电子电路的安装与调试在电子技术中是非常重要的。这是把原理设计转变为产品的过程,也是对理论设计做出检验、修改,是指完善的过程。一个好的设计方案都是安装、调试后又经多次修改才得到的。电子电路的安装技术主要分为以下几种:
① 电路板的焊接:在电子工业中,焊接技术应用极为广泛,它不需要复杂的设备和昂贵的费用,就可将多种元器件连接在一起,在某种情况下,焊接时高质量连接最简易的实现方法。
② 面包板上插接:使用面包板做实验比用焊接方法方便,容易更换线路和器件,而且可以多次使用。但多次使用容易使插孔变松,造成接触不良。
③ 万能板上焊接:综合了以上两种的优点,使用灵活,适用各种标准集成电路,通过焊接连接,可靠方便。
1.元器件的引脚识别
安装之前,一定要对元器件进行测试,参数性能技术指标应满足设计要求,要准确识别各元器件的引脚,以免出错造成人为故障甚至损坏元器件。
1)集成电路
数字电路实验中所使用的集成芯片都是双列直插式的,其引脚图一般是顶视图,集成电路上有缺口或小孔标记,它是用来表示引脚1位置的(图1-3-1)。识别引脚的方法国产器件和国外器件相同。
双列直插式集成电路引脚的识别方法是:将芯片正面对着使用者,从左下角(芯片缺口或小圆点标记一侧)开始按逆时针方向依次为1,2,…,N脚(N为芯片引脚数)。在标准型TTL集成电路中,电源端V CC 排在左上端,接地端一般排在右下端。若集成芯片引脚上的功能标号为NC,则表示该引脚为空脚,与内部电路不连接,制作空脚的目的是集成芯片的引脚数要符合标准,常见的有8、14、16、20、24脚等。
图1-3-1 TTL电路引脚识别图
2)二极管
二极管有多种不同封装,图1-3-2中列举了不同用途的二极管,其中一些是二引脚的,一些是带有散热片封装,还有一些是贴片封装的,不同功率水平就会有不同的封装尺寸。
二极管的识别:小功率二极管的N极(负极),在二极管外表大多采用一种色圈标出来,有些二极管也用二极管专用符号来表示P极(正极)或N极(负极),也有采用符号标志为P、N来确定二极管极性的。发光二极管的正负极可从引脚长短来识别,长脚为正,短脚为负。用数字式万用表去测二极管时,红表笔接二极管的正极,黑表笔接二极管的负极,此时测得的阻值才是二极管的正向导通阻值,这与指针式万用表的表笔接法刚好相反。
图1-3-2 普通二极管、双向二极管和整流桥的封装
(1)用指针式万用表判断二极管的电极和性能
根据二极管的单向导电性这一特点性能良好的二极管,其正向电阻小,反向电阻大;这两个数值相差越大越好。若相差不多说明二极管的性能不好或已经损坏。
测量时,选用万用表的电阻挡。一般用R×100或R×1k挡,而不用R×1或R×10k挡。因为R×l挡的电流太大,容易烧坏二极管,R×10k挡的内电源电压太大,易击穿二极管。
如果两次测量的阻值都很小,说明二极管已经击穿;如果两次测量的阻值都很大,说明二极管内部已经断路:两次测量的阻值相差不大,说明二极管性能欠佳。在这些情况下,二极管就不能使用了。
(2)用数字式万用表的二极管挡位测量二极管
测二极管时,使用万用表的二极管的挡位。若将红表笔接二极管阳(正)极,黑表笔接二极管阴(负)极,则二极管处于正偏,万用表有一定数值显示。若将红表笔接二极管阴极,黑表笔接二极管阳极,二极管处于反偏,万用表高位显示为1或很大的数值,此时说明二极管是好的。
在测量时若两次的数值均很小,则二极管内部短路;若两次测得的数值均很大或高位为1,则二极管内部开路。
3)稳压二极管
稳压二极管是电子电路特别是电源电路中常见元器件之一,与普通二极管不同的是,它常工作于PN结的反向击穿区,只要其功耗不超过最大额定值,就不致损坏。
常用的稳压管封装如图1-3-3所示。
图1-3-3 稳压管封装
常见的稳压二极管有两只引脚,但也有少数稳压二极管为三只引脚(如2DW7),除通过外壳的标志识别外,初学人员更应学会用万用表区别稳压二极管与普通二极管。
(1)稳压二极管正、负极的识别方法
稳压二极管正、负极的识别方法和普通二极管相同,可利用PN结正、反向电阻不同的特性进行识别。有3只引脚的稳压管从外形类似三极管,但其内部是两只正极相连的稳压二极管。这种稳压管正、负极的识别方法与两只引脚的稳压管相同,只需测出公共正极,另两脚均为负极。
(2)稳压二极管的检测
用万用表R×1k挡测量其正、反向电阻,正常时反向电阻阻值较大,若发现表针摆动或其他异常现象,就说明该稳压管性能不良甚至损坏。用在路通电的方法也可以大致测得稳压管的好坏,其方法是用万用表直流电压挡测量稳压管两端的直流电压,若接近该稳压管的稳压值,说明该稳压二极管基本完好;若电压偏离标称稳压值太多或不稳定,说明稳压管损坏。
4)三极管
三极管常用于放大、电子开关等方面。常见的封装有以下几种,根据三极管的功率不同,它的封装也不同,如图1-3-4所示。
图1-3-4 三极管封装
(1)用数字式万用表测量三极管极性的方法
步骤一:判断时可将三极管看成是一个背靠背的PN结,按照判断二极管的方法,可以判断出其中一极为公共正极或公共负极,此极即为基极B。对NPN型管,基极是公共正极;对PNP型管则是公共负极。因此,判断出基极是公共正极还是公共负极,即可知道被测三极管是NPN或PNP型三极管。
步骤二:发射极E和集电极C的判断。利用万用表测量 β (h FE )值的挡位,判断发射极E和集电极C。将挡位旋至h FE 基极插入所对应类型的孔中,把其于引脚分别插入C、E孔观察数据,再将C、E孔中的引脚对调再看数据,数值大的说明引脚插对了。
(2)用指针表测量三极管极性的方法
步骤一:选择万用表R×1k挡,测任意两引脚电阻值;若非常大,则更换某一引脚或交换表棒,直至有较小测量阻值为止。此时,黑表棒对应为PN结的P端,而红表棒对应为PN结的N端(检测时,使用的万用表为模拟式万用表)。然后,再通过以上测量方法判断出,第三脚的极性(是P端还是N端),而不同极性的引脚为三极管的基极。最后根据3个引脚构成材料,来判断三极管的类型。
步骤二:对于NPN型管,用手指同时捏住基极与黑表棒搭接的一引脚,如果表针向右方向偏转,就初步判断红表棒接的是发射极,黑表棒接的是集电极。黑、红表棒对调,且黑表棒接手与基极搭接,重新进行测试,表针基本不偏转(偏转很小),则引脚判断正确。对于PNP型管判别引脚的方法基本同上,主要区别在于手指搭接红表棒。
5)场效应管
(1)结型场效应管和MOS管的区别
① 从包装上区分:由于MOS管的栅极易被击穿损坏,因此,在包装上比较讲究,引脚之间都是短路的,或者用铝箔包裹着,而结型场效应管在包装上无特殊要求。
② 用万用表测量:用指针式万用表R×1k或R×100挡测量G、S引脚间的电阻,阻值很大近乎不通的,为MOS管,若为PN结的正、反向电阻值,则为结型场效应管。
(2)引脚识别
对于结型场效应管,任选两脚测得正、反向电阻均相同时(一般为几十千欧),该两脚分别为D、S,剩下的一个是G极。对于四脚结型场效应管,一个与其他三脚都不通的引脚为屏蔽极,在使用中屏蔽极应接地。
注意:由于MOS管测量时容易造成损坏,最好查明型号,根据手册辨别引脚。
6)电容
电容按照极性分类:一般分为有极性电容和无极性电容。
容量大的电容其容量值在电容上直接标明,如10µF/16V容量10µF、电容耐压16V。
容量小的电容其容量值在电容上用字母表示或数字表示。数字表示法:一般用三位数字表示容量大小,前两位表示有效数字,第三位数字是倍率。
例如,103表示10×10 3 pF=10000pF=0.01µF,224表示22×10 4 pF=0.22µF。
使用电容时,还要注意电容的容量、耐压是否满足设计要求。如果是电解电容器,包括钽电容和铝电解电容器通常是有极性的,在电容外壳上标有正(+)极性或负(-)极性,加在电容器两端的电压不能反向。若反向电压作用在电容上,原来在正极金属箔上的氧化物(介质)会被电解,并在负极金属箔上形成氧化物,而且在这个过程中出现很大的电流,使得电解液中产生气体并聚集在电容器内,导致电容器损坏,甚至会引起爆炸。
7)电阻及电位器
(1)电阻
电阻的参数标注方法有3种,即直标法、色标法和数标法。
① 数标法:主要用于贴片等小体积的电阻,如472表示47×100Ω(4.7kΩ);104则表示100kΩ。
② 直标法:2.1k表示2100Ω,5R6表示5.6Ω。
③ 色标法:其优点是在装配、调试和修理过程中,不用拨动元件,即可在任意角度看清色环,读出阻值,使用方便。目前,电子产品广泛采用色环电阻。测量电阻时,注意不要把人体电阻并入测量,特别是阻值超过1MΩ时,测量不当将会造成较大的误差。
四色环电阻标注法中,第一、二条色环代表阻值的两位数字(黑=0,棕=1,红=2,橙=3,黄=4,绿=5,蓝=6,紫=7,灰=8,白=9);第三条色环:数值的倍率(与第一、二色环基本相同,需注意金色:把小数点向前移动1位;银色:把小数点向前移动2位);第四条色环:误差(金色为5%;银色为10%;无色为20%)。
例如,黄4、橙3、红2、金色。前两位数字是43;第三位表示10的2次方,即100;阻值为4300Ω=4.3kΩ。
(2)电位器
电位器是一个可变电阻。它是由电阻材料制成的电阻轨道和电刷组成,电刷与轨道接触并沿电阻轨道滑动来改变电阻值。只有在它们保持良好接触的情况下,电位器才能很好地发挥作用。电位器比固定电阻故障多,常见的故障:电刷与轨道之间有灰尘或者被磨损下来的颗粒,使电刷和轨道之间电阻加大,导致使用中旋转噪声增加;或电路时通时断等。因此在使用电位器前,首先要找到固定端和滑动头。用万用表电阻挡判断时,若旋转电位器旋钮,所测得电阻不变,则这两个就是固定端,另一个为滑动端。另外还要检查电位器是否接触良好,随着电位器旋转位置的改变。动端和定端之间的阻值应平稳变化,如果发现空跳或时通时断的现象,说明电位器有故障。应修理或更换。
2.使用TTL集成电路和CMOS集成电路应注意的问题
1)使用TTL集成电路应注意的问题
① TTL电路的电源均采用+5V,因此电源电压不能高于+5.5V。使用时不能将电源与地颠倒错接,否则将会因为过大电流而造成器件损坏。
② 电路的各输入端不能直接与高于+5.5V和低于-0.5V的低内阻电源连接,因为低内阻电源能提供较大电流,会由于过热而烧坏器件。
③ 除输出为三态或集电极开路的电路外,输出端不允许并联使用。如果将集电极开路的门电路输出端并联使用而使电路具有线与功能时,应在公共输出端增加一个预先计算好的上拉负载电阻接到电源端。
④ 输出不允许与电源或地短路,否则可能造成器件损坏,但可以通过电阻与电源相连,提高输出高电平。
⑤ 在电源接通时,不要移动或插入集成电路,因为电源的冲击可能会造成其永久性损坏。
⑥ 多余的输入端最好不要悬空。虽然悬空相当于高电平,并不影响与门的逻辑功能,但悬空容易接受干扰,有时会造成电路误动作,在时序电路中表现的更为明显。因此,多余输入端一般不采用悬空的办法,而要根据需要处理。例如,与非门、与门的多余输入端可直接接到V CC 上;也可将不同的输入端通过一个公用电阻连接到V cc 上;或将多余的输入端与使用端并联。不用的或门和或非门输入端直接接地。为了使电路功耗最低,可将不使用的与非门和或非门等器件的所有输入端接地,也可将它们的输出端连到不用的与门输入端上。
⑦ 对触发器来说,不使用的输入端不能悬空,应根据逻辑功能接入电平。输入端连线应尽量短,这样可以缩短时序电路中时钟信号沿传输线传输的延迟时间。一般不允许将触发器的输出直接驱动指示灯、电感负载或长传输线,需要时必须加缓冲门。
2)使用CMOS集成电路应注意的问题
① CMOS电路由于输入电阻很高,因此,极易接受静电电荷。为了防止产生静电击穿,生产CMOS时,在输入端都要加入标准保护电路,但这并不能保证绝对安全,因此使用CMOS电路时,必须采取以下预防措施。
② 存放CMOS集成电路时要屏蔽,一般放在金属容器中,也可以用金属箔将引脚短路。
③ CMOS电路可以在很宽的电源电压范围内正常工作,但电源的上限电压(即使是瞬态电压)不得超过电路允许的极限值U max ,电源下限电压(即使是瞬态电压)不得低于系统速度所必需的电源电压的最低值U min ,更不得低于U SS 。
④ 焊接CMOS电路时,一般用20W内热式电烙铁,而且烙铁要有良好的接地线。也可以利用电烙铁断电后的余热快速焊接。禁止在电路通电的情况下焊接。
⑤ 为了防止输入端保护二极管因正向偏置而引起损坏,输入电压必须处在U DD 和U SS 之间,即U SS ≤U I ≤U DD 。
⑥ 测试CMOS电路时,如果信号电源和电路板用两组电源,则开机时应先接通电路板电源,后开信号电源。关机时则应先关信号电源,再关电路板电源。即在CMOS电路本身没有接通电源的情况下,不允许有输入信号输入。
⑦ 多余端绝对不能悬空,否则不但容易受外界干扰,而且输入电平不定,破坏了正常的逻辑关系,也消耗了不少的功率。因此根据电路的逻辑功能,需要分别情况加以处理。例如,与门、与非门的多余输入端应接到U DD 或高电平;或门、或非门的多余输入端应接到U SS 或低电平;如果电路的工作速度不高,不需要特别考虑功耗时,也可以将多余的输入端与使用端并联。
以上所述的多余输入端,包括没有被使用的但已接通的CMOS电路的所有输入端。输入端连线较长时,由于分布电容和分布电感的影响,容易构成LC振荡,也可能使保护二极管损坏,因此必须在输入端串联一个10~20kΩ的电阻。CMOS电路装在印制电路板时,印制电路板上总有输入端,当电路从整机中拔出时,输入端必然出现悬空,所以应在各输入端上接入限流保护电阻。如果要在印制电路板上安装CMOS集成电路,则必须在与它有关的其他元器件安装之后,再装CMOS电路,避免CM0S电路输入端悬空。
⑧ 插拔电路板电源插头时,应注意先切断电源,防止在插拔过程中烧坏CMOS电路的输入保护二极管。
⑨ CMOS电路并联使用。在同一芯片上两个或两个以上同样器件并联使用(与门、或非门、反相器等)时,可增大输出供给电流和输出吸收电流,若容性负载增加不大时,则既增加了器件的驱动能力,也提高了速度。使用时输出端之间并联,输入端之间也必须并联。防止CMOS电路输入端噪声干扰方法。在CMOS电路的输入端常接有按键开关、继电器触点等机械接点,或有传感器等元件。CMOS电路具有很高的输入阻抗,只要微小的电流就能驱动CMOS电路工作。当接入到CMOS电路输入端的电路输出阻抗高时,抗干扰能力就极差,尤其是连线较长时就更易受干扰,采取的办法是减小输入电路的输出电阻。其具体办法是:在接入的电路与CMOS电路输入端之间接入施密特触发器整形电路,通过回差改变输出电阻。也可以加入滤波电路滤掉噪声。为了防止由于按键开关和继电器触点抖动所造成的误动作,可在接点上并联电容或接RS触发器。
1.覆铜板
印制电路板的基板(PCB)是敷铜板,是用铜箔覆在绝缘板(基板)之上的一种电工材料。
根据标准厚度敷铜板通常分为3种,即1.0mm,1.5mm,2.0mm,一般常选用1.5mm和2.0mm的敷铜板。
敷铜板按其结构可分为单面印制电路板、双面印制电路板、多层印制电路板和软性印制电路板。手工制作的电路板通常采用的是单面印制电路板和双面印制电路板。
单面印制电路板是最早使用的印制电路板,仅一个表面具有导电图形,主要用于一般电子产品中。
双面印制电路板两个表面都具有导电图形,并且用金属化孔使两面的导电图形连接起来。双面印制电路板的布线密度比单面印制电路板高,使用更为方便,主要用于较高挡的电子产品和通信设备中。
多层印制电路板是将3层以上相互连接的导电图形层的层间用绝缘材料相隔,再经黏合后形成的印制电路板。多层印制电路板导电图形虽制作比较复杂,但其适合集成电路的需要,可使整机小型化;同时提高布线密度,缩小了元器件的间距和信号的传输路径,也减少了元器件的焊接点,降低了故障率,提高了整机的可靠性,广泛用于计算机和通信设各等高挡电子产品中。
软性印制电路板是以聚四氟乙烯、聚酯等软性材料为绝缘基板制成的印制电路板。可折叠、弯曲、卷绕;在三维空间里可实现立体布线;它的体积小、重量轻,装配方便;容易按照电路要求成型,从而提高了装配密度和板面利用率,主要用于高档电子产品中,如笔记本电脑、手机和通信设备。
2.面包板
面包板是由于板子上有很多小插孔,很像面包中的小孔,因此得名,如图1-3-5所示。面包板可不用焊接和手动接线,将元件插入孔中就可测试电路及元件,使用方便。现在已经有些厂商生产面包板的连接线,如图1-3-6所示。使用前应确定哪些元件的引脚应连在一起,再将要连接在一起的引脚插入同一组的5个小孔中。
图1-3-5 面包板
整板使用热固性酚醛树脂制造,板底有金属条,在板上对应位置打孔使得元件插入孔中时能够与金属条接触,从而达到导电的目的。一般将每5个孔板用一条金属条连接。板子中央一般有一条凹槽,这是针对需要集成电路、芯片试验而设计的。板子两侧有两排竖着的插孔,也是5个一组。这两组插孔是用于给板子上的元件提供电源。
使用时应该先通电。将电源两极分别接到面包板的两侧插孔,然后就可以插上元件实验了(插元件的过程中要断开电源)。遇到多于5个元件或一组插孔插不下时,就需要用面包板连接线把多组插孔连接起来。
图1-3-6 面包板的连线
面包板的优点是体积小,易携带,但缺点是比较简陋,电源连接不方便,而且面积小,不宜进行大规模电路实验。若要用其进行大规模的电路实验,则要用螺钉将多个面包板固定在大木板上,再用导线相连接。
面包板的连线通常用0.60mm的单股导线,有些厂商还给连线加上了插针,如图1-3-6所示。为了查找方便,连线应该使用不同的颜色。例如,正电源一般用红色绝缘皮的导线,负电源用蓝色,地线用黑色,信号线用黄色。也可根据条件选用其他颜色的导线。导线要紧贴在面包板,以免碰撞弹出面包板,造成接触不良。必须使连线在集成电路周围通过,不允许跨接在集成电路上,也不要使导线互相重叠在一起,应尽可能做到横平竖直,这样有利于查找,更换器件及连线。布线过程中,要求把各元器件在面包板上的相应位置及所用引脚号标在电路图上,以保证调试和查找故障的顺利进行。
3.万能板
需要进行小型实验或组装简单的电路时,可以利用上面钻有间隔为2.54mm小孔的万能板。万能板的连接比面包板可靠,但需要焊接。万能板意思是没有特定的用途,可以用于制作任何电路,可以看做是数字集成电路的万能板,板上的小孔是孤立的,元器件可以插在上面,然后焊接,再把导线焊上。由于印制电路板,片数少的时候很贵,所以开发初期就用万能板焊接、调试。调试通过了再去做印制电路板批量生产,如图1-3-7所示。
图1-3-7 万能板
例如:一块万能板大小为95mm×72mm,适合于制作大约10个数字集成电路(14根引线或者16根引线的电路块)的电路。
布线在实验操作中非常重要,其原则应便于检查、排除故障和更换器件。
在电子电路实验中,有错误布线引起的故障,常占很大比例。布线错误不仅会引起电路故障,严重时甚至会损坏器件,因此,注意布线的合理性和科学性是十分必要的,正确的布线原则大致有以下几点:
① 接插集成电路时,先校准两排引脚,使之与实验底板上的插孔对应,轻轻用力将电路插上,然后在确定引脚与插孔完全吻合后,再稍用力将其插紧,以免集成电路的引脚弯曲,折断或者接触不良。
② 不允许将集成电路方向插反,一般集成电路的方向是缺口(或标记)朝左,引脚序号从左下方的第一个引脚开始,按逆时钟方向依次递增至左上方的第一个引脚。
③ 导线应粗细适当,一般选取直径为0.6~0.8mm的单股导线,最好采用各种色线以区别不同用途,如电源线用红色,地线用黑色笔。
④ 布线应有秩序地进行,随意乱接容易造成漏接错接,较好的方法是接好固定电平点,如电源线、地线、门电路闲置输入端、触发器异步置位复位端等,其次,在按信号源的顺序从输入到输出依次布线。
⑤ 连线应避免过长,避免从集成元件上方跨接,避免过多的重叠交错,以利于布线、更换元器件以及故障检查和排除。
⑥ 当实验电路的规模较大时,应注意集成元器件的合理布局,以便得到最佳布线,布线时,顺便对单个集成元件进行功能测试。这是一种良好的习惯,实际上这样做不会增加布线工作量。
⑦ 应当指出,布线和调试工作是不能截然分开的,往往需要交替进行,对大型实验元器件很多的,可将总电路按其功能划分为若干相对独立的部分,逐个布线、调试(分调),然后将各部分连接起来(联调)。