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1、第4章 电子电路设计与制作,4.1 电子电路的设计概述 4.2 电子电路的设计实例 4.3 印制电路板的设计 4.4 印制电路板的制作 4.5 电子电路的调试与改进,4.1 电子电路的设计概述,4.1.1 整机电路的设计 在设计一个电子电路系统时，首先必须明确系统的设计任务，根据任务进行方案选择，然后对方案中的各部分进行单元电路的设计、参数计算和元器件选择，最后将各部分连接在一起，画出一个符合设计要求的完整系统电路图。 1.明确系统的设计要求 2.方案的选择 3.单元电路的设计、参数计算和元器件选择,4.1 电子电路的设计概述,(1)单元电路设计 每个单元电路设计前都需明确本单元电路的任务，详
2、细拟定出单元电路的性能指标，与前后级之间的关系，分析电路的组成方式，选择最佳电路形式。,图4-1 基本放大电路,4.1 电子电路的设计概述,(2) 参数计算 为保证单元电路达到功能指标要求，就需要对参数进行计算，例如放大电路中各电阻阻值、放大倍数；振荡器中电阻、电容、振荡频率等参数。 1)元器件的工作电流、电压、频率和功耗等参数应能满足电路指标的要求。 2)元器件的极限参数必须留有足够的余量，一般应大于额定值的一定倍数(一般取1.5倍)。 3)电阻和电容的参数应选计算值附近的标称值。,4.1 电子电路的设计概述,(3)元器件选择 在进行电子制作时要正确地选用电子元器件，了解元器件的特性、规格和
3、质量参数，熟悉它们的引脚排列。 4.电路图的绘制 1)布局合理、排列均匀、图面清晰，便于看图，利于对图的理解和阅读。 2)注意信号的流向，一般从输入端或信号源画起，由左至右或由上至下按信号的流向依次画出各单元电路，而反馈通路的信号流向则与此相反。 3)图形符号要标准，图中应加适当的标注。,4.1 电子电路的设计概述,4)连接线应为直线，并且交叉和折弯应最少。 5.电路方案试验 4.1.2 整机结构的设计 电子产品不仅要有良好的电气性能，还要有可靠的总体结构和牢固的机箱外壳，才能经受各种环境因素的考验，长期安全地使用。 1.外形尺寸 2.面板布局 3.确定箱体 4.内部结构,4.1 电子电路的设
4、计概述,1)设计印制电路板时，合理布置板上各元器件，使它们的位置符合机箱前、后面板的操作要求。 2)散热角度考虑，发热元器件在箱内上部或空气流动途径的出口处，或者在保证良好电气绝缘情况，以金属机箱壳为散热器。 3)高压元器件应放置在箱内不易接触的地方，并与金属箱体保持一定距离，以免高压放电。 4)印制电路板在机箱内的位置及其固定方式，不仅要考虑散热和防振，还要注意维修是否方便。 5)机箱内部要防潮，防锈蚀，还要防止振动。,4.2 电子电路的设计实例,4.2.1 设计要求 在科研、生产等一些领域都会用到直流稳压电源。 1)设计一个AC/DC电路，输出电压在12V上下可调。 2)当交流电压为220
5、V时，要求在额定负载(10)的输出纹波电压不大于5mV。 3)交流电源消耗：满载时不大于150mA，空载时不大于40mA。 4.2.2 方案的选择,4.2 电子电路的设计实例,设计AC/DC电路的实现方案有多种，如串联型直流稳压电源、开关直流稳压电源等，但它们的大体组成基本相同，而串联型直流稳压电源一般由交流电源滤波器、交流电压变换电路、整流电路、滤波电路、稳压电路等部分组成，框图如图42所示。,图4-2 串联型直流稳压电源框图,4.2 电子电路的设计实例,1.交流电源滤波器实现方式 2.交流电压变换电路实现方案 3.整流电路实现方式 4.滤波电路实现方式 5.稳压电路实现方式 4.2.3 设
6、计参数计算和元器件选择 1.交流电源滤波器,图4-3 交流电源滤波、电压变换和整流电路,4.2 电子电路的设计实例,2.交流电压变换电路和整流电路 ()变压器的参数 (2)桥式整流二极管的参数 3.滤波电路 (1)单电容滤波电路的电容容量 (2)有源电子滤波电路的元件参数 由于直流输出脉动较大，仅靠电容滤波是不够的，为使纹波较小，达到设计要求，往往需要再加一级有源电子滤波电路，来提高滤波效果，如图4-4所示。,4.2 电子电路的设计实例,图4-4 有源电子滤波电路,4.2 电子电路的设计实例,4.稳压电路,图4-5 串联型可调式稳压电路,4.2 电子电路的设计实例,4.2.4 电路图的绘制 根
7、据方案设计的各部分单元电路，绘制出本课题的整个电路图如图46所示。,图4-6 12V可调稳压电源,4.3 印制电路板的设计,4.3.1 印制电路板手工设计 1.印制电路板的布线形式 (1)弧线细条形 这种布线形式，除地线面积较大，其余均为任意形细弧线，适应于直接在敷铜板上用油漆等绘制走线。 (2)大面积直线形 这种布线形式，连线面积大，铜箔附着力强，线条均呈直线状，适应于刀刻法制作，用于简单电路。 (3)大面积接地形 这种布线形式，地线面积占整个印制电路板面积的80%以上，使接地铜箔真正起到地线作用。,4.3 印制电路板的设计,(4)直线细条形 这种布线形式，其连线为横平竖直，横线与竖线垂直，
8、线条转角处可用弧线，也可用45o 斜线连接，线条宽度则依据连线密度与电流大小而定，是目前印制电路板普遍采用的一种形式，非常整洁，美观。 2.设计印制电路板的基本原则 (1)印制电路板面积的确定方法 确定印制电路板面积大小时，首先应依据电路原理图中的单元电路的个数、元器件的多少、体积大小、分体机还是整机等诸因素进行综合考虑，在保证元器件装得下、紧凑的原则下，来决定印制电路板的面积与形状。,4.3 印制电路板的设计,(2)电子元器件的位置排列 根据电路的原理，确定电子元器件的总体排列顺序，一般首端为输入端，末端为输出端，或者高频电路向低频电路的顺序进行位置排列。 3.印制电路板线路的连接 4.元器
9、件字符的标注 5.排版草图的绘制,图4-7 排版草图绘制的步骤,4.3 印制电路板的设计,(1)穿线孔的设置 元器件的穿线孔决定了元器件的安装位置。 (2)导线的设置 在排版草图中除了要绘制元器件的穿线孔外，还要画出导线的连接和走向。,4.3 印制电路板的设计,图4-8 圆形接点的导线布置,4.3 印制电路板的设计,(3)印制电路板草图绘制时的注意事项 在绘制印制电路板草图时，应注意以下事项。 1)熟悉电路原理。 2)收集元器件资料。 3)确定固定件位置。 4)选择草图比例和草图纸张。 5)布线。 用另一张草图布线，待修改定型后再过渡到印制电路板草图上。,4.3 印制电路板的设计, 原理图把所
10、需布线的电路分成若干单元，估算各单元所占的面积，依据元器件间连接情况分别布线。 对于单元电路，优先考虑大尺寸元器件位置，而小元器件则“见缝插针”。先画圆盘(即焊接点)，后绘制其间连线。 在布线过程中，要根据元器件的排列松紧，连线密度及与其他单元的衔接等情况，进行反复调整，直到基本合理为止。 绘制出的印制电路板草图，应依照电路原理图进行核对，以防出差错或遗漏。,4.3 印制电路板的设计, 当单面印制电路板有连接线交叉时，应采用跨线、零欧电阻或元器件替代法来实现。为不影响美观，同一印制电路板中的跨线应尽量与电阻小型元件一致。绝缘跨线设在印制线一面，裸线则成 “”形置于元器件面的两跨接点之间。元器件
11、替代法，是将一个元器件的数值由两个元器件总值代替，其中一只元器件安装在跨接处。安装零欧电阻跨接，既简洁又不易被人察觉跨线的存在。可依据实际情况及身边材料，选其跨接方法。,4.3 印制电路板的设计, 对于地线布置。为降低因集肤效应产生的地线阻抗，高频电路接地面积应大。对于高增益、高灵敏度电路各单元的接地应集中同一点，即“一点接地法”。为防止输出电流在地线中的压降反馈到输入端而导致自激，前级接地点应为“低电位地”，后级接地点应为“高电位地”。偏置电流应从高电位地流向低电位地，否则将引入极大的噪声或自激。对于大电流流过的印制电路板地线，可用浸锡来减小电阻或用金属导线代替。地线面积大的有利于功率元器件
12、的散热。 4.3.2 印制电路板自动设计(简介),4.3 印制电路板的设计,印制电路板的自动设计从确定板的尺寸大小开始，印制电路板的尺寸因受机箱大小限制，以能恰好放入机箱为宜。 1.印制电路板自动设计的基本原则 1)印制电路中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“钻”、“绕”两种办法解决。 2)电阻、二极管、管状电容器等元器件有“立式”和“卧式”两种安装方式。 3)同一级电路的接地点应量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上。,4.3 印制电路板的设计,4)总地线必须严格按高频中频低频一级级地按弱电到强电的顺序排列，切不可随便乱接。 5)强电流引线(公共地线、功放电源引线
13、等)应尽可能宽些，以降低布线电阻及其电压降，减小寄生耦合而产生的自激。 6)阻抗高的走线尽量短，阻抗低的可以长一些，因为阻抗高的走线容易发射和吸收信号，引起电路不稳定。 2.印制电路板自动设计的基本要求 1)布线方向要求。,4.3 印制电路板的设计,2)各元器件排列、分布要合理和均匀，力求整齐、美观、结构严谨。 3)电位器的安放位置应当满足整机结构安装及面板布局的要求，因此应尽可能放在板的边缘，旋转柄朝外。 4)在使用IC座的场合下，一定要特别注意IC座上定位槽放置的方位是否正确，并注意各个IC脚位是否正确。 5)进出接线端布置。 6)要注意引脚排列顺序，元器件引脚间距要合理。 7)在保证电路
14、性能要求的前提下，设计时应力求走线合理，少用外接跨线，并按一定顺序要求走线。,4.3 印制电路板的设计,8)设计应按一定顺序方向进行，例如：可以按从左往右和由上而下的顺序进行。 9)导线的宽度决定了导线的电阻值，而在同样大的电流下，导线的电阻值又决定了导线两端的电压降。 3.印制电路板自动设计的基本步骤 (1)准备原理图和网络表 只有绘制完原理图并生成网络表之后，才可能将元器件和网络表载入CAD(Computer Aided Design)软件的PCB编辑器，从而进行电路板的设计。 (2)设置工作参数 工作参数的设置包括电路板类型的选择和工作层面的设定两大部分。,4.3 印制电路板的设计,(3
15、)设置环境参数 在PCB编辑器中开始绘制电路板之前，用户可以根据自己的习惯定制环境参数，包括栅格大小、光标捕捉区域的大小和米制/英制转换、工作层面颜色等。 (4)规划电路板 规划电路板包括以下内容。 1)电路板的选型：选择单面板、双面板或者多面板。 2)确定电路板的外形，包括设置电路板的形状、电气边界和物理边界等参数。 3)确定电路板与外界的接口形式，选择具体接插件的封装形式以及接插件的安装位置和电路板的安装方式等。,4.3 印制电路板的设计,(5)载入网络表和元器件封装 PCB编辑器中只有载入了网络表和元器件封装后才能开始绘制电路板，并且电路板的自动布线是根据网络表来进行的。 (6)元器件布
16、局 元器件布局应当从机械结构、散热、电磁干扰、将来布线的方便性等方面进行综合考虑。 (7)自动布线与手工调整 在CAD软件Protel 99SE中，采用SITUS拓扑算法，用户只需进行简单、直观的设置，自动布线器就会根据用户设置的设计法则和自动布线规则选择最佳的布线策略进行布线，使印制电路板的设计尽可能完美。,4.4 印制电路板的制作,4.4.1 手工制作印制电路板 手工制作印制电路板可分为复制印制电路板图、掩膜、腐蚀、钻孔、修板等过程，下面分别介绍。 1.复制印制电路板图 2.掩膜 (1)漆膜法 清漆一瓶、细毛笔一支、香蕉水一瓶。 (2)胶纸法 在已复制好电路图的敷铜板上用透明胶带贴满，如果有较大部位不需掩膜的也可不贴。 (3)喷漆法 找一张大小适中的投影胶片，按排版草图将需要掩膜的部分用刀刻去。,4.4 印制电路板的制作,3.腐蚀 1)在已掩膜的敷铜板上找一块较大面积的空白处，焊上一根约20cm长的焊锡丝，并在靠近铜箔的焊锡丝上涂上一层酒精松香液以防腐蚀。 2)将敷铜板和负极铁棒浸没在三氯化铁溶液中，并注意两者不要相碰短路。 3)将稳压电源的电压
