电子工艺实习指导书.docx

电子工艺实习指导书高念富牟淑杰车焕石晓磊荆珂编写二O一五年十二月机电工程系目录1数字电压表设计与制作O1.I设计目的及任务O1.2 设计器件说明O1.3 3%位数字电压表工作原理31.4 3%位数字电压表的制作41.5 调试51.6 数字电压表性能的改良61.7 系统电路仿真92设计、制作电子计分器132.1 设计目的及任务132.2 设计使用器件133电子工艺实习安排13参考文献141数字电压表设计与制作2.3 设计目的及任务1 .了解数字电压表的测量原理；2 .掌握应用电路组成原理、电路参数计算方法；3 .掌握两项根本技能：利用Proteus软件进行电路仿真；利用Proteus软件或Protel软件绘制PCB电路幅员；练习焊接及调试技能。4 .训练和提高对电子线路的调试以及查排故障的能力。1.2设计器件说明数字电压表是对模拟电压值进行测量并通过数字形式显示实际电压值的一种数字仪表。根本原理是首先对模拟电压值进行A/D转换，得到数字量，然后驱动1.ED数码管，实现数据的数字显示输出。1.2.1 MC14433MC14433是MOTORO1.A公司生产的双积分型单片CMOS3½位A/D转换器。采用24脚双列直插式封装(DIP),具有自动调零，自动极性转换，输入阻抗高，外围元件少以及调试简单等优点。可用于数字面板表、数字三用表、数字温度计、数字秤及各种低速数据采集系统。MC14433的主要参数是：转换精度：读数的±0.05%±1输入阻抗：1000MC根本电压量程：1.999V和199.9mV静态功耗：8mW转换速率：310次/秒输出形式：经过多路调制的BCD码，并有多路调制选通脉冲输出工作电压范围：d4.5±8VMCI4433具有内部时钟发生器，使用时只需外接一只电阻R,(典型值R=470KQ),时钟频率随R的增加而下降。也可使用外部时钟，频率范围是50200KHz°MCl4433工作时，需要外接一正电压基准，基准电压值与量程有关，当量程为1.999V时，基准电压为2V；当量程为199.9mV时，基准电压为200mV0MCl4433的应用见数字电压表原理附图。MC14433的引脚排列如图1-1所示。图17MC14433的引脚排列如图图1-2CD4511的引脚排列如图表1-1引脚功能说明管脚功能功能描述1VAG模拟地；2VREF基准电压输入端；3Vx被测电压输入端；4、5、6RKR1CKCl外接积分元件量程为2V时：Cl=0.1F,Rl=470K量程20OmV时：Cl=0.1F,Rl=27K7、8Co1、C02外接失调补偿电容，典型值为0.1UF；9DU更新转换结果输出的控制端；10、11C1.KkC1.KO分别为时钟信号输入、输出端14EOC转换周期结束标志输出15/OR溢出标志输出16-19DS4-DS1多路调制选通脉冲信号输出；DS4、DS3、DS2、DSl：分别为个、十、百、千位；20-23Q0Q3A/D转换结果的BCD码输出，QO为1.SB24VDD正电源12VEE模拟局部的负电源13VSS公共接地端1.2.2CD4511CD4511是BCD-7段锁存、译码、驱动器，输入是BCD码，输出是送给数码管作显示用的a、b、c、d、e、f、g的7位段码。CD4511的引脚如表1-2所示。表1-2CD4511引脚功能管脚功能功能描述7、1、2、6A、B、C、D4位BCD码输入端139、15、14a、b、Cd、e、f、g7位段码输出端31.T测试端，/1.T=O时，各段全亮4/BI灭灯控制端，/BI=O时，各段全灭51.E锁存控制端。1.E=I时，锁存输入数据1.E=O时，译码输出数据1.2.3U1.N2003U1.N2003的工作原理较简单，是一个具有7路输出的集电极开路反向驱动器，U1.N2003的引脚排列如图1-3所示。引脚功能说明如下：D0D6:7个输入端；00-06：7个输出端；GND：公共接地端;CMP：VCC（驱动电感负载时的保护端。）1.2.4MC1403MCI403是一块输出为2.5V的基准电压源。引脚排列见图1-4所示。1脚：为输入端，输入电压为4.5V40V;2脚：为输出端；3脚：为接地公共端；其余均为空脚。图1-3U1.N2003引脚图图1-4MC1403引脚图1.2.5MAX232芯片MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5V单电源供电。在本设计利用MAX232芯片产生-5V电源。见图1-5、1-6及附图。另一个功能做RS232接口电路，见1-7、1-8所示，本设计不用。图1-5MAX232引脚图图1-6ma×232引脚连接图图1-7max232引脚与RS232连接图图1-8RS232接口引脚介绍：第一局部是电荷泵电路：由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12V和-12V两个电源，提供应RS-232串口需要的电平。第二局部是数据转换通道：由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（RIIN）、12脚（RIOUT）、11脚（TIlN）、14脚（TlOUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TT1./CMOS数据从TIIN、T2IN输入转换成RS-232数据从TIOUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从RUN、R2IN输入转换成TT1./CMOS数据后从RlOUT、R2OUT输出。第三局部是供电电路。15脚GND、16WVCC（+5V）。主要特点：1、符合所有的RS-232C技术标准：2、只需要单一+5V电源供电；3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和JOV电压V+、V-；4、功耗低，典型供电电流5mA；5、内部集成2个RS-232C驱动器；6、内部集成两个RS-232C接收器；7、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。1.33½位数字电压表工作原理3½位数字电压表的原理图见附图，工作原理如下：R12和C2是MC14433的积分电阻和积分电容，C3是失调补偿电容，R13是时钟发生器电阻，MC14433配上这4个外围元件即可正常工作。并将DU和ECO（14脚）接在一起，使MC14433能够连续转换并刷新输出结果。MC1403的输出电压经RPI和R4分压后加到MC14433的VREF端，作MC14433A/D转换的参考电压。MC14433A/D转换结果的BCD码是以动态扫描的形式输出的，由Q0Q3输出的BCD码加到CD4511的BCD码输入端AD,经CD4511译码后得到的7位段码ag接到1.ED数码管的相应位置，以驱动1.ED数码管的ag的7个字段。由MC14433的DS1-DS4输出的位选码，经U1.N2003接至U7U10的阴极以驱动这4位1.ED数码管。由于MC14433是3½位输出，在千位上只能显示十进制的“0”和“1”，也就是说在DSl为高电平时，只需要Q0Q3中的1位（QO）反映就可以了，其他三位QQ1用不上。正是利用这一点,当DSl=I时，从Q0Q3可以输出更多的信息：Q3=0时表示“千位”=1；Q3=l时表示“千位”=0；Q2=0时表示输入信号极性为负；Q2=l时表示信号极性为正。因此，对千位1.ED数码管字段信号作了如下处理：将b、C和dp通过R13接+5V电源，使这三段常亮。将a、d、e和f段，通过R14接+5V,并由Q3控制其亮灭。千位显示“1”：当Q3=0U1.N2003的01=1U1.N2003的D6=l（通过上拉电阻R16）U1.N2003的O6=O-U7的a、d、e、f这4个字段没有电流而灭掉，而b和C段常亮而显示“1”。千位显示“0"：当Q3=1U1.N2OO3的Ol=OU1.N2003的D6=0U1.N2003的O6=1->U7的a、d、e、f这4个字段有电流通过而点亮，再加之b和C段常亮，故显示“0”。对于显示负号的U6也作了类似的处理，请同学们自己分析。积分电阻Ri和电容Ci的选择：积分电阻和电容值的选择与根本量程和时钟频率有关，因为积分电容上的电压可用下式表示：其中，AT=4000/Vci=VDD-VxCV这里0.5V是防止积分器输出进入饱和区而留有的余量。假设Ci=0.1F,时钟fclk=66KHz,VDD=5V,那么2V量程时Ri470Ko20OmV量程时，Ri27Ko如果条件允许，在保证相当的时间常数的情况下，取较大的电阻和较大的电容更适宜。143½位数字电压表的制作1.4.1布局任何一个电子产品，都是由众多的电子元件组成的，这些电子元件要放到一个载体上，以便于布线，这个载体就是电路板(PCB板)。这些电子元件在电路板上的位置要有一个合理的安排，这就是布局。布局是一个重要的环节。布局结果的好坏将直接影响布线的效果，最终影响产品的性能。因此可以这样认为，合理的布局是电路板设计成功的第一步。(1)考虑整体美观一个产品的成功与否，一是要注重内在质量，二是兼顾整体的美观，两者都较完美才能认为该产品是成功的。在一个电路板上，元件的布局要求要均衡，疏密有序，不能头重脚轻或一头沉，尽量以体积较大,引线较多的元件为中心安排。(2)布局时应考虑以下问题：印制板尺寸是否与加工图纸尺寸相符？能否符合电路板制造工艺要求？有无定位标记？元件在二维、三维空间上有无冲突？元件布局是否疏密有序，排列整齐？是否全部布完？需经常更换的元件能否方便更换？插件板插入设备是否方便？热敏元件与发热元件之间是否有适当的距离？调整可调元件是否方便？在需要散热的地方，装了散热器没有？空气流是否通畅？信号流程是否顺畅且互连最短？插头、插座等与机械设计是否矛盾？线路的干扰问题是否有所考虑？1.4.2布线布局完成之后，就是布线的工作了。布线时应考虑以下问题：交叉的导线应尽量垂直，以减少电磁偶合，布线应尽量短；电源和地线应尽量粗，模拟局部的地线不能闭合；模拟局部的地线和数字局部的地线应各自分别接地，在电源处一点接公共地线。布线的拐弯处应防止走直角，以减少高频时的电磁辐射；另外，还应考虑电路板的电磁兼容性、可靠性等。1.4.3焊接在电路板的焊接过程中，虚焊是最易出现的问题，往往是电路板制作失败的原因之一，努力提高焊接质量对于初学者是十分重要的。如何提高焊接质量泥？除了苦练根本功之外，还应注意以下几个环节。电路板的处理：电路板的制作工艺不正确，或放置时间太久，焊盘处易生氧化层，要去除这些氧化层，可用擦字橡皮擦，这样不易损伤铜箔，氧化严重的也可用细砂纸轻轻打磨，直至铜箔面光亮如新。元器件引脚的处理：所有元器件的引脚，在焊入电路板之前，都必须刮净后镀上锡。有的元器件出厂时引脚已镀锡，因长期存放氧化，也应重新镀锡。助焊剂的选用：元器件引脚镀锡时应选用松香作助焊剂。焊锡膏、焊油等焊剂腐蚀性大，最好不用。焊锡的选用：应选用0.5mm左右的松香芯焊锡丝。焊点的控制：标准的焊点应圆而光滑、无毛刺。但初学者开始焊接时，焊点上往往毛刺或焊点成蜂窝状。这些都是不合格的焊点。焊接时，不要心急，一定要待烙铁头有足够的温度时，再动手焊。焊接时让烙铁头对电路板的焊盘和元器件的引脚同时加热上12秒，再放焊锡丝，注意控制焊锡量，拿开焊锡丝后，烙铁再稍停留一下后再离开，这样焊出的焊点一般都能符合要求。1.5 调试一个电子产品，经过原理图设计，电路板的设计与制作，再经过焊接之后，余下的工作就是整定与调试了。1.5.1 上电之前检查目测有无漏焊和假焊，如有需补焊。用万用表欧姆档检查电路板的电源两端是否短路，假设短路需排除短路故障。故障不排除不能通电。用万用表欧姆档检查电路各个线之间是否连接好，假设电路板出现开路情况，及时排除故障，以防止影响实验结果。1.5.2 基准电源调试首先需测试MC1403的输出是否稳定并且可调。上电后，用万用表的电压档观测MC14434的VREF,（以量程满1.999V为例）通过调整电位器RPl使其满足VREF=1.999Vo153负电压电源调试MaX232芯片输出电压约-8V左右，而MC14433需要的电压为-5V,因此，调节R3使输出电压为-5V。1.5.4 MC14433芯片调试当电源+5V和-5V电源接入对应引脚时，分别检测4脚、6脚、7脚、8脚。对应的图形为图1-9、图1-10、图1-11、图l-12o如果MC14433芯片引脚状态不正确，需要检查各引脚所接器件是不是焊接正确，是否有漏焊或者虚焊情况。图1-914433-4脚图形图1-1014433-6脚图形图1714433-7脚图形图17214433-8脚图形1.5.5 整定如果量程满度为1.999V,那么应在VX端加标准的1.999V电压，调节VREF,使输出读数为1.999V,而且无过量程，这时末位数每个字为ImV。把输入电压VX调整到1.0V,假设显示值也是1.OOOV左右，再将输入电压VX调整到0.5V,假设显示值也是0.500V左右，输入电压VX调整到1.5V,假设显示值也是1.50OV左右，调整结束。假设偏离较大，可以稍微改变基准电压，但不能高于2.0V,也不能低于1.9V。1.5.6 极性前面讲过MC14433具有自动极性转换的功能，因此只要有一个正电压基准就能测量正负两个极性的电压，输出读数等于1999Vx/VREFo可在VX端加正电压，观察显示数值及极性显示；然后再把输入信号反向接在VX端，观察极性显示。1.6 数字电压表性能的改良上面介绍的数字电压表是最根本的，MCl4433的功能没有完全开发，下面介绍利用MC14433的特点为我们的数字电压表增加的两个功能。1.6.1 过量程报警MCl4433的而引脚是溢出标志输出端，当被测电压超过基准电压VREF时，此端输出为低电平，利用这个信号即可实现过量程报警的功能。原理见图l-13o图1T3过量程报警电路正常工作时，R=1,D触发器复位，Q=l,CD4511亦正常工作。当过量程时，OR=O,D触发器正常工作，EOC信号被2分频后，控制CD4511的Bl端的电平的上下变化，从而使数字显示闪烁，指示过量程状态。1.6.2 显示数字的保持在数字电压表的工作过程中，如果需要保持某一时刻测量的结果一直不变，那么可用图1-14所示的方法来实现这个功能。由图1-14可见，实现此功能很简单，只是在MC14433的EOC和DU两引脚之间接入一个开关K,DU引脚接一个100K的下拉电阻。正常测量时，使开关K接通；需要保持数据时，把开关K断开即可。此时,MC14433的DU引脚被拉向低电平而得不到EOC引脚输出的A/D转换结束的正脉冲信号而不能将MCI4433A/D转换的结果刷新输出，而使数字电压表显示的数字保持不变。图1-14显示数字的保持附图：3½位数字电压表的原理图表1-2每套元件名称及型号序号名称代号型号每套数量1A/D转换UlMC1443312基准电源U2MC140313BCD译码器U3CD451114位驱动器U4U1.N2003151.ED数码管D1-D5(共阴)1.G5011AH56芯片管座配Ul24P17配U216P18配U316P19配U48P110配数码管40P211电位器RPl、R3IOK112电阻Rl、R247K213R420K114RI2、R13470K215R5R11120(1/4W)716R18100(1/4W)117R1775(1/4W)118R15330119R144.7K120电容C1C3104321C4、C516V10222万能板140*185mm1图175PCB幅员1.7系统电路仿真1.7.1 IC1.7107元器件介绍IC1.7107是双积型的A/D转换器，还集成了A/D转换器的模拟局部电路，如缓冲器、积分器、电压比拟器、正负电压参考源和模拟开关，以及数字电路局部如振荡源、计数器、锁存器、译码器、驱动器和控制逻辑电路等，使用时只需外接少量的电阻、电容元件和显示器件，就可以完成模拟到数字量的转换，从而满足设计要求。显示稳定可读和测量反响速度快，是本设计的关键。IC1.7107的一个周期为用4000个计数脉冲时间作为A/D转换的一个周期时间，每个周期分成自动稳零（AZ）、信号积分（INT）和反积分（DE）3个阶段。内部逻辑控制电路不断地重复产生AZ.INT.DE3个阶段的控制信号，适时地指挥计数器、锁存器、译码器等协调工作，使输出对应于输入信号的数值。而输入模拟量的数值在其内部数值上等于计数数值T,即：VlN的数值=T的数值Vin=VREF（T/1000）式中：1000为积分时间（1000个脉冲周期）；T为反积分时间（满度时为2000）<,在Proteus仿真软件中，我们可以使用TC7107代替IC1.7I07o1.7.2 仿真软件介绍ProteUS软件是一种低投资的电子设计自动化软件，提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。ProteUS软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表。此外，Proteus还提供图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，尽可能减少仪器对测量结果的影响，ProteUS软件提供丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。提供SchematicDrawingsSPlCE仿真与PCB设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、AVR,PIC等常用的MeU,并提供周边设备的仿真，例如373、led、示波器等。PrOteUS提供了大量的元件库，有RAM、ROM、键盘、马达、1.ED、1.CD、AD/DA、局部SPl器件、局部IIC器件。1.7.3 仿真电路步骤(1)翻开PRoTEUS操作界面添加所需电路元件到元件列表中：单击“P”按钮，如图116所示，出现挑选元件对话框。图1-16“P”按钮在出现的对话框KeyWOrdS中输入所用元件名称，在对话框中单击OK按钮，关闭对话框。(2)放置元件。在元件列表中左健选取元件，在编辑窗口中单击左健，这样原件就被放到原理图编辑窗口中了。(3)在编辑区布线，修改元件参数点击想要连接的两个引脚，就能就能简单地实现布线。在特殊的位置需要布线，用户只需在中间的角落点击。自动布线也能在元件移动的时候操作，自动地解决相应的连线。节点自动布置和移除。节约时间的同时，防止其他方面可能引起的错误。也可以手工布点，但是布点以后需要连线。双击元件修改相关参数。(4)进行电路仿真，完成原理图如图1-16所示。.运用PROTEUS软件仿真电路图：图1-16PRoTEUS软件仿真电路图表1-3PROTEUS软件符号元件符号元器件名称元器件中文注释-I»-RES通用电阻符号CAP通用电容符号T卜CAP-E1.EC通用电解电容-TYYYVINDUCTOR通用电感穴NPN通用NPN型双极性晶体管穴PNP通用PNP型双极性晶体管-PMOSFET通用P型金属氧化物半导体场效应晶体管住SCR通用晶闸管整流器井TRIAC通用三端双向晶闸管开关元件SOUNDER压电发声模型T-IBATTERY直流电压源I-CE1.1.单电池BUZZER直流蜂鸣器TACRYSTA1.石英晶体RE1.AY继电器/CAP-VAR可变电容1/SPEAKER喇叭模型1.ED-GREEN绿色发光二极管1.ED-RED红色发光二极管1.ED-B1.UE蓝色发光二极管YAERIA1.天线符号7SEG-DIGITA1.数字式七段数码管DIODE-TUN通用沟道二极管©ISINE正弦波交流电流源VSINE正弦波交流电压源佚THYRISTOR通用半导体晶闸管PU1.1.UP上拉电阻-cF-POrFHG可变电阻-cP-POT1.IN可变电阻-三-OO-BUTTON按钮2*2SDISPW-44独立开关组1.MO161.16*2字符液晶7SEG-BCD七段BCD码显示器1r78055V,IA稳压器BHHHBr7SEG-COM-AN-GRN七段有公共端的共阳绿色数码管7SEG-C0M-CAT-B1.UE七段有公共端的共阴蓝色数码管7SEG-MPX4-CA-B1.UE4位七段共阴蓝色数码管555555电路AT89C518051微控器FyAND二输入与门OR二输入或门3>XOR二输入异或门三Fr>NAND二输入与非门3>NOR二输入或非门H>-NOT非门1.Mw!I89lrKSISZBQEIP1.RESPACK-8带公共端的的8电阻排5RX88电阻排1.AMP动态灯泡模型M1TRAFFIC1.IGHTS动态交通灯模型PIN单脚终端接插件SWITCH带锁存开关FUSE动态保险丝模型MOTOR-STEPPER动态单极性步进电机模型©MOTOR直流电机模型MOTORSERVO伺服电机-¼-VARISTOR变阻器ITRSAT2P2S变压器CONN-DI1.14排座(k1.DR光敏电阻琪741.S74双D触发器琪741.S112双JK触发器U1.N2003达林顿晶体管阵列741.S1383-8译码器t<:r二DS1302时钟芯片<DS18B20温度传感器在DIODE-SC稳压管O741.S004-2输入与非门3>741.S202-4输入与非门H>i741.S046非门74HC74D触发器用.74HC112JK触发器2设计、制作电子计分器2.1 设计目的及任务1 .掌握应用电路组成原理、电路参数计算方法；2 .掌握两项根本技能：利用Proteus软件进行电路仿真设计；完成电路制作。3 .独立完成设计报告。2.2 设计使用器件建议利用MC14553仿真模块4553）三位BCD计数器构成电子计分器。3电子工艺实习安排任务1焊接调试数字电压表有详尽资料和指导书，所有专业必做内容）时间：一周任务2设计、制作电子计分器（需自己查阅资料并写出实训报告，自动化、电气专业必做内容,非电类专业不做）时间：一周考核评定：1 .只能完成第一项内容，总分值：3分。2.完成上述两项内容，总分值：5分。评定标准：（采取演示作品的方式并结合实训报告内容综合给分）任务1考核标准：2 .作品演示调试成功能正常工作，每项得2分；虽然焊接完毕但不能正常工作每项只得1分。3 .实训报告：内容标准充实得1分。任务2考核标准：1.作品演不:调试成功能正常工作，每项得1分；虽然焊接完毕但不能正常工作每项只得0.5分。4 .实训报告：内容标准充实得1分。教室安排：电路仿真C500、电路焊接调试B108；学生分两组交替进行）周次日期班级日期班级第1周周1、3、51、2班周2、43、4班第2周周1、3、53、4班周2、41、2班管理：1 .出勤管理：每次都要考勤，每缺一次扣一分纳入考核。2 .器材管理：每块板子编号，完成作品上交。参考文献124毕满清主编.陈晓文主编.张靖武主编.陈汝全主编.电子技术实验与课程设计.第3版.北京：机械工业出版社，2013电子线路课程设计.第1版.北京：电子工业出版社，2004单片机系统的PROTEUS设计.北京：电子工业出版社，2008电子技术常用器件应用手册.第2版.北京：机械工业出版社，2015