電子技術課程設計基礎(已改無錯字)

　　

【正文】 的一部分，這時可以通過擴展的方法（將幾片聯用或附加少量其他器件）組成要求的邏輯電路。 如果可用的中規模集成電路的品種有限，而這些器件的邏輯函數式又與要求產生的邏輯函數在形式上相差甚遠，就不宜采用這些器件來設計所需的邏輯電路了。 47 根據邏輯函數式對照比較的結果，即可確定所用的器件各輸入端應當接入變量或常量（ 1或 0），以及各片之間的連接方式。 最后，按照上面比較的結果，畫出設計的邏輯電路圖。 2. 時序邏輯電路的設計 在設計時序邏輯電路時，要求設計者根據給出的具體邏輯問題，求出實現這一邏輯功能的邏輯電路，所得到的設計結果力求簡單。 當選用小規模集成電路做設計時，電路最簡的標準是所用門電路的數目最少，而且門電路的輸入端數目也最少。對中、大規模集成電路，最簡的標準則是使用的集成電路數目最少、種類最少、相互之間的連線最少。設計同步時序邏輯電路的一般步驟如下： （ 1）邏輯抽象 把要求實現的時序邏輯功能表示為時序邏輯函數，可以用狀態轉換表的形式，也可用狀態轉換圖的形式，這就需要： 分析給定的邏輯問題，確 定輸入變量、輸出變量以及電路的 48 狀態數。通常都是取原因作為輸入邏輯變量，取結果作為輸出邏輯變量。 定義輸入輸出邏輯狀態和每個電路狀態的含義，并將電路狀態順序編號。 按照題意列出電路的狀態轉換表或畫出電路的狀態轉換圖。 （ 2）狀態化簡 若兩個電路狀態在相同的輸入下有相同的輸出，并且轉換到同一個次態去，則稱這兩個狀態為等價狀態，等價狀態是重復的，可以合并為一個。狀態化簡的目的就在于將等價狀態合并，以求得最簡的狀態轉換圖。 （ 3）狀態分配 狀態分配又稱為狀態編碼，時序邏輯電路的狀態是用觸發器狀態的不同組合來 表示的。首先，需要確定觸發器的數目 n ，因為 n個觸發器共有 2n種狀態組合，所以為獲得時序電路所需的 M個狀態，必須取 2n1＜ M≤ 2n。其次，要給每個電路狀態規定對應的觸發器狀態組合，每組觸發器的狀態組合都是一組二值代碼，因此又將這項 49 工作稱為狀態編碼。 （ 4）確定觸發器的類型并求出電路的狀態方程、驅動方程和輸出方程 因為不同邏輯功能的觸發器驅動方式不同，所以用不同類型觸發器設計出來的電路也不一樣，在設計具體的電路前，必須選定觸發器的類型，同時還應考慮器件的供應情況，力求減少系統中使用的觸發器的種類。 （ 5）畫 邏輯圖 根據得到的方程式畫出邏輯圖。 （ 6）檢查 檢查設計的電路能否自啟動。 如果電路不能自啟動，則需要采取措施加以解決，一種方法是在電路開始工作時，通過預置數將電路的狀態置成有效狀態循環中的某一種，另一種方法是修改邏輯設計。 第三章 電子電路安裝技術 50 電子電路設計完畢后，需要進行電路安裝。電子電路的安裝技術與工藝在電子工程技術中占有十分重要的位置，不可輕視。安裝技術與工藝的優劣，不僅影響外觀質量，而且影響電子產品的性能、調試與維修，必須給予足夠的重視。 一、電子電路安裝布局的原則 按總體電路圖準 備好所需要的元器件后，如何把這些元器件按電路圖組裝起來，電路各部分應放在什么位置，是用一塊電路板組裝，還是用多塊電路板組裝，一塊板上電路元件又如何布置等等，都屬于電路安裝和布局問題。 電子電路安裝布局分電子裝置整體結構布局和電路板上元器件安裝布局兩種。 1. 整體結構布局 51 這是一個空間布局的問題。應從全局出發，決定電子裝置各部分的空間位置。例如，電源變壓器、電路板、執行機構、指示與顯示部分、操作部分以及其他部分等，在空間尺寸不受限制的場合，這些都比較好布局。但在空間尺寸受到限制且組成部分多而復雜的場合時 ，布局是十分艱難的，常常要對多個布局方案進行比較。 整體結構布局沒有固定的模式，只有一些應遵循的原則： （ 1）注意電子裝置的重心平衡與穩定。 為此，變壓器和大電容等比較重的器件應安裝在裝置的底部，以使重心降低。還應注意裝置前后、左右的重量平衡。 （ 2）注意發熱部件的通風散熱 。為此，大功率管應加裝散熱片，并布置在靠近裝置的外殼，要開鑿通風孔，必要時加裝小型排風扇。 （ 3）注意發熱部件的熱干擾。 為此，半導體器件、熱敏器件、電解電容等應盡可能遠離發熱部件。 （ 4）注意電磁干擾對電路正常工作的影響。 容易接受干擾的 52 元器 件（如高放大倍數的放大器的第一級）應盡可能遠離干擾源（如變壓器、高頻振蕩器、繼電器、接觸器等）。當遠離有困難時，應采取屏蔽措施（即將干擾源屏蔽或將易受干擾的元器件屏蔽起來）。此外，輸入級也應盡可能遠離輸出級。 （ 5）注意電路板的分塊與布置。 如果電路規模不大或電路規模雖大但安裝空間沒有限制，則盡可能采用一塊電路板，否則采用多塊電路板。分塊的原則是按電路功能分塊，不一定一塊電路一個功能，可以一塊電路有幾個功能。電路板的布置可以采用臥式或立式，這要視具體空間而定。不論采用哪一種，都應考慮到安裝、調試和檢修的方便。 此外，與指示和顯示有關的電路板最好是安裝在面板附近。 （ 6）注意連線的相互影響。 強電流線與弱電流線應分開走，輸入級的輸入線應與輸出級的輸出線分開走。 （ 7）操作按鈕、調節按鈕、指示器與顯示器都應安裝在裝置的面板上。 （ 8）注意安裝、調試和維修的方便，并盡可能注意整體布局 53 的美觀。 前面的七項布局原則是從技術角度出發提出來的。在盡量滿足這些原則的前提下，應特別注意安裝、調試和維修方便，以及整體美觀。否則就不是一個好的整體布局，甚至是一個無法實現的整體布局。 2. 電路板結構布局 在一塊板上按電路圖把元器件組裝 成電路，其組裝方式通常有兩種：插接方式和焊接方式。插接方式是在面包板上進行，電路元器件和連線均接插在面包板的孔中；而焊接方式是在印刷板上進行，電路元器件焊接在印刷板上，電路連線則為特制的印刷線。 不論是哪一種組裝方式，首先必須考慮元器件在電路板上的結構布局問題。布局的優劣不僅影響到電路板的走線、調試、維修以及外觀，也對電路板的電器性能有一定影響。 電路板結構布局沒有固定的模式，不同的人所進行的布局設計有不同的結果，但無論如何，以下的布局原則可以參考： 54 （ 1）首先布置主電路的集成塊和晶體管的位置。 安排的原則是 ，按主電路信號流向的順序布置各級的集成塊和晶體管。當芯片多，面板面積有限時，則布成一個“ U”字型，“ U”字型的口一般盡量靠近電路板的引出線處，以利于第一級的輸入線、末級的輸出線與電路板引出線之間的連線。此外，集成塊之間的距離（即空余面積）應視其周圍元器件的多少而定。 （ 2）安排其他電路元器件（如電阻、電容、二極管）的位置。其原則是，按級就近布置。即各級元器件圍繞各級的集成塊或晶體管布置。如果有發熱量較大的元器件，則應注意它與集成塊或晶體管之間的間距應足夠大。 （ 3）連線布置。 其原則是，第一級輸入線與末級的輸 出線，強電流線與弱電流線、高頻線與低頻線等應分開走，其間距應足夠大，避免相互干擾。 （ 4）合理布置接地線。 為避免各級電流通過地線時產生相互間的干擾，特別是末級電流通過地線對第一級的干擾，以及數字電路部分電流通過地線對模擬電路產生干擾，通常采用地線割裂法使 55 各級地線自成回路，然后再分別一點接地，如圖 31（ a）所示。換言之，各級的地是割裂的，不直接相連，然后再分別接到公共地線上。 圖 31 地線布置圖 （ a） 一點接地 （ b） 串聯接地 根據上 述一點接地的原則，布置地線時應注意如下幾點： 輸出級與輸入級不允許共用一條地線。 數字電路與模擬電路不允許共用一條地線。 輸入信號的“地”應就近接在輸入級的地線上。 輸出信號的“地”應接公共地，而不是輸出級的“地”。 各種高頻和低頻退耦電容的接“地”端應遠離第一級的地。 顯然，上述單點接地的方法可以完全消除各級之間通過地線產 56 生的相互影響，但接地方式比較麻煩，且接地線比較長，容易產生寄生振蕩。因此在印刷電路板的地線布置上常采用另一種地線布置方式，即串聯接地方式，如圖 31（ b）所示，各級的 地線直接相連后再接到公共地上。 在這種接地方式中，各級地線可就近相連，接地比較簡單，但因存在地線電阻（如圖中虛線所示），各級電流通過相應的地線電阻產生干擾電壓，影響各級的工作。為了盡量抑制這種干擾，常常采用加粗和縮短地線的方法，以減小地線電阻。 （ 5）電路板的布局還應注意美觀和檢修方便。 為此集成塊的安置方式應盡量一致，不要橫豎不一，電阻、電容等元器件也應如此。 二、元器件插接與焊接技術 前面已提到元器件在電路板上的組裝方式有插接和焊接兩種，現分別介紹如下。 57 1. 插接方式 （ 1）常用的兩種面包板結構 圖 32是兩種面包板正面結構圖。面包板是一個有許多小方孔的塑料板，每個小方孔內裝有供插接元器件引腳或導線的金屬簧片。因此，電路元器件和連線可以插入小孔中，組裝成任何要求的電路。 圖 32 面包板正面結構圖 58 （ a） 兩側各一條插孔 （ b） 兩側各二條插孔 圖 32（ a）畫出的面包板的結構為：板中間有一條無孔的槽，槽的兩邊各有 65 5 個插孔，縱向每邊 5 個孔為一組（ ABCDE 或FGHIJ），且 5 個孔中的金屬簧片是連通的，因此槽的兩邊有 65 組插孔。所有插孔之間的中心距離與集 成塊引腳間的中心距離（ ）相等。雙列直插式集成塊安裝在無孔的槽上，其引腳插于槽兩邊的插孔中，如圖 33 所示。由于每個引腳只占一個孔，因此，一組插孔中還有 4 個孔可作為該引腳與其他元器件連接的引出端，使接線十分方便。此外，面包板最外邊各有一條 11 5的小插孔（如圖中 X和 Y標記），每 5個孔是相通的。各組之間是否相通，各廠家產品不同，使用前要用萬用表測量一下。此兩條插孔一般可作為公共信號線、接地線和電源線的插接孔。圖中四角上的圓孔為面包板安裝孔。 圖 32（ b）所示的面包板和圖 32（ a）的不同之處在于最 外邊的插孔。前者為兩條 11 5的插孔，且每一條的孔是相通的，而后者為一條 11 5 的插孔，且只 5個組的孔是相通的。因此，前者每 59 一條插孔作公共信號線、地線和電源線時，提供的孔比較多，使用起來比較方便。另外，這種面包板的背面貼有一層泡沫塑料，用于防止靜電。 一塊面包板的面積是有限的，當電路規模比較大時，可用多塊面包板拼起來使用。 （ 2）插接技術 在面包板上插接元器件組裝電路前，同樣有個布局的問題，其布局的原則基本上同前述的電路板結構布局的原則，但有一個限制條件，這就是集成塊的位置不能隨意布置，必須插在面包板中間槽的兩邊，如圖 33 所示。 圖 33 雙列直插式集成塊插入面包板的方式 60 在面包板上組裝電路應注意以下幾點： 所有集成塊的插入方向要保持一致，以便于正確布線和查線。不能為了臨時走線方便或能縮短導線長度而把集成塊倒插。 對多次用過的集成塊的引腳，必須修理整齊，引腳不能彎曲，所有的引腳應稍向外偏，以使引腳與插孔接觸良好。 分立元件插接時，不用剪斷引線，以利于重復使用。為了防止裸露的導線及引腳短路，必須套上套管。 關于連線的插接。準備連線時，通常用 的單股硬導線（導線太細易接觸不良 ，太粗會損傷插孔）。根據布線要求確定連線長度，并剪好導線，剝去導線兩頭絕緣皮（剝去 6mm左右為宜），然后把導線兩頭彎成直角。把準備好的連線插入相應位置的插孔內。插接連線時，應用鑷子夾住導線后垂直插入或拔出插孔，不要用手插拔，以免把導線插彎。 連線要求貼緊面包板，不要留空隙。為了查線和美觀，連線應用不同的顏色（一般情況，正電源線用紅色，負電源線用藍色，地線用黑色，信號線用黃色），連線也應盡量采用橫平豎直的布線， 61 不準連線跨接在集成塊上，也不準導線重疊。一個插孔只準插一根線。 插孔允許通過的電流不能過大（ 500mA 以下），因此電流大的負載不能用插孔接線，必須改用其他接線方式。 用插接方式組裝電路的最大優點是：不用焊接，不用制印刷板，容易更改線路和器件，而且可以多次使用，使用方便，造價低廉，因此，在產品研制、開發過程中和課程設計中得到了廣泛的應用。但是插接方式最大的缺點是：插孔經多次使用后，其簧片會變松，彈性變差，容易造成接觸不良，而這種問題往往是很難查找的。所以應選購簧片質量好的面包板，對多次使用后的面包板應從背面揭開，取出彈性差的簧片，用鑷子加以調整，使彈性增強，以延長面包板的使用壽命。 2. 焊接方式 用焊接方式組裝電路的主要工作是在印刷電路板上焊接元器 62 件。這種方式不太適合在實驗教學中應用，因此，這里暫不予以介紹。 三、半導體器件引腳識別 半導體器件種類繁多，引腳數目與功能各異，初學者往往感到茫然，然而器件引腳的識別又是組裝電路所必須的知識。應學會準確地識別各種元器件的引腳，以免出錯而造成人為故障或事故。 準確識別器件的引腳，最可靠的方法還是查閱器件手冊。