电子电路实习指导书2

电子电路实习指导书Ⅰ、印制电路板的设计印制电路板的设计现在有两种方式：人工设计和计算机辅助设计。尽管设计方式不同，设计方法也不同，但设计原则和基本思路都是一致的，都必须符合原理图的电气连接以及产品电气性能、机械性能的要求，同时考虑印制板加工工艺和电子装配工艺的基本要求。一、印制电路板的基本概念（一）印制板的组成印制板主要由绝缘底板（基板）和印制电路（也称导电图形）组成，具有导电线路和绝缘底板的双重作用。1．基板（BaseMaterial）基板是由绝缘隔热、并不易弯曲的材料所制作成，一般常用的基板是敷铜板，又称覆铜板，全称敷铜箔层压板。敷铜板的整个板面上通过热压等工艺贴敷着一层铜箔。2．印制电路（PrintedCircuit）覆铜板被加工成印制电路板时，许多覆铜部份被蚀刻处理掉，留下来的那些各种形状的铜膜材料就是印制电路，它主要由印制导线和焊盘等组成（如图1所示）。（1）印制导线（Conductor）用来形成印制电路的导电通路。（2）焊盘（Pad）用于印制板上电子元器件的电气连接、元件固定或两者兼备。（3）过孔（Via）和引线孔（ComponentHole）分别用于不同层面的印制电路之间的连接以及印制板上电子元器件的定位。3．助焊膜和阻焊膜在印制电路板的焊盘表面可看到许多比之略大的各浅色斑痕，这就是为提高可焊性能而涂覆的助焊膜。印制电路板上非焊盘处的铜箔是不能粘锡的，因此印制板上焊盘以外的各部位都要涂覆绿色或棕色的一层涂料——阻焊膜。这一绝缘防护层，不但可以防止铜箔氧化，也可以防止桥焊的产生。4．丝印层（Overlay）为了方便元器件的安装和维修等，印制板的板上有一层丝网印刷面（图标面）——丝印层，这上面会印上标志图案和各元器件的电气符号、文字符号（大多是白色）等，主要用于标示出各元器件在板子上的位置，因此印制板上有丝印层的一面常称为元件面。（二）印制板的种类印制板根据其基板材质刚、柔强度不同，分为刚性板、挠性板以及刚挠结合板，又根据板面上印制电路的层数分为单面板、双面板以及多层板。1．单面板（Single-sided）仅一面上有印制电路的印制板。这是早期电路（THT元件）才使用的板子，元器件集中在其中一面——元件面（ComponentSide），印制电路则集中在另一面上——印制面或焊接面（SolderSide），两者通过焊盘中的引线孔形成连接。单面板在设计线路上有许多严格的限制，如布线间不能交叉而必须绕独自的路径。2．双面板（Double-SidedBoards）两面均有印制电路的印制板。这类的印制板，两面导线的电气连接是靠穿透整个印制板并金属化的通孔(throughvia)来实现的。相对来说，双面板的可利用面积比单面板大了一倍，并且有效的解决了单面板布线间不能交叉的问题。3．多层板（Multi-LayerBoards）由多于两层的印制电路与绝缘材料交替粘结在一起，且层间导电图形互连的印制板。如用一块双面作内层、二块单面作外层，每层板间放进一层绝缘层后黏牢（压合），便有了四层的多层印制板。板子的层数就代表了有几层独立的布线层，通常层数都是偶数，并且包含最外侧的两层。比如大部分计算机的主机板都是4到8层的结构。目前，技术上已经可以做到近100层的印制板。在多层板中，各面导线的电气连接采用埋孔（buriedvia）和盲孔（blindvia）技术来解决。（三）印制板的安装技术印制电路板的安装技术可以说是现代发展最快的制造技术，目前常见的主要有传统的通孔插入式和代表着当今安装技术主流的表面黏贴式。1．通孔插入式安装技术（ThroughHoleTechnology，THT）通孔插入式安装也称为通孔安装，适用于长管脚的插入式封装的元件。安装时将元件安置在印制电路板的一面，而将元件的管脚焊在另一面上。这种方式要为每只管脚钻一个洞，其实占掉了两面的空间，并且焊点也比较大。显然这一方式难以满足电子产品高密度、微型化的要求。2．表面黏贴式安装技术（SurfaceMountedTechnology，SMT）表面黏贴式安装也称为表面安装，适用于短管脚的表面黏贴式封装的元件。安装时管脚与元件是焊在印制电路板的同一面。这种方式无疑将大大节省印制板的面积，同时表面黏贴式封装的元件较之插入式封装的元件体积也要小许多，因此SMT技术的组装密度和可靠性都很高。当然，这种安装技术因为焊点和元件的管脚都非常小，要用人工焊接确实有一定的难度。二．印制电路板的设计准备（一）设计目标这是设计工作开始时首先应该明确的，同时也是在整个设计中需要时刻关注的，主要有以下方面：1．功能和性能表面上看，根据电路原理图进行正确的逻辑连接后其功能就可实现、性能也可保证稳定，但随着电子技术的飞速发展，信号的速率越来越快，电路的集成度越来越高，仅仅做到这一步已远远不够了。目标能否很好完成，无疑是印制板设计过程中的重点，也是难点。2．工艺性和经济性这些都是衡量印制板设计水平的重要指标。设计优良的印制电路板应该方便加工、维护、测试，同时在生产制造成本上有优势。这是需要多方面相互协调的，并不是件容易的事。（二）设计前准备工作进入印制板设计阶段前，许多具体要求及参数应该基本确定了，如电路方案、整机结构、板材外形等。不过在印制板设计过程中，这些内容都可能要进行必要的调整。1．确定电路方案设计出的电路方案一般首先应进行实验验证——用电子元器件把电路搭出来或者用计算机仿真，这不仅是原理性和功能性的，同时也应当是工艺性的。（1）通过对电气信号的测量，调整电路元器件的参数，改进电路的设计方案。（2）根据元器件的特点、数量、大小以及整机的使用性能要求，考虑整机的结构尺寸。（3）从实际电路的功能、结构与成本，分析成品适用性。在电路方案实验的时候，必须审核考察产品在工业化生产过程中的加工可行性和生产费用，以及产品的工作环境适应性和运行、维护、保养消耗。通过对电路实验的结果进行分析，以下几点将得到确认：（1）电路原理。整个电路的工作原理和组成，各功能电路的相互关系和信号流程。（2）印制电路板的工作环境及工作机制。（3）主要电路参数。（4）主要元器件和部件的型号、外形尺寸及封装。2．确定整机结构当电路和元器件的电气参数和机械参数得以确定，整机的工艺结构还仅仅是初步成型，在后面的印制板设计过程中，需要综合考虑元件布局和印制电路布设这两方面因素才可能最终确定。3．确定印制板的板材、形状、尺寸和厚度（1）板材对于印制板电路板的基板材料的选择，不同板材的机械性能与电气性能有很大的差别。目前国内常见覆铜板的种类见表一。确定板材主要是从整机的电气性能、可靠性、加工工艺要求、经济指标等方面考虑。通常情况下，希望印制板的制造成本在整机成本中只占很小的比例。对于相同的制板面积来说，双面板的制造成本是一般单面板的3—4倍以上，而多层板至少要贵到20倍以上。分立元器件的引线少，排列位置便于灵活变换，其电路常用单面板。双面板多用于集成电路较多的电路。（2）印制板的形状印制电路板的形状由整机结构和内部空间的大小决定，外形应该尽量简单，最佳形状为矩形（正方形或长方形，长:宽=3:2或4:3），避免采用异形板。当电路板面尺寸大于200×150mm时，应考虑印制电路板的机械强度。（3）印制板的尺寸尺寸的大小根据整机的内部结构和板上元器件的数量、尺寸及安装、排列方式来决定，同时要充分考虑到元器件的散热和邻近走线易受干扰等因素。①面积应尽量小，面积太大则印制线条长而使阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也高。②元器件之间保证有一定间距，特别是在高压电路中，更应该留有足够的间距。③要注意发热元件安装散热片占用面积的尺寸。④板的净面积确定后，还要向外扩出5—10mm，便于印制板在整机中的安装固定。（4）印制板的厚度覆铜板的厚度通常为1.0mm、1.5mm、2.0mm等。在确定板的厚度时，主要考虑对元器件的承重和振动冲击等因素。如果板的尺寸过大或板上的元器件过重，都应该适当增加板的厚度或对电路板采取加固措施，否则电路板容易产生翘曲。当印制板对外通过插座连线时，插座槽的间隙一般为1.5mm，板材过厚则插不进去，过薄则容易造成接触不良。4．确定印制板对外连接的方式印制板是整机的一个组成部分，必然存在对外连接的问题。例如，印制板之间、印制板与板外元器件、印制板与设备面板之间，都需要电气连接。这些连接引线的总数要尽量少，并根据整机结构选择连接方式，总的原则应该使连接可靠、安装、调试、维修方便，成本低廉。（1）导线焊接方式这是一种最简单、廉价而可靠的连接方式，不需要任何接插件，只要用导线将印制板上的对外连接点与板外的元器件或其他部件直接焊接。它的优点是成本低，可靠性高，可以避免因接触不良而造成的故障，缺点是维修不够方便，一般适用于对外引线比较少的场合。（2）插接件连接在比较复杂的仪器设备中，经常采用接插件连接方式。这种“积木式”的结构不仅保证了产品批量生产的质量，降低成本，也为调试、维修提供了极为便利的条件。5．印制板固定方式的选择印制板在整机中的固定方式有两种，一种采用插接件连接方式固定；另一种采用螺钉紧固：将印制板直接固定在基座或机壳上，这时要注意当基板厚度为1.5mm时，支承间距不超过90mm，而厚度为2mm时，支承间距不超过120mm，支承间距过大，抗振动或冲击能力降低，影响整机可靠性。三．印制电路板的排版布局所谓排版布局就是把电路图上所有的元器件都合理地安排到面积有限的印制板上。这是印制板设计的第一步，关系着整机是否能够稳定、可靠地工作，乃至今后的生产工艺和造价等多方面。（一）整机电路的布局原则1．就近原则当板上对外连接确定后，相关电路部分就应该就近安排，避免绕原路，尤其忌讳交叉。2．信号流原则将整个电路按照功能划分成若干个电路单元，按照电信号的流向，逐个依次安排各个功能电路单元在板上的位置，使布局便于信号流通，并使信号流尽可能保持一致的方向：从上到下或从左到右。（1）与输入、输出端直接相连的元器件应安排在输入、输出接插件或连接件的地方。（2）对称式的电路，如桥式电路、差动放大器等，应注意元件的对称性，尽可能使其分布参数一致。（3）每个单元电路，应以核心元件为中心，围绕它进行布局，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。如以三极管或集成电路等元件作为核心元件时，可根据其各电极的位置布排其它元件。3．优先考虑确定特殊元器件的位置在着手设计的板面决定整机电路布局时，应该分析电路原理，首先决定特殊元件的位置，然后再安排其它元件，尽量避免可能产生干扰的因素。（1）发热量较大的元件，应加装散热器，尽可能放置在有利于散热的位置以及靠近机壳处。热敏元件要远离发热元件。（2）对于重量超过15g的元器件(如大型电解电容)，应另加支架或紧固件，不能直接焊在印制板上。（3）尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件应加屏蔽。（4）同一板上的有铁心的电感线圈，应尽量相互垂直放置，且远离以减少相互间的偶合。（5）某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。高压电路部分的元器件与低压部分分隔开不少于2mm。（6）高频电路与低频电路不宜靠太近。（7）电感器、变压器等器件放置时要注意其磁场方向，尽量避免磁力线对印制导线的切割。（8）做显示用的发光二极管等，因在应用过程中要用来观察，应该考虑放于印制板的边缘处。4．注意操作性能对元器件位置的要求（1）对于电位器、可调电容、可调电感等可调元器件的布局，应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上方便于调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。（2）为了保证调试、维修时的安全，特别要注意对于带高电压的元器件，要尽量布置在操作时人手不易触击的地方。（二）元器件的安装与布局1．元器件的布局在印制板的排版设计中，元器件的布设是至关重要的，不仅决定了板面的整齐美观程度以及印制导线的长度和数量，对整机的性能也有一定的影响。元件的布设应遵循以下几点原则：①元件在整个板面上的排列要均匀、整齐、紧凑。单元电路之间的引线应尽可能短，引