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作者:张金

出版社:电子工业出版社

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电子工艺实践教程

电子工艺实践教程试读:

内 容 简 介

本书是作者在多年电子系统设计工程实践及教学基础上,以电子工艺、装配、调试技术为主,为电子工艺实训教学而编写的。本书内容包括安全用电、常用工具及材料、电子读图制图、焊接工艺、装配工艺、调试工艺、表面贴装工艺等,系统地介绍了电子工艺的基本常识。本书体系完整,内容充实,实例丰富,实用性强,叙述浅显易懂,可帮助高校学生掌握电子制作和设计的基本技能。

本书可作为培养应用电子方向技能型、实用型人才的操作用书,也可作为高等院校电子信息类、电气类等工科学生的专业教材,以及职业教育、技术培训和有关技术人员的参考书。前言Introduction

电子工艺实训是高等院校电类工科专业一门非常重要的实践课程,也是教育部“卓越工程师教育培养计划”中电子信息类课程群中的重要一环。特别是新世纪以来,信息技术的发展对具有创新性、实践性人才的需求越来越高,使得在工科学生的培养上必须加强实践环节,提高学生的动手能力、养成工程素质,为社会输送合格的应用型人才。

本书是根据多年的实践教学经验,结合电子工艺实训课程的教学特点而编写的,由陆军军官学院张金教授统稿,参与本书编写工作的还有陆军军官学院周生讲师、余凯平讲师、张锋讲师、岳伟甲讲师、韩玮讲师等。全书共8章,以电子设计与制作流程为主线,系统介绍电子工艺涉及的用电安全、常用工具及检测仪表的使用,模拟及数字电路读图训练,Altium Designer原理图及印制电路板图设计制作方法,手工焊接技术及实例,自动焊接工艺,电子产品装配工艺,检测调试工艺及实例等内容,最后还详细讨论了表面贴装工艺及其元器件的手工焊接方法。

在本书编写过程中,参考了大量相关专业教材和资料,无法一一列出,在此向有关作者表示衷心的感谢。

由于作者水平有限,特别是电子工艺技术和工程实践的飞速发展,使得纰漏、不妥之处在所难免,敬请读者批评指正,并欢迎与作者联系,JGXYZhangJin@163.com。编  者2015年9月 合肥第1章 电子工艺基础1.1 电子系统概述

系统是由两个以上各不相同且互相联系、互相制约的单元组成的,在给定环境下能够完成一定功能的综合体。这里所说的单元,可以是元器件、部件或子系统。一个系统又可能是另一个更大系统的子系统。1.1.1 电子系统基本类型

1.电子系统

通常将由电子元器件或部件组成的能够产生、传输、采集或处理电信号及信息的客观实体称为电子系统。例如,通信系统、雷达系统、计算机系统、电子测量系统、自动控制系统等。这些应用系统在功能与结构上具有高度的综合性、层次性和复杂性。当今电子产品的两大特点:产品的复杂性加深,根据Moore定律IC的复杂性,大约每6年增加10倍;产品的上市时间与市场寿命减小,竞争加剧,如图1.1所示。图1.1 电子产品上市时间与市场寿命减小

当前VCD与DVD播放机已成为大众化的家电产品。该产品看似普通然而它们也属于集多种高新技术的复杂系统,必须在VLSI微电子技术的基础上才能实现。DVD播放机的框图如图1.2所示。图1.2 DVD播放机系统框图

2.电子系统的基本类型

复杂电子系统结构层次关系如图1.3所示。图1.3 复杂电子系统结构层次

常用电子系统的基本类型如下。(1)模拟系统

模拟电路是构成各种电子系统的基础,模拟系统是将各类待处理物理量通过各种传感器转换为电信号,使电信号的电压、电流、相位、频率等参数与某物理量具有直接的对应关系。经过处理的电信号有的需要还原成模拟量,如电视系统将光信号转换成电信号,再将电信号转换成光信号;有的则转换成其他物理量,如测量温度的仪表将温度转换成电信号后经处理再转换成磁信号,通过指针表示温度值。模拟系统的主要优点:在整个处理过程中,电信号的有关参数始终与原始的物理量有着直接的对应关系——模拟关系。应该注意,不管是模拟系统,还是数字系统都要用到模拟电子电路,切不可将模拟系统与数字系统混为一谈,认为在某个领域中模拟系统将被取代,或是模拟电路将被数字电路取代。应当明确,模拟电子电路在各类电子信息系统中都有重要的作用。目前,模拟电路的设计有两种方法:人工设计与计算机辅助设计(CAD)。(2)数字系统

含有控制电路(或称控制器)和受控电路(或称数据处理器)的数字电路称为数字系统。已集成化为一片集成块的电路,尽管器件内部含有控制量和受控量部分,一般将其看成器件而不是数字系统。数字系统的规模大小不一,有的内部逻辑关系复杂,若直接对这样大的系统进行逻辑电路一级的设计是十分困难的,往往需要把较大规模的系统划分为若干较小规模的小型数字系统(或称子系统),再注意对各个小型数字系统进行逻辑电路级设计(逻辑电路级设计是指选用具体的集成器件并设计出正确的连接关系,以实现逻辑要求)。数字系统可分为两大类:同步数字系统和异步数字系统。目前异步数字系统还没有统一规范的设计方法,主要采用模块设计法——依靠经验,采用试凑的方法。异步教学系统设计方法还包括:寄存器传输语言RTL(Register Transfer Language)设计法、ASM(Algorithmic State Machine)图设计法、MDS(Menmonic Documented Stale)图设计法、MCU图设计法等。(3)模拟、数字混合系统

现代电子产品一般既有模拟电路部分,又包含数字电路部分,是典型的模拟、数字混合系统。(4)微处理器(单片机、嵌入式)系统

用微处理器构成的各类应用系统已深入到各个应用领域。单片机应用系统是指微处理器用于工业测量控制功能所必备的硬件结构系统。它包括微处理器(单片机)及其扩展电路、过程输入/输出通道、人机会话和接口电路等,如图1.4所示。图1.4 单片机应用系统

单片机及其扩展电路用于存储程序、数据并进行一系列运算处理。如微处理器内部组成不能满足系统要求时,尚有外部扩展程序存储器、数据存储器以及I/O等。

输入/输出通道包括模拟量输入/输出通道和开关量输入/输出通道两大部分。对模拟量信号的采集,需要经过模拟量输入通道的A/D转换器转换成数字信号,再通过接口送入微处理器进行加工处理、分析运算等。其结果通过模拟量输出通道的D/A转换器,转换为模拟量的输出控制,通常为伺服驱动控制。开关量输入/输出通道用来输入/输出开关量信号。

人机对话部分沟通操作者与系统之间的联系,通常由键盘、显示器、打印机等通过接口与单片机相连接。

通信接口实现系统与外界的数据交换,通常用串行标准接口RS-232C,随着技术的发展,通用串行总线USB接口和以太网络接口的应用也逐渐普及。(5)DSP(数字信号处理)系统

现代大型、复杂的电子系统一般总是上述5种类型或前4种类型的集成,而一些简单的系统,可能就是其中的某一种。以硬件实现的DSP系统的设计可在掌握DSP的理论和算法的前提下,借助数字系统的设计方法完成设计;以软件实现的DSP系统的设计可在掌握DSP的理论和算法的前提下,借助微型计算机系统的程序设计方法和硬件配置方法来完成;混合系统的设计可将模拟电子系统与数字电子系统的设计方法结合起来完成。从设计的角度来说,掌握了模拟电子系统、数字电子系统、微处理器系统的基本设计方法,就能够设计出现代复杂的电子系统。1.1.2 电子系统设计的基本内容与方法

设计是构思和创造以最佳方式将设想向现实转化的活动过程,一般是根据已经提出的技术设想,制定出具体明确并付诸实施的方案。在一定条件下,以当代先进技术满足社会需求为目标,寻求高效率、高质量完成设计的方法。

1.电子系统设计的基本内容

通常所说的电子系统设计,一般包括:拟定性能指标、电子系统的预设计、试验与修改设计等环节。分为:方案论证、初步设计、技术设计、试制与实验、设计定型五个阶段。衡量设计的标准:工作稳定可靠,能达到所要求的性能目标,并留有适当的余量;电路简单,成本低;所采用的元器件品种少,体积小,且货源充足便于生产、测试和维修。电子系统设计的基本内容如下。● 明确电子信息系统设计的技术条件(任务书)。● 选择电源的种类。● 确定负荷容量(功耗)。● 设计电路原理图、接线图、安装图、装配图。● 选择电子、电器元件以及执行元件,制定电子、电器元器件明细

表。● 画出电动机、执行元件、控制部件及检测元件总布局图。● 设计机箱、面板、印制电路板、接线板以及非标准电器和专用安

装零件。● 编写设计文档。

2.电子系统设计的一般方法

传统的电子系统设计一般是采用搭积木式的方法进行的,即由器件搭成电路板,由电路板搭成电子系统。系统常用的“积木块”是固定功能的标准集成电路,如运算放大器、74/54系列(TTL)、4000/4500系列(CMOS)芯片和一些具有固定功能的大规模集成电路。设计者根据需要选择合适的器件,由器件组成电路板,最后完成系统设计。传统的电子系统设计只能对电路板进行设计,通过设计电路板来实现系统功能。

20世纪90年代以后,EDA(电子设计自动化)技术的发展和普及给电子系统的设计带来了革命性的变化。在器件方面,微控制器、可编程逻辑器件等飞速发展。利用EDA工具,采用微控制器、可编程逻辑器件,正在成为电子系统设计的主流。

采用微控制器、可编程逻辑器件通过对器件内部的设计来实现系统功能,是一种基于芯片的设计方法。设计者可以根据需要定义器件的内部逻辑和引脚,将电路板设计的大部分工作放在芯片的设计中进行,通过对芯片设计实现电子系统的功能。灵活的内部功能块组合、引脚定义等,可大大减轻电路设计和电路板设计的工作量和难度,有效地增强设计的灵活性,提高工作效率。同时采用微控制器、可编程逻辑器件,设计人员在实验室可反复编程,修改错误,以尽快开发产品,迅速占领市场。基于芯片的设计可以减少芯片的数量,缩小系统体积,降低能源消耗,提高系统的性能和可靠性。

基于系统功能与结构上的层次性,电子系统设计的一般方法有:自顶向下(Top-Down)法,自底向上(Bottom-Up)法及自顶向下与自底向上相结合的设计方法,所谓顶是指系统的功能件,底是指最基本的元件、器件,甚至是版图。(1)自底向上法(Bottom-Up)

自底向上法是根据要实现的系统功能要求,首先从现有的可用的元件中选出合适的元件,设计成一个个部件,当一个部件不能直接实现系统的某个功能时,就需要设计由多个部件组成的子系统去实现该功能。上述过程一直进行到系统要求的全部功能都实现为止。设计步骤如图1.5所示。图1.5 自底向上法的设计步骤

该方法的优点是可以继承使用经过验证、成熟的部件与子系统,从而可以实现设计重用,减少设计的重复劳动,提高设计效率;缺点是设计过程中设计人员的思想受限于现成可用的元件,故不容易实现系统化、清晰易懂、可靠性高和维护性好的设计。该方法一般应用于小规模电子系统设计以及组装与测试。(2)自顶向下法(Top-Down)

该设计方法首先从系统级设计开始。系统级的设计任务是:根据原始设计指标或用户的需求,将系统的功能全面、准确地描述出来,即将系统的输入/输出(I/O)关系全面准确地描述出来,然后进行子系统级设计。具体地讲,就是根据系统级设计所描述的功能,将系统划分和定义为一个个适当的能够实现某一功能的相对独立的子系统。每个子系统的功能(即输入/输出关系)必须全面、准确地描述出来,子系统之间的联系也必须全面、准确地描述出来。例如,移动电话应有收信和发信的功能,就必须分别安排一个接收机子系统和一个发射机子系统,还必须安排一个微处理器作为内务管理和用户操作界面管理子系统,此外天线和电源等子系统也必不可少。子系统的划分定义和互连完成后从下级部件向上级去进行设计,即设计或选用一些部件去组成实现既定功能的子系统。部件级的设计完成后再进行最后的元件级设计,选用适当的元件去实现该部件的功能,设计步骤如图1.6所示。图1.6 自顶向下法设计步骤

自顶向下法是一种概念驱动的设计方法。该方法要求在整个设计过程中尽量运用概念(即抽象)去描述和分析设计对象,而不要过早地去考虑实现该设计的具体电路、元器件和工艺,以便抓住主要矛盾,避开具体细节,这样才能控制住设计的复杂性。整个设计在概念上的演化从顶层到底层应当由概括到展开,由粗略到精细。只有当整个设计在概念上得到了验证与优化后,才能考虑“采用什么电路、元器件和工艺去实现该设计”这类具体问题。此外,设计人员在运用该方法时还必须遵循下列原则。

①正确性和完备性原则;②模块化,结构化原则;③问题不下放原则;④高层主导原则;⑤直观性、清晰性原则。

采用“Top-Down”(自顶向下)设计方法必须注意以下问题。

①在设计的每一个层次中,必须保证所完成的设计能实现所要求的功能和技术指标。注意功能上不能够有残缺,技术指标要留有余地。

②注意设计过程中问题的反馈。解决问题采用“本层解决,下层向上层反馈”的原则,遇到问题必须在本层解决,不可以将问题传向下层。如果在本层解决不了,必须将问题反馈到上层,在上层中解决。完成一个设计,存在从下层向上层多次反馈修改的过程。

③功能和技术指标的实现采用子系统、部件模块化设计。要保证每个子系统、部件都可以完成明确的功能,达到确定的技术指标。输入/输出信号关系应明确、直观、清晰。应保证可以对子系统、部件进行修改与调整以及替换,而不牵一发动全身。

④软件/硬件协同审计,充分利用微控制器和可编程逻辑器件的可编程功能,在软件与硬件利用之间寻找一个平衡。软件/硬件协同设计的一般流程如图1.7所示。图1.7 软件/硬件协同设计的一般流程(3)以自顶向下法为主导,并结合使用自底向上法(TD&BU Combined)

近代的电子信息系统设计中,为实现设计可重复使用,以及对系统进行模块化测试,通常采用以自顶向下法为主导,并结合使用自底向上法。这种方法既能保证实现系统化、清晰易懂以及可靠性高、可维护性好的设计,又能减少设计的重复劳动提高设计效率。这对于以IP核为基础的VLSI片上系统的设计特别重要,因此得到普遍采用。

进行一项大型的、复杂的系统设计,实际上是一个自顶向下的过程,是一个上下多次反复进行修改的过程。

由于现代电子系统所采用的技术越来越先进,功能越来越强,结构越来越复杂,用传统的手工设计方法是无法设计的,也不能满足越来越短的研制周期要求,只有采用先进的EDA工具才能完成设计任务。设计者必须具备坚实的电路与系统的理论知识,对模拟、数字、微处理器和DSP的工程设计均要熟悉,还要熟悉使用EDA工具设计电子信息系统的流程。另外,EDA工具必须配有丰富的库(元器件图形符号库、元器件模型库、工艺参数库、标准单元库、可重用的电路模块库、IP库等),才有高的设计功能与效率以及具体工艺实现的可行性(由设计文档变成产品)。

电子系统设计方法如图1.8所示,一般称之为电子系统设计的Y图。图1.8 电子系统设计Y图(4)设计的划分与步骤

采用“Bottom-Up”(自底向上)设计方法或“Top-Down”(自顶向下)设计方法,一般都可以将整个设计划分为系统级设计、子系统级设计、部件级设计、元器件级设计4个层次,如图1.9所示。对于每一个层次都可以采用如下3步进行考虑。图1.9 设计的层次划分

第1步:行为描述与设计。将设计要求变为技术性能指标与功能的描述。

第2步:结构描述与设计。实现技术性能指标与功能的子系统、部件或元器件,以及相互连接关系、输入/输出信号、接口等。

第3步:物理描述与设计。实现结构的材料、元器件、工艺、加工方法、设备等。

例如,设计一个数字控制系统,行为描述与设计完成传递函数和逻辑表达式,结构描述与设计完成逻辑图和电路图,物理描述与设计确定使用的元器件、印制电路板的设计、安装方法等。1.2 电子制作概述1.2.1 电子制作基本概念

电子制作是一个电子系统设计理论物化的过程,其主要体现在用中小规模集成电路、分立元件等组装成一种或多种功能的装置。电子制作是一种创新思维,除了一般学习之外,它能够体现出制作者自身的特点和个性,不是简单的模仿。电子制作可以检验综合应用电子技术相关知识的能力,它涉及电物理基本定律、电路理论、模拟电子技术、数字电子技术、机械结构、工艺、计算机应用、传感器技术、电机、测试与显示技术等内容。实践证明,许多发明、创造都是在制作过程中产生的。电子制作的目的是学习、创新,最终产品化和市场化,产生经济效益。1.2.2 电子制作基本流程

电子制作通常又称为电子系统传统手工设计方法,在没有EDA工具的条件下,或者作为学习或训练的目的仅做一些简单系统的练习,可采用传统的手工设计方法完成。电子制作的基本流程如图1.10所示。图1.10 电子制作的基本流程

简要说明如下。(1)审题

通过审题对给定任务或设计课题进行具体分析,明确所设计的系统的功能、性能、技术指标及要求,这是保证所做的设计不偏题、不漏题的先决条件。为此就要求学生与命题老师进行充分交流,务必弄清系统的设计任务要求。在真实的工程设计中,如果发生了偏题与漏题,用户将拒绝接受设计者的设计,设计者还要承担巨大的经济责任甚至法律责任;如果该设计是一次毕业设计训练,那么设计者将失去毕业设计成绩。所以审题这一步,事关重大,务必走稳、走好。(2)方案选择与可行性论证

把系统所要实现的功能分配给若干个单元电路,并画出一个能表示各单元功能的整机原理框图。这项工作要综合运用所学知识,并同时查阅有关参考资料,要敢于创新、敢于采用新技术,不断完善所提的方案;应提出几种不同的方案,对它们的可行性进行论证,即从完成的功能的齐全程度、性能和技术指标的高低程序、经济性、技术的先进性以及完成的进度等方面进行比较,最后选择一个较适中的方案。(3)单元电路的设计、参数计算和元器件选样

在确定总体方案、画出详细框图之后,便可进行单元电路设计。

①根据设计要求和总体方案的原理框图,确定对各单元电路的设计要求,必要时应拟定主要单元电路的性能指标。应注意各个单元电路之间的相互配合,尽量少用或不用电平转换之类的接口电路,以简化电路结构、降低成本。

②拟定各单元电路的要求后,检查无误后方可按一定顺序分别设计每一个单元电路。

③设计单元电路的结构形式。一般情况下,应查阅有关资料,从而找到适用的参考电路,也可从几个电路综合得出所需要的电路。

④选择单元电路的元器件。根据设计要求,调整元件,估算参数。

显然这一步工作需要有扎实的电子电路和数字电路的知识及清晰的物理概念。(4)计算参数

在电子系统设计过程中,常需要计算一些参数。如设计积分电路时,需计算电阻值和电容值,还要估算集成电路的开环电压放大倍数、差模输入电阻、转换速率、输入偏置电流、输入失调电压和输入失调电流及温漂,最后根据计算结果选择元器件。

计算参数的具体方法,主要在于正确运用已学过的分析方法,搞清电路原理,灵活运用公式进行计算。一般情况下,计算参数应注意以下几点。

①各元器件的工作电压、电流、频率和功耗等应在标称值允许范围内,并留有适当裕量,以保证电路在规定的条件下能正常工作,达到所要求的性能指标。

②对于环境温度、交流电网电压变化等工作条件,计算参数时应按最不利的情况考虑。

③涉及元器件的极限参数(如整流桥的耐压)时,必须留有足够的裕量,一般按1.5倍左右考虑。例如,如果实际电路中三极管Uce的最大值为20V,挑选三极管时应按大于或等于30V考虑。

④电阻值尽可能选在1MΩ范围内,最大不超过10MΩ,其数值应在常用电阻标称值之内,并根据具体情况正确选择电阻的品种。

⑤非电解电容尽可能在100pF~0.1μF范围内选择,其数值应在常用电容器标称值系列之内,并根据具体情况正确选择电容器的品种。

⑥在保证电路性能的前提下,尽可能降低成本,减少元器件品种,减少元器件的功耗和体积,为安装调试创造有利条件。

⑦应把计算确定的各参数标在电路图的恰当位置。

⑧电子系统设计应尽可能选用中、大规模集成电路,但晶体管电路设计仍是最基本的方法,具有不可代替的作用。

⑨单元电路的输入电阻和输出电阻。应根据信号源的要求确定前置级电路的输入电阻,或用射极跟随器实现信号源与后级电路的阻抗匹配和转换,也可考虑选用场效管电路或采用晶体管自举电路。

⑩放大级数。设备的总增益是确定放大级数的基本依据。可考虑采用运算放大器实现放大级数。在具体选定级数时,应留有15%~20%的增益裕量,以避免实现时可能造成增益不足的问题。除前置级外,放大级一般选用共发射级组态。

⑪级间耦合方式。级间耦合方式通常由信号、频率和功率增益要求而定。对低频特性要求很高的场合,可考虑直接耦合,一般小信号放大级之间采用阻容耦合,功放级与推动级或功放级与负载级之间一般采用变压器耦合,以获得较高的功率增益和阻抗匹配。

⑫为了降低噪声,ICQ可选得低些,选β小的管子。后级放大器,因输入信号幅值较大,工作点可适当高一些,同时选β较大的管子。工作点的选定以信号不失真为宜。工作点偏低会产生截止失真;工作点偏高,会产生饱和失真。

实践经验告诉我们,由于诸多因素的影响,在参数计算过程中,本着“定性分析、定量估算、实验调整”的方法是切合实际的,也是行之有效的。(5)组装与调试

设计结果的正确性需要验证,但手工设计无法实现自动验证。虽然也可以在纸面上进行手工验证,但由于人工管理复杂性的能力有限再加上人工计算时多用近似值,设计中使用的器件参数与实际使用的器件参数不一致等因素,使得设计中总是不可避免地存在误差甚至错误,因而不能保证最终的设计是完全正确的。这就需要将设计的系统在面包板上进行组装,并用仪器进行测试,发现问题时随时修改,直到所要求的功能和性能指标全部符合要求为止。一个未经验证的设计总是有这样或那样的问题和错误,通过组装与调试对设计进行验证与修改、完善是传统手工设计法不可缺少的一个步骤。(6)印制电路板的设计与制作

具有印制电路的绝缘底板称为印制电路板,简称印制板。

印制电路板在电子产品中通常有三种作用:作为电路中元件和器件的支撑件;提供电路元件和器件之间的电气连接;通过标记符号把安装在印制板上面的元件和器件标注出来,给人以一目了然的感觉,这样有助于元件和器件的插装和电气维修,同时大大减少了接线数量和接线错误。

印制板有单面印制板(绝缘基板的一面有印制电路)、双面印制板(绝缘基板的两面有印制电路)、多层印制板(在绝缘基板上制成三层以上印制电路)和软印制板(绝缘基板是软的层状塑料或其他质软的绝缘材料),一般电子产品使用单面和双面印制板。在导线的密度较大,单面板容纳不下所有的导线时使用双面板。双面板布线容易,但制作较难、成本较高,所以从经济角度考虑尽可能采用单面印制板。(7)元件焊接与整机装备调试

电子产品的焊接装配是在元器件加工整形,导线加工处理之后进行的,装配也是制作产品的重要环节。要求焊点牢固、配线合理、电气连接良好、外表美观,保证焊接与装配的工艺质量。(8)编写设计文档与总结报告

正如前面所指出的,从设计的第一步开始就要编写文档。文档的组织应符合系统化、层次化和结构化的要求;文档的文句应条理分明、简洁、明白;文档所用的单位、符号以及文档的图纸均应符合国家标准。可见。要编写出一个合乎规范的文档并不是一件容易的事,初学者应先从一些简单系统的设计入手,进行编写文档的训练。文档的具体内容与上面所列的设计步骤是相呼应的,如下。

①系统的设计要求与技术指标的确定。

②方案选择与可行性论证。

③单元电路的设计、参数计算和元器件选择。

④列出参考资料目录。

总结报告是在组装与调试结束之后开始撰写的,是整个设计工作的总结,其内容包括。

①设计工作的日志。

②原始设计修改部分的说明。

③实际电路图、实物布置图、实用程序清单等。

④功能与指标测试结果(含使用的测试仪器型号与规格)。

⑤系统的操作使用说明。

⑥存在问题及改进方向。

以上介绍的是电子系统生产厂家在进行电子产品制作过程中所包含的内容。对于初学者来说,则不必考虑那么多,通常只要挑选出需要的电路进行安装调试就可以了。介绍的主要目的是通过电子系统制作,提高电子学理论水平和实际动手能力,更深刻地理解电子学原理,熟悉各种类型的单元电路,掌握各种电子元器件的特点,深入了解电路在不同上作状态下的特性,逐步学习更多、更新的知识,掌握电子产品制作知识和技能,为上岗工作打下良好基础。1.3 电子工艺概述

电子产品的种类繁多,主要分为电子材料、元件、器件、配件、整机和系统。各种电子材料和元器件是构成配件和整机的基本单元,配件和整机又是组成电子系统的基本单元。任何电子产品从原材料进厂,到加工、制造、检验的每一个环节,直到成品出厂,都要按照特定的工艺规程去生产。

工艺是劳动者利用生产工具对各种原材料、半成品进行加工和处理,改变它们的几何形状、外形尺寸、表面状态、内部组织、物理和化学性能以及相互关系,最后使之成为预期产品的方法及过程。

工艺工作是对时间、速度、能源、方法、程序、生产手段、工作环境、组织机构、劳动管理、质量监控等生产因素科学研究的总结。工艺工作的内容又可分为工艺技术和工艺管理两大类。工艺技术是人类在劳动中逐渐积累起来并经过总结的操作技术经验,它是应用科学、生产实践及劳动技能的总和。工艺管理是从系统的观点出发,对产品制造过程的各项工艺技术活动进行规划、组织、协调、控制及监督,以实现安全、优质、高产、低消耗的既定目标。

电子工艺技术的发展经历了五个时代。

第一代:电子管—底座框架式时代(1950—1959)。

第二代:晶体管—通孔插装(THT)时代(1960—1969)。

第三代:集成电路—通孔插装时代(1970—1979)。

第四代:大规模集成电路—表面安装(SMT)时代(1980—1984)。

第五代:超大规模集成电路—多层复合贴装(MPT)时代(1985—今)。

通过电子工艺的学习和实践,应具备以下能力素质。

①焊:掌握电子元件的焊接、拆焊技术。

②选:能够熟练进行元器件识别、性能简易测试、筛选。

③装:具备电子电路和电子产品装配能力。

④调:具备电子电路与电子小产品调试能力。

⑤测:会正确使用电子仪器测量电参数。

⑥读:具备电子电路读图能力。

⑦编:会编写简单控制程序,驱动硬件完成预定功能。

⑧写:培养编写实习报告的能力。

⑨校:具备电子产品质量检验的能力。1.4 安全用电

生存、安全、精神是人类三大需求,电具有双重性,安全用电是现代人的基本素养。电气安全主要包括人身安全和设备安全两个方面。人身安全是指在从事工作和电气设备操作使用过程中人员的安全,设备安全是指电气设备及有关其他设备、建筑的安全。1.4.1 触电危害

人体触及带电体时,有电流流过人体就是触电,触电对人体的危害主要有电击和电伤两种。

1.电击

电击是指电流通过人体内部,影响呼吸、心脏和神经系统,造成人体内部组织的损坏乃至死亡,即其对人体的危害是体内的、致命的。它对人体的伤害程度与通过人体的电流大小、通电时间、电流途径及电流性质有关。

2.电伤

电伤是指由于电流的热效应、化学效应或机械效应对人体所造成的危害、包括烧伤、电烙伤、皮肤金属化等。它对人体的危害一般是体表的、非致命的。(1)烧伤

烧伤是指由于电流的热效应而灼伤人体皮肤、皮下组织、肌肉,甚至神经等。其表现形式是发红、起泡、烧焦、坏死等。(2)电烙伤

电烙伤是指由于电流的机械效应或化学效应,而造成人体触电部位的外部伤痕,如皮肤表面的肿块等。(3)皮肤金属化

皮肤金属化是指由于电流的化学效应,使得触电点的皮肤变为带电金属体的颜色。1.4.2 安全电压

安全电压是指在一定的皮肤电阻下,人体不会受到电击时的最大电压。我国规定的安全电压有42V、36V、24V、12V、6V等几种。

安全电压并不是指在所有条件下均对人体不构成危害,它与人体电阻和环境因素有关。

人体电阻一般分为体内电阻和皮肤电阻。体内电阻基本上不受外界条件的影响,其值为500Ω左右。

皮肤电阻因人、因条件而异。干燥皮肤的电阻大约为100kΩ,但随着皮肤的潮湿,电阻值逐渐减小,可小到1kΩ以下。42V、36V是就人体的干燥皮肤而言的,在潮湿条件下,安全电压应为24V或12V,甚至6V。1.4.3 触电引起伤害的因素

触电对人体的伤害与多种因素有关,主要有电击强度、电流途径和电流的性质等。

1.电击强度

电击强度是指通过人体的电流与通电时间的乘积。1mA的电流可使人体产生电击的感觉。数毫安的电流可引起肌肉收缩、神经麻木。电疗仪及电子针灸仪是利用微弱电流对人体的刺激达到治疗的目的。十几毫安的电流可使肌肉剧烈收缩、痉挛、失去自控能力,无力使自己与带电体脱离。几十毫安的电流通过人体1s以上就可造成死亡。几百毫安的电流可以使人体严重烧伤,并立即停止呼吸。人体受到30mA·s以上的电击强度时,就会产生永久性的伤害。

2.电流途径

若电流不经过人体的脑、心、肺等重要部位,除了电击强度较大时会造成内部烧伤外,一般不会危及生命。若电流流经人体的心脏,则会引起心室颤动,较大的电流还会造成心脏停搏。若电流流经人体的脑部,则会使人昏迷,直至死亡。若电流流经人体的肺部,则会影响呼吸,使呼吸停止。

3.电流的性质

直流电不易使心脏颤动,人体忍受直流电击的电击强度要稍高一些。静电因随时间很快减弱,没有足够量的电荷,一般不会导致严重后果。高频(特别是高于20kHz)电流由于集肤效应,使得体内电流相对减弱,故对人体伤害较小。

40~300Hz的交流电对人体危害最大,当通过时间超过心脏脉动周期时,极易引起心室颤动而造成严重后果。其中工频(50Hz)信号人们接触最多,危害最大。1.4.4 触电原因

人体触电,主要原因有直接触电、间接触电和跨步电压引起的触电。直接触电又分为单相触电和双相触电两种。

1.直接触电(1)单相触电

单相触电是指人体的某一部分触及带电设备或电路中的某一相导体时,一相电流通过人体经大地回到中性点,人体承受相电压。绝大多数触电事故都属于这种形式,如图1.11所示。图1.11 单相触电(2)双相触电

双相触电是指人体两处同时触及两相带电体而发生的触电事故。这种形式的触电,加在人体的电压是电源的线电压(380V),电流将从一相经人体流入另一相导线,如图1.12所示。图1.12 双相触电

双相触电的危险性比单相触电高。

2.间接触电

间接触电是指电气设备已断开电源,但由于设备中高压大容量电容的存在而导致在接触设备某些部分时发生的触电。这类触电有一定的危险性,容易被忽视,因此要特别注意。

3.跨步电压引起的触电

故障设备附近(如电线断落在地上),或雷击电流经设备入地时,在接地点周围存在电场,人走进这一区域,两脚之间形成跨步电压就会引起的触电事故,如图1.13所示。图1.13 跨步电压引起的触电1.4.5 安全用电技术

1.三相电路的保护接零

电力系统的供电是将6kV以上的高压电经变压器降压后,送给工厂和用户使用。我国采用三相四线制供电,如图1.14所示。变压器负端中性点接地称为工作接地,从中性点引到用户的线称为工作零线。图1.14 三相电路保护接零

用电设备外壳与工作零线相接称为保护接零。其优点是当绝缘损坏,有一相线碰壳时,通过外壳设备使该相线与零线形成短路(即短路碰壳),利用短路时产生的大电流,促使电路保护装置断开(如熔断器断开),以消除触电的危险性。

必须注意零线不准接保险丝(即熔断器)。常用电子仪器、家用电器均采用交流单相220V供电,其中输电线一根为相线,一根为工作零线。

保护接零是指电器外壳要接地,即除相(火)线、工作零线外,还应有一根保护零线,如图1.15所示。图1.15 单相电路的保护接零

保护接零的措施是采用三芯接头。正确的接法是E接外壳,L接相线,N接工作零线。

必须注意不能把工作零线与保护零线接在一起,这样不仅不能起到保护作用,反而可能使外壳带电,当人体接触电器外壳时引起触电。

保护零线(地线)和工作零线相比,对地电压均为0V,但保护零线不能接熔断器,而工作零线可以接熔断器。

2.三相电路的保护接地

在没有中性点接地的三相三线制电力系统中,用电设备的外壳与大地连接起来称为保护接地,如图1.16所示。图1.16 保护接地原理图

当一相线碰壳而设备未接地时,人触及设备外壳要发生单相触电。当采用保护接地时,接地电阻远小于人体电阻。因此,当人体接触带电外壳时,由于接地电阻(Rb)远小于人体电阻(Rr),产生的大电流通过Rb到地,使电路保护装置动作,可避免人体的触电危险。

根据国家有关标准规定,接地电阻Rb≤4~10Ω。

3.漏电保护开关

漏电保护开关也称触电保护开关,是一种切断型保护安全技术,它比接地保护或接零保护更灵敏、更有效。漏电保护器有电压型和电流型两种,其工作原理基本相同,可把它看成一种具有检测电功能的灵敏继电器,如图1.17所示,当检测到漏电情况后,检测器JC控制开关S动作切断电源。图1.17 漏电保护开关示意图

典型的电流型漏电保护开关工作原理如图1.18所示。当电器正常工作时,检测线圈内流进与流出的电流大小相等,方向相反,线圈不感应信号,检测输出为零,开关闭合,电路正常工作。当电器发生漏电时,漏电流不通过零线。线圈内检测到的电流之和不为零,当检测到的不平衡电流达到一定数值时,通过放大器输出信号将开关切断。漏电保护开关的主要作用是防止人身触电,在某些条件下,也能起到防止电气火灾的作用。图1.18 电流型漏电保护开关

按照国家标准规定,电流型漏电保护开关电流与时间乘积(又称电击强度)小于或等于30mA·s。实际产品额定动作电流一般为30mA,动作时间为0.1s(乘积为3mA·s)。如果是在潮湿等恶劣环境,可以选用动作电流更小的规格。1.4.6 常见的不安全因素及防护

1.直接触及电源(1)电源线损坏

电源线大多数采用塑料导线。而塑料导线极容易被划伤或被电烙铁烫坏,使得绝缘塑料损坏,导致金属导线裸露。同时,随着使用时间的增加,塑料导线的老化较为严重,使得绝缘塑料开裂,手碰该处即会引起触电。(2)插头安装不合规格

塑料导线一般采用多股导线。在连接插头时,如果多股导线未绞合而外露,手抓插头容易引起触电。

2.错误使用设备

在仪器的调试或电路实验中,往往需要使用多种仪器组成所需电路。若不了解各种设备的电路接线情况,有可能将220V电源线引入表面上认为安全的地方,造成触电的危险。

3.金属外壳带电

金属外壳带电的主要原因有以下几种。

①电源线虚焊。由于电源线在焊接时造成虚焊,使得在运输、使用过程中开焊脱落,搭接在金属件上同外壳连通。

②工艺不良。电子设备或产品由于在制造时,工艺不过关,使得产品本身带有隐患,如金属压片固定电源线时,压片存在尖棱或毛刺,容易在压紧或振动时损坏电源线的绝缘层。

③接线螺钉松动造成电源线脱落。在一些电子设备中,电源线通过接线柱与电路连接,接线螺钉松动容易使得电源线脱落,造成仪器外壳带电。

④设备长期使用不检修,导线绝缘老化开裂,碰到外壳尖角处形成通路。电子仪器设备的电源线一般采用塑料导线,随着使用时间的增加,导线的绝缘层老化开裂,碰到外壳尖角处容易形成通路。

⑤错误接线。三芯接头中工作零线与保护零线短接。当工作零线与电源相线相接时,造成外壳直接接到电源相线上。

4.电容器放电

电容器是存储电荷的容器,由于其绝缘电阻很大,即漏电流很小,电源断开后,电能可能会存储相当长的时间。因此,在维修或使用旧电容器时,一定要注意防止触电。尤其是电压超过千伏或电压虽低,但容量为微法以上的电容器时要特别小心,使用或维修前一定要放电。1.4.7 安全常识

1.接通电源前的检查

电源线不合格最容易造成触电。因此,在接通电源前,一定要认真检查,做到四查而后插。即一查电源线有无损坏;二查插头有无外露金属或内部松动;三查电源线插头的两极间有无短路,同外壳有无通路;四查设备所需电压值与供电电压是否相符。检查方法是采用万用表进行测量。两芯插头的两个电极及它们之间的电阻均应为无穷大。三芯插头的外壳只能与接地极相接,其余均不通。

2.装焊操作安全规则

①不要惊吓正在操作的人员,不要在实验室争吵打闹。

②电烙铁头在没有确信脱离电源时,不能用手摸。

③电烙铁头上多余的焊锡不要乱甩,特别是往身后甩危险很大。

④电烙铁应远离易燃品。

⑤拆焊有弹性的元件时,不要离焊点太近,并使可能弹出焊锡的方向向外。

⑥插拔电烙铁等电器的电源插头时,要手拿插头,不要抓电源线。

⑦用螺丝刀拧紧螺钉时,另一只手不要握在螺丝刀刀口方向上。

⑧用剪线钳剪断短小导线时,要让导线飞出方向朝着工作台或空地,不可朝向人或设备。

⑨各种工具、设备要摆放合理、整齐,不要乱摆、乱放,以免发生事故。

⑩要注意文明实验、文明操作,不乱动仪器设备。第2章 常用工具及材料

电子制作常用的工具可划分为普通工具、焊接工具和检测调试工具三大类。2.1 普通工具2.1.1 螺钉旋具

螺钉旋具螺俗称改锥、起子,分为十字螺钉旋具和一字螺钉旋具。主要用于拧动螺钉及调整可调元件的可调部分,是电子产品装配和检修时的主要工具之一。电工用螺钉旋具有:50mm、75mm、100mm、150mm、200mm、250mm和300mm几种。十字螺钉旋具按照其头部旋动螺钉规格的不同分为:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ几个型号,分别用于旋动22.5mm、6~8mm、10~12mm的螺钉。如图2.1所示为手动螺钉旋具实物。图2.1 常用螺钉旋具实物

常用的机动螺钉旋具分为电动和风动两大类(分别称为电批和风批)。适合在大批量流水线上使用。自动螺钉旋具(活动螺丝刀)适用于旋动头部带槽的机螺钉和木螺钉。这种旋具有顺旋、倒旋和同旋三种动作,如图2.2所示。图2.2 自动螺钉旋具实物

螺帽旋具(螺帽起子、管拧子)适用于装拆外六角螺母或螺丝,比使用扳手效率高、省力,不易损坏螺母或螺钉。如图2.3所示为钟表螺钉旋具,主要用于小型或微型螺钉的装拆,有时也用于小型可调元件的调整。由于它通体为金属,使用时要特别注意安全用电。图2.3 钟表螺丝刀实物

无感螺丝刀用于电子产品中电感类组件磁芯的调整,一般采用塑料、有机玻璃等绝缘材料和非铁磁性物质做成。另外还有带试电笔的螺钉旋具。2.1.2 钳具

电工常用的钳具有钢丝钳、剪线钳、剥线钳、尖嘴钳等,其绝缘柄耐压应为1000V以上。

尖嘴钳主要用来夹小螺钉帽,绞合硬钢线,在焊接点上网绕导线、网绕元器件的引线,或者用于布线,其尖口用作剪断导线,还可用作元器件引脚成型,如图2.4所示。尖嘴钳按其长度分成不同的规格,一般可分为130mm、160mm、180mm和200mm四种,常用的是160mm塑柄尖嘴钳。在使用尖嘴钳时应注意不能用尖嘴钳装卸螺丝、螺母;用力夹持硬金属导线及其硬物,以避免钳嘴的损坏。图2.4 尖嘴钳

钢丝钳又称虎口钳、平口钳,主要作用与尖嘴钳基本相同,其铡口可用来铡切钢丝等硬金属丝,如图2.5所示。常用规格有150mm、175mm和200mm三种。带绝缘柄的钢丝钳可在带电的场合使用,工作电压一般为500V,有的则可耐压5000V。图2.5 钢丝钳

剪线钳又称斜口钳、偏口钳,用于剪细导线、元器件引脚或修剪焊接各多余的线头,还常用来代替一般剪刀剪切绝缘套管、尼龙扎线卡等,如图2.6所示。图2.6 剪线钳

剥线钳主要用来快速剥去导线外面塑料包线的工具,如图2.7所示。使用时要注意选好孔径,切勿使刀口剪伤内部的金属芯线,常用规格有140mm、180mm两种。其特点是使用效率高、剥线尺寸准确、不易损伤芯线。但剥线钳切剥导线端头的绝缘层时,切口不太整齐,操作也较费力,故在大批量的导线剥头时应使用导线剥头机。图2.7 剥线钳2.1.3 扳手

扳手有固定扳手、套筒扳手、活动扳手三类,是紧固或拆卸螺栓、螺母的常用工具。(1)固定扳手(呆扳子)

固定扳手适用于紧固或拆卸方形或六角形螺栓、螺母,如图2.8所示。图2.8 固定扳手(2)套筒扳手

套筒扳手适用于在装配位置很狭小、凹下很深的部位及不容许手柄有较大转动角度的场合下,紧固、拆卸六角螺栓或螺母,如图2.9所示。图2.9 套筒扳手(3)活动扳手

活动扳手的开口宽度可以调节,故能扳动一定尺寸范围的六角头或方头螺栓、螺母,如图2.10所示。图2.10 活动扳手及其扳动方向示意图2.1.4 其他五金工具(1)手锤(榔头)

在凿削和装拆机械零件等操作都必须使用手锤敲击。(2)锉刀

锉刀是钳工锉削使用的工具,如图2.11所示为整形锉。图2.11 整形锉(3)钻具

常用钻孔的工具有手摇钻、手电钻、台钻等。

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