个1秒占空比的方波等,可以使用万用表测量。

  加一句:设计产品时,要在关键的地方:电源、串口、看门狗的输出和输入、I/O口等加不同颜色的LED指示,便于调试;作为批量大的产品,可以去掉部分LED,一方面是降低成本、一方面是流程保密;

3. 再查磁片电容,有些瓷片电容质量不行,干脆换了;顺便说一下,换器件最好使用吸锡带,将焊盘内的锡吸干净,再将器件拔出,这样不会损伤焊盘内的过孔;再将新的瓷片电容焊接上去的时候,用万用表量量是好的再焊;

4. 最后只有换晶振了;切记要买好的晶振,有些品牌质量比较好。

5. 以上按照以上步骤检测时,将无关的外围芯片去掉;因为有一些是外围器件的故障导致单片机最小系统没有工作。

  第二课 基本的芯片和分立器件
2.1 简述
2.2 74系列
2.3 CD4000系列
2.4 光耦与光电管
2.5 三极管
2.6 电容电阻
2.7 固态继电器
2.8 继电器
2.9 变压器和三端稳压器
2.10 开关电源芯片
2.11 封装知识、芯片批号等
2.12 接插件
2.13 器件选购的知识

第二课 基本的芯片和分立器件
2.1 简述
  有必要对以下系列的芯片和分立器件进行介绍。除了单片机作为控制器的核心外,作为一个产品,由很多东西构成;所以,在讲系统之前,先将这些零零碎碎的东西一并交待。就好像一栋房子,有各种各样的构件组成,下面的这些东东就像砖瓦一样,没有不行。

2.2 74系列芯片

  74系列的芯片是古老的一族,大部分的芯片现在均已不用了,但是,实际上,在目前的系统中,还能看到一些芯片,有些芯片现在还在系统中使用,例如:

1、 7404 – 6个反相门

2、 7407 – 6个集电极开路门
  由于集电极开路门可以外接高电压,可以最高到DC30V,电流最大到39mA,通常我
用它驱动8字数码管和继电器等大电流的负载;开路门内部结构是达林顿管的,输出的逻辑是正的;
与其类似的芯片是7406,只不过是反相开路门。

3、 74LS573与74LS373 – 8 数据锁存器

引入几个概念:
1. 真值表

参见74LS373的PDF的第2页:
Dn LE OE On
H H L H
L H L L
X L L Qo
X X H Z

   这个就是真值表,表示这个芯片在输入和其它的情况下的输出情况。每个芯片的数据手册(datasheet)中都有真值表。布尔逻辑比较简单,在此不赘述;

2. 高阻态

  就是输出既不是高电平,也不是低电平,而是高阻抗的状态;在这种状态下,可以多个芯片并联输出;但是,这些芯片中只能有一个处于非高阻态状态,否则会将芯片烧毁;高阻态的概念在RS232和RS422通讯中还可以用到。

3. 数据锁存

当输入的数据消失时,在芯片的输出端,数据仍然保持;这个概念在并行数据扩展中经常使用到。

4. 数据缓冲

加强驱动能力。74LS244/74LS245/74LS373/74LS573都具备数据缓冲的能力。

OE:output_enable,输出使能;
LE:latch_enable,数据锁存使能,latch是锁存的意思;
Dn:第n路输入数据;
On:第n路输出数据;

再看这个真值表,意思如下:
第四行:当OE=1是,无论Dn、LE为何,输出端为高阻态;
第三行:当OE=0、LE=0时,输出端保持不变;
第二行第一行:当OE=0、LE=1时,输出端数据等于输入端数据;
结合下面的波形图,在实际应用的时候是这样做的:
a. OE=0;
b. 先将数据从单片机的口线上输出到Dn;
c. 再将LE从0->1->0
d. 这时,你所需要输出的数据就锁存在On上了,输入的数据在变化也影响不到输
出的数据了;实际上,单片机现在在忙着干别的事情,串行通信、扫描键盘……单片机的资源有限啊。在单片机按照RAM方式进行并行数据的扩展时,使用movx @dptr, A这条指令时,这些时序是由单片机来实现的。后面的表格中还有需要时间的参数,你不需要去管它,因为这些参数都是几十ns级别的,对于单片机在12M下的每个指令周期最小是1us的情况下,完全可以实现;如果是你自己来实现这个逻辑,类似的指令如下:

mov P0,A ;将数据输出到并行数据端口
clr LE
setb LE
clr LE ;上面三条指令完成LE的波形从0->1->0的变化

74ls573跟74LS373逻辑上完全一样,只不过是管脚定义不一样,数据输入和输出端各在一侧,PCB容易走线;所以大家都喜欢使用这个芯片。

4、 74LS244 – 数据缓冲器

数据输出能力比较强,输出电流可以到40mA以上; 4个缓冲器分成2组,具有高阻态控制端口

5、 74LS245 – 总线缓冲器

  双向数据接口,通常在ISA板卡上可以看到; 早期的51系统中,为了扩展RAM、eprom、A/D、D/A、I/O等经常可以看到这个片子; 为了增强驱动能力,有时是为了隔离输入和输出,主要是布线方便,象74LS573一样,输入、输出在一侧,经常用到这个片子

6、 74LS138 – 三-八译码器

  在早期的51系统的扩展中,作为地址选通的片子,可以经常看到。另外一个类似的芯片是74LS154,是4-16译码器,现在更是少见了。有兴趣的可以研究一下何立民的经典著作中的有关章节。知道有这么一个芯片就可以了。

2.3 CD4000系列

CD4000系列的芯片,除了跟74系列的电气特性有所区别外,例如:
1) 电压范围宽,应该可以工作在3V~15V,输入阻抗高,驱动能力差外,跟74系列
的功能基本没有区别;
2) 输入时,1/2工作电压以下为0,1/2工作电压以上为1;
3) 输出时,1=工作电压;0=0V
4) 驱动能力奇差,在设计时最多只能带1个TTL负载;
5) 如果加上拉电阻的话,至少要100K电阻;
6) 唯一现在使用的可能就是计数器,CD4060的计数器可以到14级二进制串行计数/分频器,这个74系列的做不到这么高;

2.4 ULN2003/ULN2008

  它的内部结构也是达林顿的,专门用来驱动继电器的芯片,甚至在芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。ULN2003的输出端允许通过IC 电流200mA,饱和压降VCE 约1V左右,耐压BVCEO 约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出,输出电流大,故可以直接驱动继电器或固体继电器(SSR)等外接控制器件,也可直接驱动低压灯泡。经常在工控的板卡中见到这个芯片。有个完全一样的型号:MC1413,不过现在好像不怎么见到这个型号了,但是管脚与2003完全兼容。ULN2003可以驱动7个继电器;ULN2008驱动8个继电器。

2.5 光耦

  光耦是做什么用的?光耦是用来隔离输入输出的,主要是隔离输入的信号。在各种应用中,往往有一些远距离的开关量信号需要传送到控制器,如果直接将这些信号接到单片机的I/O上,有以下的问题:

1) 信号不匹配,输入的信号可能是交流信号、高压信号、按键等干接点信号;
2) 比较长的连接线路容易引进干扰、雷击、感应电等,不经过隔离不可靠。
所以,需要光耦进行隔离,接入单片机系统。

常见的光耦有:
1) TLP521-1/ TLP521-2/ TLP521-4,分别是1个光耦、2个光耦和4个光耦,HP公司
和***的东芝公司生产。

  发光管的工作电流要在10mA时,具有较高的转换速率;在5V工作时,上拉电阻不小于5K,一般是10K;太小容易损坏光耦;

2) 4N25/4N35,motorola公司生产 , 隔离电压高达5000V;

3) 6N136,HP公司生产
  要想打开6N136,需要比较大的电流,大概在15~20mA左右,才能发挥高速传输数据
的作用。 如果对速率要求不高,其实TLP521-1也可以用,实际传输速率可以到19200波特率。

  选择光耦看使用场合,tlp521-1是最常用的,也便宜,大概0.7~1元; 要求隔离电压高的,选用4N25/4N35,大概在3元左右;
要求在通讯中高速传输数据的,选用6N136,大概在4元左右。

光耦应用的原理框图如下所示:
1. 输入干接点隔离

2. 输入TTL电平隔离


3. 输入交流信号隔离

4. 输出RS232信号隔离


5. 输出RS422信号隔离
光耦除了隔离数字量外,还可以用来隔离模拟量。将在今后的章节中描述。

2.6 三极管
2.7 光电管
2.8 电容
2.9 电阻
2.10 固态继电器
2.11 继电器
2.12 变压器与整流桥
2.13 三端稳压器
2.14 开关电源芯片
2.15 封装知识、芯片批号等
2.16 接插件
2.17 器件选购的知识


2.6 三极管
2.6.1 三极管的4种工作状态

1) 饱和导通状态

饱和导通=0

2) 截止状态饱和导通=1

3) 线性放大状态

作为低频放大器时使用,具体的可参见有关电子线路的书籍;4) 非线性工作状态

  在无线电通信系统中,作为混频器等使用。具体的可参见有关电子线路的书籍;愚记得南京工学院也就是现在的东南大学在80年代初期有一套《电子线路》5本,是电子专业的书籍,比较难懂;现在,即使是在电子专业的学生中,也应该降低了对三极管的哪些复杂的参数的要求了吧;在实际使用时,即使是模拟电路、非线性电路,也都是集成电路了,谁还使用三极管自己做呢?如果万一需要,现学也来得及。   这套书很强的。编写人在那个年代肯定都是牛人。学三极管这些参数很繁琐的,要是现在的非电子类的大学生或者大专生们还学这些玩意,我只能说是学校在误人子弟了。好多学校都在扩招,很多学生念了4年下来,学了一堆过时的理论,跟实际的东西一点没有接轨,不知道7407是干什么用得,不知道三极管的几个状态;我只能无话可说。所以,念了4年下来,跟企业的需求还有一段距离,还需要从头来过;聪明的学生赶紧抓住机会去学习,去实习,这样,还可以赶紧补上实际应用的这一课。

   言归正传。

参见下图:

   当单片机的口线输出电平为1时,三极管的be结导通,ce结导通,输出的电压值为0V;当单片机的口线输出电平为0时,三极管的be结不导通,ce结截止,输出的电压值为5V;在这种数字电路的应用中,相当于三极管是一个反相开路门。计算是否导通,公式如下:  

  I=B(放大倍数,希腊字母的贝塔)×Ibe 当Ice<I时,即为饱和导通;相差越大,饱和程度越深,Vce越小,三极管的输出内阻越小;这个概念要用到光电管中。

  设计使用时大概算算,心里有个数;在电路板上试试,行的通,那就是它了。可以测量Vce值,至少要小于0.1V就可以了。

  常用的PNP三极管是2N5551,驱动40mA的LED(电压在24V)、蜂鸣器等均没有问题。

2.6.2 三极管的具体应用

  实际上,已经有象7407、ULN2003可以取代三极管在数字电路中的作用;但是,有时是受到PCB面积的制约,有时是为了降低成本,有时是因为布局方便,在1~2个输出点时,还是可以使用三极管来做驱动的。

  例如:驱动一个蜂鸣器;往往系统中的蜂鸣器跟其它驱动设备,继电器等,距离较远;这时,没有必要使用一片7407,或者ULN2003来驱动;驱动的接口如下:


   Re:从51初学者到电子工程师(转帖)


2.7 光电管


  我这里所谓的光电管有2种:

1) 反射型光电管
2) 对射型光电管

这2种产品在市场上又可分为调理好的和没有调理好的;这2种光电管在电子产品世界和电子技术应用杂志上都有大量的广告。随便找一本

都有。我所说的调理好的指的是内部已经加了限流电阻和输出的放大驱动电路了。它的特点是只有3根线,电源2根,输出信号一根,TTL电平的;但是,有时受到某种限制,需要使用没有调理好的,怎么办呢?

参见下图:光电管原理框图

这种没有调理好的光电管在使用时,需要做一块小的电路板,在发光管加限流电阻,在光电三极管的集电极加上拉电阻到5V,如下图所示:光电管工作框图1。

但是,在使用中我发现,输出的信号不稳定,尤其是在使用比较长的电缆传输到单片机的时候;究其原因,我认为是由于反射或者对射的红外光落在光电三极管的靶面上,光强未能导致光电三极管深度饱和,使得输出的内阻偏大,环境的噪声和电缆的干扰信号容易在线路上叠加的缘故;

为了可靠工作,仿照达林顿管的结构,在光电三极管的输出端加一个限流电阻接到NPN的B结,当无光的时候,2N5551饱和导通,输出电压为0V;实际测量小于0.1V;当有光,甚至是弱光时,2N5551截至,输出电压为5V。将3K电阻换成更大或更小的电阻,可以调整光电三极管的输出的灵敏度。具体工作过程可以自行分析,做个实验。


2.8 电容

2.8.1 电容的主要种类

电容有以下几大类:

1) 电解电容
2) 独石电容
3) 磁片电容
4) 胆(左金右旦)电解电容
5) 涤纶电容等

电容的指标是:耐压值和电容容量。例如:220u/50V,就是说,这个电解电容耐压值为50V,容量为220u。电容的容量跟电容的介质有关。

顾名思义:

电解电容为电解质作为介质的,铝作为电极;

独石电容是使用石头作为介质的;

磁片电容是磁片作为介质的;胆(左金右旦)电解电容使用电解质作为介质,但是,电极采用胆(左金右旦)金属。 涤纶电容采用涤纶作为介质。有兴趣的网友可以拆一个电容看看。


2.8.2 电容的使用场合

1. 电源稳压和滤波

电解电容主要是用来稳压和低频交流滤波的;高频滤波是使用磁片电容和独石电容。 当电解电容作为稳压时,接在整流桥和三端稳压器的输出端,起到稳定电压的作用。其工作机理相当于一个水库,从上游来的带有波浪的水到了水库,就变的平滑了

但是,铝电解电容的电解质随着时间的推移会干涸,所以在设计时需要留有余量,保证系统正常工作到它的寿命。

有些远端供电的直流电源,接到电路板的输入端时,需要在电路板的电源输入端加一个大的电解电容,通常可以是220u/25V,这样,这块电路板需要供电时,不是直接从电源处取,而是从电容中取电,可以得到稳定的电流供给;

但是,电解电容只能滤除低频的波动;对于直流电源中的高频波动,可以加一个0.1u或0.01u的独石电容或者磁片电容。

很多教科书都指出,在每一个芯片的电源和地两端接一个0.1u或0.01u的独石电容或者瓷片电容,解决芯片的供电过程中,由于电路板的走线电感产生的电源开关噪声尖峰。这种作用下的电容叫去耦电容。这是电路板的常规的设计;

2. 定时参数

对于象555这样需要外接电容产生稳定的脉冲的器件,涤纶电容是首选。可以想象,涤纶一层又一层缠绕,受到温度变化引起的涤纶的面积的变化的相对值要远远小于独石电容的介质石头受到温度变化而引起的变化值。

3. 产生其它电压

有些需要从单一电压产生其它的电压的芯片,如:max232,需要外接电容才能实现
参见max232技术资料。
外接01.u的胆电容。

2.8.3 电容的封装

电容有直插和表面贴的不同封装。

电解电容表面贴封装的通常耐压值不超出25V,电容值不超出100u。再大,就只好使用直插的了。其它的电容,磁片和独石都有表面贴封装的。


2.9 电阻和电位器

2.9.1电阻的种类

2.9.1.1 普通电阻


电阻种类按照工艺可以分为碳膜电阻和金属膜电阻;
按照功率可以分为小功率电阻和大功率电阻,大功率电阻通常是金属电阻,实际上

应该是在金属外面加一个金属(铝材料)散热器,所以可以有10W以上的功率;在电子配套市场上专门卖电阻的市场上可以很容易地看到。

金属电阻通常是作为负载,或者作为小设备的室外加热器,如,在CCTV的一些解码器箱和全天候防护罩中可以看到。电阻在电路中起到限流、分压等作为。通常1/8W电阻已经完全可以满足使用。但是,在作为7段LED中,要考虑到LED的压降和供电电压之差,再考虑LED的最大电流,通常是20mA(超高亮度的LED),如果是2×6(2排6个串联),则电流是40mA。不同厂家选用不同材料的,压降有所不同。所以,需要加上电试一下,但是,不要让Led的电流超出20mA(单只LED),这时加大电流亮度也不会增加,但是LED的寿命会下降,限流电阻的大小就是压降除以电流。电阻的功率随之可以算出。

这个使用初中的知识就够用了。

2.9.1.2 电位器

电位器就是可调电阻。在初中学物理时,中学老师拿一个很大的圆筒状的东东,上有一个滑杆,跟这个东西很类似。

它的阻值在1~n之间变化。N=102、502、103…… 102=10*10的2次方,也就是1000欧姆,1K 同理,502=5K。

这种表示的方法跟电容是一样的。电容104=10*10的4次方pf,电容的基本单位是pf,1u=1000000pf,所以,104=100000pf=0.1u;

电位器又分单圈和多圈电位器。单圈的电位器通常为灰白色,面上有一个十字可调的旋纽,出厂前放在一个固定的位置上,不在2头;

多圈电位器通常为蓝色,调节的旋纽为一字,一字小改锥可调;多圈电位器又分成顶调和侧调2种,主要是电路板调试起来方便。
有些是仪器仪表设备,通常是模拟电路,有一些不确定的因素,需要调节才能达到
最理想的效果;有些是设备本身就需要输出一个可变的东东,如电压和电流,也需要一个电位器。

2.9.1.3 排电阻

是sip n的封装,比较常用的就是阻值502和103的9脚的电阻排;象sip9就是8个电阻封装在一起,8个电阻有一端连在一起,就是公共端,在排电阻上用一个小白点表示。排电阻通常为黑色,也有黄色;51系统的P0需要一个排电阻上拉,否则,作为输入的时候,不能正常读入数据;作为输出的时候,接7407是可以的,不需要上拉电阻;但是,接其它的芯片,还是不行。有兴趣可以看看51的P0的结构;没有兴趣,依葫芦画瓢,照做没错。

2.9.1.4 光敏电阻

当照在光敏电阻上的光强变化时,电阻值也在变化。显然这是半导体材料的特性。 使用光敏电阻可以检测光强的变化。

思考题1:

有一个LED显示设备,要求,当光强变化的时候,LED的亮度随着光强变化;光线越强,LED越亮;反之亦然。怎么使用单片机实现此项功能?可以是多级调光,如8级调光;也可以做成无级调光。

2.9.2 电阻的封装

电阻的封装有表面贴和轴向的封装。轴向封装有:axial0.4、axial0.6、axial0.8等等;axial在英语中就是轴的意思
表面贴电阻的封装最常用的就是0805;当然还有更大的;但是更大的电阻我想就不
是很常用了。

电位器的封装在protel的书种可以很方便地找到。但是如果直接使用,可能会有一些偏差。老树早期就犯过这种错误,导致电位器旁边的器件安装费劲。

搞硬件和软件是有所不同的,搞硬件的人,一定要精确。在硬件上的一个小的错误,都会造成这块板的推倒重来;因为产品是不能有飞线的

;而这个小小的错误相当于软件上的一条语句,在软件调试阶段悄悄改掉,可以神不知鬼不觉;在PCB上,特别恶心。而且谁都知道-老板最知道。

什么是精确呢?

1. 对你所要实现的工作的目标理解准确;

2. 对你的电路图要清楚每一个器件在其中所起的作用;如果不明白,可以找一个专家问问,得到确认;如果不清楚,可以先试试;

3. 对每一个器件的封装要严格把握,该是什么形状、外形一定要完全一致;还有考虑到空间是不是对其它的板卡器件有影响;对边缘连接器件与电路板的边缘之间的距离、ISA和PCI的边缘连接件与挡板之间的关系要完全把握才能去做电路板;否则只是浪费金钱和时间;对边缘器件与边缘之间的距离要是不能有把握的话,可以找3个人,每个人都计算一遍,取个平均值,基本上就差不多了。

4. 对单片机的资源能不能作成这件事情一定要有把握,CPU运算速度和字长、内存够不够大、程序存储器够不够大,需要仔细的规划;

5. 原理图经过专家认可无误后,画出来的PCB需要做网络检查,做到与原理图完全一致;


2.10 继电器、固态继电器

2.10.1 继电器

继电器,就是利用继电器的线包在加电后产生的磁力,将2个电极吸合在一起;初中还是高中的物理有它的原理。有兴趣可以打开一支看看,很好玩的。

继电器主要指标:

工作电压:工作电压有直流和交流的2种;在PCB上,通常是直流的;交流的继电器通常是AC24V的居多,当然,还有AC220V的

。交流的继电器国产的比进口的,比如,idec,OMRON,fujitsu便宜很多,当然,质量也差一些。

可以在百度上专门搜索一下继电器,上面有一些厂家产品的介绍。常用的小功率的继电器是national 的居多,OMRON也有,便宜一些,一盒50只。

常用的电压有:DC5V/DC9V/DC12V/DC24V等;

根据触点数量,可以分为:

单刀单掷/SPST

单刀双掷/SPDT

双刀双掷/DPDT

四刀双掷等/?

还要根据触点容量来分。

一般的都是DC30V/1A或者DC30V/2A,AC110V/0.2A,再大,就不能使用继电器了,因为在触点切换,电流通过的瞬间,会产生拉弧,烧毁触点,使得切换不可靠;这是,可以使用固态继电器。实际上,在PCB上的继电器的任务就是给出一个干接点信号,作为控制信号使用,传递的是一个信号,而不是能量。或者控制一个大功率的开关等,让大功率的开关去控制功率的传递;但是,后者也不如固态继电器来得方便。

继电器的封装通常是DIP16或者以上;也有更小的继电器,但是,价钱跟DIP16的差不多。

注意:DIP16的继电器只有8个管脚;所以设计封装时,不要图省事直接使用DIP16,这样容易在焊接的时候焊反了,导致出错。要专门设计继电器的封装,该有几个脚就使用几个脚。


2.10.2 固态继电器

固态继电器,说白了,就是使用发光管触发的过零触发的可控硅。 可以说,跟光耦很相似,也是4个管脚,只是区别在:

4) 直接使用直流电压控制;可以认为内部已经有了一个限流电阻;
5) 接收光信号的一端是过零触发的可控硅;

可以说是一个电子开关,无触点的继电器。

因为无触点,所以可以通过大电流而不产生拉弧,工作寿命与开关次数无关。触点作为信号使用的继电器的时间的工作寿命是100万次到300万次,可以查看技术手册;固态继电器可以认为是无限次的,所以在大电流和频繁开关的场合,使用固态继电器。固态继电器触点通过的信号通常是交流电压,但是也有直流电压的。

固态继电器可以通过AC220V或者AC380V以下的交流电;它的2个指标:

1) 工作电压,通常为DC5V和DC12V,也有DC24V的;
2) 工作电流:AC220V/1A/2A/4A不等。

2.12 线性电源:变压器、整流桥与三端稳压器

什么是线性电源?为什么叫线性?老树查了网络上的资料,也没有答案,只好等待高明教我。

  PCB上需要供电,就需要电源。电源分2种,一种是线性电源,象7805,就是线性电源;一种是开关电源,是将AC220V直接整流滤波成高压,推动功率管工作在100Khz以上,再整流滤波成低压。 线型电源需要工频变压器,将AC220V变换成低压,经过全桥的整流,和大电容的滤波,成为脉动的直流,再经过三端稳压器,输出直流电压。输出端还需要大的电解电容滤波。注意这时要选用足够大的电容容量和耐压值的电解电容。耐压值不够,你就等着听响吧。电容容量不够,整流输出的电压和输出的电压的压差不够,输出电压会有纹波,单片机系统工作不正常。通常电路板上需要的是DC5V,一般来说,现在的电路板,一片7805,再加散热片也基本够用了。功率越大,散热片也越大。

变压器有多种规格:

1、 普通E型矽钢片绕制的变压器,现在最大量的是广西普宁雄英出的变压器,通过了长城认证,质量是不错的,最大的好处是便宜,现货量大;通常的规格是单9V、12V,双9V、12V等;可能这个地方出矽钢片,有这样的矿藏。

2、 环型变压器,象个椭圆型;

3、 最近好像圆形的变压器也多起来了,后2种变压器应该是漏磁小、发热少、效率高,大功率的整流时使用,当然单位瓦数也贵啊,按照1元/W计算预算应该差不多了。这2种变压器都需要定制,可以定制各种规格的。

4、 焊在电路板上的变压器,比较有名的是兵字品牌。

怎么计算变压器需要多大的功率?

首先,计算功耗。比如:Dc5V/0.25A,也就是1.25W的功耗。 7805效率50%,变压器效率50%,就是说,需要6W的变压器。Dc5V/0.25A的输入压差大概在3V,6V的变压器整流出来的电压是大约6×1.4=8.4V,也差不多了。所有选用AC6V/6W的变压器。再到市场上找一个差不多的变压器用上就行了。

注意:电流越大,压差越大;在电路工作的时候,可以拿示波器看看电源的波形是不是平稳。

附:在网络上找到的一篇文章:

开关电源和线性电源的区别

  线性电源的调整管工作在放大状态,因而发热量大,效率低(35%左右),需要加体积庞大的散热片,而且还需要同样也是大体积的工频变压器,当要制作多组电压输出时变压器会更庞大。开关电源的调整管工作在饱和和截至状态,因而发热量小,效率高(75%以上)而且省掉了大体积的变压器。但开关电源输出的直流上面会叠加较大的纹波(50mV at 5V output typical),在输出端并接稳压二极管可以改善,另外由于开关管工作是会产生很大的尖峰脉冲干扰,也需要在电路中串连磁珠加以改善。相对而言线性电源就没有以上缺陷,它的纹波可以做的很小(5mV以下)。对于电源效率和安装体积有要求的地方用开关电源为佳,对于电磁干扰和电源纯净性有要求的地方(例如电容漏电检测)多选用线性电源。另外当电路中需要作隔离的时候现在多数用DC-DC来做对隔离部分供电(DC-DC从其工作原理上来说就是开关电源)。还有,开关电源中用到的高频变压器可能绕制起来比较麻烦。

2.14 开关电源芯片

相对于线性稳压器来说,开关电源在计算机主板上、工控机主板和各种各样的电路板上起着电压变换的作用。例如:将低电压,比如:电池转换成稳定的3.3V或者5V,或者将高电压转化成DC5V、DC3.3V,或者将DC5V转换成3.3V和1.8V硬件项目设计心得

1 充分了解各方的设计需求,确定合适的解决方案

  启动一个硬件开发项目,原始的推动力会来自于很多方面,比如市场的需要,基于整个系统架构的需要,应用软件部门的功能实现需要,提高系统某方面能力的需要等等,所以作为一个硬件系统的设计者,要主动的去了解各个方面的需并且综合起来,提出最合适的硬件解决方案。比如A项目的原始推动力来自于公司内部的一个高层软件小组,他们在实际当中发现原有的处理器板IP转发能力不能满足要求,从而对于系统的配置和使用都会造成很大的不便,所以他们提出了对新件的需求。根据这个目标,硬件方案中就针对性的选用了两个高性能网络处理器,然后还需要深入的和软件设计者交流,以确定内存大小,内部结构,对外接口和调试接口的数量及类型等等细节,比如软件人员喜欢将控制信令通路和数据通路完全分开来,这样在确定内部数据走向的时候要慎重考虑。项目开始之初是需要召开很多的讨论会议的,应该尽量邀请所有相 部门来参与,好处有三个,第一可以充分了解大家的需要,以免在系统设计上遗漏重要的功能,第二是可以让各个部门了,这个项目的情况,提早做好时间和人员上协作的准备,第三是从感情方面讲,在设计之初各个部门就参与了进来,这个项目就变成了大家共同的一个心血结晶,会得到大家的呵护和良好合作,对完成工作是很有帮助的。

2 原理图设计中要注意的问题

  原理图设计中要有“拿来主义”,现在的芯片厂家一般都可以提供参考设计的原理图,所以要尽量的借助这些资源,在充分理解参考设计的基础上,做一些自己的发挥。当主要的芯片选定以后,最关键的外围设计包括了电源,时钟和芯片间的互连。

  电源是保证硬件系统正常工作的基础,设计中要详细的分析:系统能够提供的电源输入;单板需要产生的电源输出;各个电源需要提供的电流大小;电源电路效率;各个电源能够允许的波动范围;整个电源系统需要的上电顺序等等。比如A项目中的网络处理器需要1.25V作为核心电压,要求精度在+5%- -3%之间,电流需要12A左右,根据这些要求,设计中采用5V的电源输入,利用Linear的开关电源控制器和IR的MOSFET搭建了合适的电源供应电路,精度要求决定了输出电容的ESR选择,并且为防止电流过大造成的电压跌落,加入了远端反馈的功能。

  时钟电路的实现要考虑到目标电路的抖动等要求,A项目中用到了GE的PHY器件,刚开始的时候使用一个内部带锁相环的零延时时钟分配芯片提供100MHz时钟,结果GE链路上出现了丢包,后来换成简单的时钟Buffer器件就解决了丢包问题,分析起来就是内部的锁相环引入了抖动。

  芯片之间的互连要保证数据的无误传输,在这方面,高速的差分信号线具有速率高,好布线,信号完整性好等特点,A项目中的多芯片间互连均采用了高速差分信号线,在调试和测试中没有出现问题。

3 PCB设计中要注意的问题

  PCB设计中要做到目的明确,对于重要的信号线要非常严格的要求布线的长度和处理地环路,而对于低速和不重要的信号线就可以放在稍低的布线优先级上。重要的部分包括:电源的分割;内存的时钟线,控制线和数据线的长度要求;高速差分线的布线等等。

  A项目中使用内存芯片实现了1G大小的DDR memory,针对这个部分的布线是非常关键的,要考虑到控制线和地址线的拓扑分布,数据线和时钟线的长度差别控制等方面,在实现的过程中,根据芯片的数据手册和实际的工作频率可以得出具体的布线规则要求,比如同一组内的数据线长度相差不能超过多少个mil,每个通路之间的长度相差不能超过多少个mil等等。当这些要求确定后就可以明确要求PCB设计人员来实现了,如果设计中所有的重要布线要求都明确了,可以转换成整体的布线约束,利用CAD中的自动布线工具软件来实现PCB设计,这也是在高速PCB设计中的一个发展趋势。

4 检查和调试

  当准备调试一块板的时候,一定要先认真的做好目视检查,检查在焊接的过程中是否有可见的短路和管脚搭锡等故障,检查是否有元器件型号放置错误,第一脚放置错误,漏装配等问题,然后用万用表测量各个电源到地的电阻,以检查是否有短路,这个好习惯可以避免贸然上电后损坏单板。调试的过程中要有平和的心态,遇见问题是非常正常的,要做的就是多做比较和分析,逐步的排除可能的原因,要坚信“凡事都是有办法解决的”和“问题出现一定有它的原因”,这样最后一定能调试成功。

5 一些总结的话

  现在从技术的角度来说,每个设计最终都可以做出来,但是一个项目的成功与否,不仅仅取决于技术上的实现,还与完成的时间,产品的质量,团队的配合密切相关,所以良好的团队协作,透明坦诚的项目沟通,精细周密的研发安排,充裕的物料和人员安排,这样才能保证一个项目的成功。

  一个好的硬件工程师实际上就是一个项目经理,他/她需要从外界交流获取对自己设计的需求,然后汇总,分析成具体的硬件实现。还要跟众多的芯片和方案供应商联系,从中挑选出合适的方案,当原理图完成后,他/她要组织同事来进行配合评审和检查,还要和CAD工程师一起工作来完成PCB的设计。与此同时,还要准备好BOM清单,开始采购和准备物料,联系加工厂家完成板的贴装。在调试的过程中他/她要组织好软件工程师来一起攻关调试,配合测试工程师一起解决测试中发现的问题,等到产品推出到现场,如果出现问题,还需要做到及时的支持。所以做一个硬件设计人员要锻炼出良好的沟通能力,面对压力的调节能力,同一时间处理多个事务的协调和决断能力和良好平和的心态等等。还有细心和认真,因为硬件设计上的一个小疏忽往往就会造成非常大的经济损失,比如以前碰到一块板在PCB设计完备出制造文件的时候误操作造成了电源层和地层连在了一起,PCB板制造完毕后又没有检查直接上生产线贴装,到测试的时候才发现短路问题,但是元器件已经都焊接到板上了,结果造成了几十万的损失。所以细心和认真的检查,负责任的测试,不懈的学习和积累,才能使得一个硬件设计人员持续不断的进步,而后术业有所小成。

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