电子电路

1 、电路设计原理

(1)电路板设计主要分为3个步骤:设计电路原理图、生成网络表、设计印制电路版。

(2) 网络表是电路原理设计和印制电路板设计中的一个桥梁,它是设计工具软件自动布线的灵魂。

(3)网络表的格式包括2部分:元器件声明和网络定义。(缺少任一部分都有可能在布线的时候出错)

(4) 电路原理图设计不仅是整个电路设计的第一步,也是电路设计的基础。包括以下的一些具体步骤:

A、建立元器件库中没有的库元件。
B、设置图纸属性。
C、放置元件。
D、原理图布线。
E、检查与校对。
F、电路分析与仿真。
G、生成网络表。
H、保存与输出。

2、 PCB 电路设计

(1)PCB 设计是电子产品物理结构设计的一部分,它的主要任务是根据电路的原理和所需元件的封装形式进行物理结构的布局和布线。

(2)PCB 设计包括下面一些具体步骤:

A、建立封装库中没有的封装。
B、规划电路板。
C、载入网络表和元件封装。
D、布置元件封装。
E、布线。
F、设计规则检查。
G、PCB 仿真分析。
H、存档输出。

3、多层 PCB 设计的注意事项

(1)高频信号线一定要短,不可以有尖角(90度直角),两根线之间的距离不宜平行、过近,否则可能会产生寄生电容。

(2)如果是两面板,一面的线布成横线,一面的线布成竖线,尽量不要布成斜线。

(3)一般来说,线宽一般为0.3mm,间隔也为0.3mm,这个长度约为8~10mil。但是对于电源线或者大电流线应该有足够宽度,一般需要60~80mil。焊盘一般为64mil。

(4)单面板的生产工艺都很差,因此,单面板的焊盘尽量做得大一些,线要尽量粗一些。

(5)铜膜线的地线应该在电路板的周边,同时将电路上可以利用的空间全部使用铜箔做地线,增强屏蔽能力,并且防止寄生电容。

(6)电路图上的地线表示电路中的零电位,并用作电路中其他各点的公共参考点,在实际电路中由于地线阻抗的存在,必然会带来共阻干扰,因此,在布线是,不能将具有地线符号的点随便连接在一起,这可能引起有害的耦合而影响电路的正常工作。

4 、PCB 设计中的可靠性知识

(1)地线设计:在电子设备中,接地是控制干扰的重要方法。

A、正确选择单点接地与多点接地。
a、在低频电路中(工作频率小于1MHz),采用一点接地。
b、在高频电路中(工作频率大于10MHz),采用就近多点接地。

B、将数字电路与模拟电路分开,两者地线不要相混。分别与电源端地线相连。

C、尽量加粗地线。若地线很细,接地电位则随电流的变化而变化,如有可能,接地线的宽度应大于3mm。

D、将接地线构成环路,可以明显提高抗噪声能力。

(2)电磁兼容性设计

A、选择合理的导线宽度。

a、瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造成的。
b、时钟引线、行驱动器和总线驱动器的信号线常常载有大的瞬变电流,导线要尽可能短。
c、对于分立元件,导线宽度载1.5mm 左右可满足要求。
d、对于集成电路,导线宽度可在0.2mm~1mm 之间选择。

B、采用正确的布线策略:最好采用井字形网状布线结构。

a、PCB 的一面横向布线,另一面纵向布线,然后在交叉孔处用金属化孔相连。
b、尽量减少导线的不连续性,例如导线不要突变,拐角应大于90度。
c、尽量避免长距离的平行走线,尽可能拉开线与线之间的距离。
d、信号线与地线及电源线尽可能不交叉。
e、在一些对干扰十分敏感的信号线之间设置一根地线,可以有效抑制串扰。

C、抑制反射干扰。

(3)去耦电容配置。

配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声,是印制电路板的可靠性设计的一种常规做法。

配置原则如下:

A、 电源输入端跨接一个10~100uF 的电解电容。
B、 为每个集成电路芯片配置一个0.01uF 的陶瓷电容。
C、 对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和 ROM、RAM 等存储型器件,应在芯片的电源线和地线之间直接接入去耦电容。
D、去耦电容的引线不能过长,特别是高频旁路电容不能带引线。

(4) PCB 的尺寸与器件的布置。

A、相互有关的元件尽量放得靠近一些。
B、时钟发生器、晶振和 CPU 的时钟输入端易产生干扰,要相互靠近一些。
C、易产生噪声的元件、小电流电路、大电流电路等应尽量原理逻辑电路。

(5)散热设计。

5 、电子设计原理

(1) EDA 是指以计算机为工作平台,融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的 电子CAD通用软件包。利用 EDA 工具,电子工程师可以将电子产品的由电路设计、性能分析到 IC 设计图或 PCB 设计图整个过程在计算机上自动处理完成。

(2)“自顶向下”的设计方法。

先从系统设计入手,在顶层进行功能框图的划分和结构设计。在框图一级进行仿真和纠错,并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述,在系统一级进行验证,然后用综合优化工具生成具体的门电路网表,其对应的物理实现级可以是 PCB 或专用集成电路。

(3)VHDL 是一种全方位的硬件描述语言,包括系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级多个设计层次,支持结构、数据流、行为3种描述形式的混合描述。

6、电子电路测试原理与方法

(1)故障检测:判断故障是否存在,即只判断有无故障。

(2)故障诊断(故障定位):不仅判断故障是否存在,而且指出故障位置。

(3)仿真:对设计过程中得到的电路参数验证其正确性。

(4)测试:判断产品是否合格。

(5)可测试设计的3个方面是:测试生成、测试验证、测试设计。

(6)JTAG 测试接口是 IC 芯片测试方法的标准。

7 、硬件抗干扰测试

(1)形成干扰的3个基本要素:干扰源、传播路径和敏感器件。

(2)干扰的耦合方式:干扰源产生的干扰信号要通过一定的耦合通道才对系统产生作用。

A、直接耦合:最有效的方式是加入去耦电容。
B、公共阻抗耦合。
C、电容耦合。
D、电磁感应耦合(磁场耦合)。
E、漏电耦合。

(3)抑制干扰源的技术:尽可能减小干扰源的 du/dt 和 di/dt,这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则。

A、 主要通过在干扰源两端并联电容来实现减小干扰源的 du/dt。
B、 主要通过在干扰源回路串联电感或电阻及增加续流二极管来实现 di/dt。

(4)切断干扰传播路径的技术

A、充分考虑电源对嵌入式系统的影响。例如给电源加滤波电路或稳压器。
B、若微处理器的 I/O 口接控制电机等噪声器件,应在 I/O 和噪声源之间加隔离。
C、晶振与微处理器的引脚尽量靠近,用地线把时钟区隔离起来,晶振外壳接地并固定。
D、电路板合理分区,如强、弱信号,数字、模拟信号。
E、尽可能将干扰源与敏感元件远离。
F、用地线把数字区与模拟区隔离。
G、数字地与模拟地要分离,最后再一点接于电源地。
H、微处理器和大功率器件的地线要单独接地,以减小互相干扰。
I、大功率器件尽可能放在电路板边缘。

(5)提高敏感元件的抗干扰性能

A、布线时尽量减少回路环的面积,以降低感应噪声。
B、电源线和地线要尽量粗,除减小压降外,更重要的是降低耦合噪声。
C、微处理器闲置的 I/O 口不要悬空,要接地或接电源。
D、其他 IC 的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或电源。
E、使用电源监控及看门狗电路,可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。
F、在满足要求的前提下,尽量降低微处理器的晶振和选用低速数字电路。

转自: 沉舟侧畔

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随着科技的飞速发展,各种电子设备在各行各业和人们的日常生活当中得到了广泛的应用,而在其使用过程中受到各种因素的影响,难免会发生故障,影响正常的生产、生活、科研、学习等。因此,加强电子电路常见故障排除方法的研究具有十分重要的现实意义。作为电子电路技术人员,应熟知电子电路常见故障,并准确判断故障发生原因和发生位置,积极寻找排除电子电路故障的策略和方法,从而及时排除故障,使电子电路恢复正常的工作状态。

一、电子电路常见故障产生原因

要想准确地判定电子电路故障发生位置,进而采取有效措施进行排除,首先应对故障产生的原因有基本的认识,只有这样才能避免“盲人骑瞎马”,做到有的放矢、“对症治疗”,提高电子电路故障排除的工作效率。

电子电路工作过程中受到自身或外界因素的干扰,容易引起各种类型的故障,这些故障产生的原因纷繁复杂,可谓五花八门,但是概括起来不外乎内因和外因两种形式,下面逐一对其进行介绍。

1、电子电路故障内因

电子电路故障产生的内因较多。首先,电子电路长期运行导致某些元件或线路性能老化极易发生故障,其中较为常见的故障有电阻值发生改变、晶体管击穿、电容漏电等;其次,电子电路工作过程中一些位置出现断线、松动、接触不良等情况,进而引发系统故障发生;最后,维修人员在维修过程中,安装了不符合规格的电子元件或接错线路等也容易引发故障。
  
2、电子电路故障外因

由外因引发的电子电路故障十分常见,其中非专业人士未按照规范标准操作,导致电子电路出现故障的机率较高。另外,没有严格的电子电路维护制度的约束,一些电子元件因长期处在非常温环境或潮湿、粉尘较多的环境中而生锈、腐蚀。一些电子电路防雷措施不够完善,结果遇到雷雨天气很容易因雷击而出现故障。

二、电子电路故障类型

通过上述介绍,我们对电子电路故障产生原因有了一个初步的了解,同时我们还必须对电子电路常见故障类型进行探讨,这样才能更好地为电子电路的故障排除提供参考。

由电子电路内因引发的故障类型有:晶体管、电容、电阻等电子元件性能发生改变引发的故障;电子电路中有关线路接触不良引发的故障等。

由外因引起的电子电路故障类型有:技术人员使用电子电路时未按照说明要求进行操作;维修技术人员维修程序不规范不科学等。

需要注意的是,电子电路不同于其它设备,它容易受到外界干扰而引发多种故障。所谓的干扰指外界因素对电子电路中的有用信号产生扰动,使电子电路电流的稳定性大大降低,某些元件在忽高忽低电流影响下极易发生损坏。

因此,加强电子电路干扰源的研究,通过采取相关措施能够使其远离干扰,进而使电子元件保持最佳的工作性能。概括而言干扰源主要分为以下几种类型:

(1)接地不合理造成的干扰

单电源供电电路中,通常将相反的电极当作其电位参考点,即如果采用正极性电源进行供电,那么电源的负极则为电位参考点。如果采用负电极电源进行供电那么电位的参考点则为正极。如果是双极性电源,那么电位的参考点则为正负极串节点。为了防止电子电路产生干扰,通常将电路中的接地元件与电源的地位参考点相连。此外,为了避免数字信号对模拟信号的干扰,数字信号地与模拟信号地应分别设置,再汇集于所选择的一点。如果地位参考点接地处理不当或接地的电阻值太大,就会产生地电位差噪声,影响电路的正常工作。
 
(2)直流电源滤波效果欠佳

电子器件工作所用的纹波电压,通常由50Hz的交流电经过滤波、整流、稳压转化而来,如果电子电路工作过程中纹波电压突然增大,则会给电路带来干扰,这种干扰通常有规律可循,因此,为了避免这种干扰的产生,应选择低噪声、低输出阻抗的电源,也可以在电路和放大器中增设电源滤波电容。
  
(3)由感应引起的干扰

干扰源可以通过电感、分布电容等将干扰信号耦合到电路中,使电子电路出现寄生振荡。为了避免这种干扰现象的发生,一方面可以采用屏蔽措施,即将屏蔽壳与大地连接,抑制电磁干扰在空间的传播,并切断干扰信号的传导通路。另一方面,针对寄生振荡,可在电子电路合适位置接入阻容网络。

三、电子电路常见故障处理方法

要想及时地排除电子电路的故障必须建立在对故障的准确检测和判断的处理基础上,因此电子电路故障处理的重点工作应是准确定位故障发生的位置,下面对故障检测方法进行详细的探讨。

1、直接观察法

直接观察法又称观察感知法或感官判断法,指不借助其他检测设备,而是通过人的触觉、嗅觉、听觉、视觉等多种感官对电子电路出现的故障进行判断分析,进而定位故障发生位置,然后采取相应的维修措施,使电子元件恢复到正常的工作状态。
  
直接观察法包括通电前与通电后观察,其中通电前主要观察电子电路中使用的元件是否正确,接线有无错接、接反现象等。通电后观察指观察判断元件有无出现烧焦异味、电路中有无冒烟现象、颜色有无变得焦黄或焦黑等。
  
直接观察法操作方便,简单易行,而且判断比较准确,可以将其作为处理复杂电子电路故障的基础环节,以提高排除复杂故障的工作效率。
  
2、电压、电流测量法

在进行电子设备检修时,常常测量电路的电压、电流等参数。
  
当电路电压不太高时,比较适合测量电子仪器设备各部分的相关电压值,并和正常工作电压值进行比较,判断故障情况。当电路工作呈现不稳定状态时,我们可以采用电流测量法判断电路故障部位。这种情况比较复杂,需要我们灵活运用相关知识判断故障情况。也可电压测量和电流测量相结合判断故障部位。例如,电流表示数正常表明主电路为通路,电压表示数为零,则故障原因可能是与电压表并联的用电器短路。既无电压也无电流表明无电流通过两表,故障可能是主电路断路。
  
3、参数测试法

参数测试法需要借助专门的检测仪器,结合较强的理论知识判断电子电路中出现的故障。例如利用万用表检测某个线路的电流或检测某个元件的电阻值等,当检测数值与设计电流或元件的标准参数相差较大时,则故障可能出现在该位置,然后采用更换线路或电子元件的方法将故障排除。另外,检查电子电路静态工作点时,可以运用示波器进行测定,这是因为示波器拥有较高的输入阻抗,检测过程中给原电路带来的影响较小,而且通过示波器还能观察到被测位置处的干扰电压或信号,能够帮助技术人员迅速找出故障发生的原因。
  
4、跟踪信号法

跟踪信号法就是将合适频率的信号接入可能出现故障的电子电路中,然后将示波器接入电路中,监测信号的变化和流向,并按照信号在电路的传播方向逐一进行监测,当监测到信号变化比较大时,可初步判定故障发生的大致位置,然后再进行仔细监测。该方法排除故障的工作效率比较高,因此是监测电子电路的常用方法,尤其在动态调试过程中应用更为广泛。
  
5、对比法

对比法即比照法。运用对比法的前提是拥有与故障电路相似且正常工作的电路,通过检测正常电路的性能参数,与发生故障的电路的性能参数进行对比、加以比照,进而判断故障发生的位置,分析故障发生的原因,该种方法比较适合排除简单的电子电路故障。
  
6、替换法

替换法全称元件替换法。电子电路故障排除方法中,元件替换法能够对故障位置进行准确的定位,即利用正常的元件逐一替换可能发生故障的电子元件,元件更换后如果电子电路恢复到正常的工作状态,则说明正是被替换元件发生了损坏并导致了故障的发生。这种方法比较适合在已初步判定故障发生范围的情况下使用。如果还未判定故障的大致范围,那么更换元件的工作量就会比较大,犹如漫天撒网,又似满田找瓜,费时费力,因此不宜采用该方法。
  
7、补偿法

补偿法是一种常用的较为精密的检测方法。如果电子电路中出现寄生振荡现象,则可通过选择合适容量的电容器定位振荡位置,即在电子电路的合适位置利用电容器与地进行短路,如果发现电子电路中振荡现象消失,则说明振荡就发生在该段或上段电路中。使用这种方法关键在于选择合适容量的电容器,即保证 电容器能够抵消干扰信号。
  
8、断路法

采用断路法能够有效地检测电子电路中短路故障,即通过断路不断缩小故障发生范围,最终确定故障所在。例如,如果电子电路中运用稳压电源供电,当将某一线路与其连接时电路电流突然增大,则接入的电路中存在短路故障,此时可通过切断支路方法锁定短路位置,若切断某支路线路时电流恢复正常,则说明该支路短路。

电子电路故障判定的方法很多,有的对设备有一定的要求,应用时会受到限制,有的虽然对设备要求较低,但工效也相对较低。实际应用中我们需要灵活运用、联合运用各种方法判断故障部位,高效快捷地、针对性地处理故障。

四、总结

电子电路出现故障在所难免,不给力现象时有发生,关键是能够采取有效的方法及时定位故障发生位置,进而准确分析故障产生原因,为迅速排除故障奠定基础。电子电路故障发生受诸多因素影响,技术人员应从内因和外因两方面着手,进行综合分析,将理论与实践相结合,准确判断故障类型,并采用有针对性的故障处理方法,这样才能做到举重若轻、事半功倍,大大提高工作效率,并将电子电路故障带来的损失降到最低。

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