1、1前言现代社会的标志之一就是信息产品的广泛使用，而且是产品的性能越来越强，复杂程度越来越高，更新步伐越来越快。支撑信息电子产品高速发展的基础就是微电子制造工艺水平的提高和电子产品设计开发技术的发展。前者以微细加工技术为代表，而后者的代表就是电子设计自动化（electronic design automatic, EDA）技术。本设计采用的VHDL是一种全方位的硬件描述语言，具有极强的描述能力，能支持系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级这三个不同层次的设计；支持结构、数据流、行为三种描述形式的混合描述，覆盖面广，抽象能力强，因此在实际应用中越来越广泛。ASIC是专用的系统集成电路，是一种带有逻辑处
2、理的加速处理器；而FPGA是特殊的ASIC芯片，与其它的ASIC 芯片相比，它具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检测等优点。在控制系统中，键盘是常用的人机交换接口，当所设置的功能键或数字键按下的时候，系统应该完成该键所对应的功能。因此，按键信息输入是与软件结构密切相关的过程。根据键盘结构的不同，采用不同的编码方法，但无论有无编码以及采用什么样的编码，最后都要转换成为相应的键值，以实现按键功能程序的转移。 1钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、定时启闭电路、定时开关烘箱、通断动力
3、设备，甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些都是以钟表数字化为基础的。因此研究数字钟以及扩大其应用有着非常现实的意义。21 传统电子实习学习内容1.1 常用元器件识别任何电子电路都是由元器件组成的，而常用的元器件有电阻器、电容器、电感器和各种半导体器件(如二极管、三极管、集成电路等)。为了能正确地选择和使用这些元、器件，就必须掌握它们的性能、结构与主要参数性能等有关知识。1.1.1 电阻器的简单识别与型号命名法电阻器的简单识别电阻器是电路元件中应用最广泛的一种，在电子设备中约占元件总数的 30%以上，其质量的好坏对电路工作的稳定性有极大影响。电阻器主要用途是稳定和调节电路中的电流和电压，其次还
4、可作为分流器、分压器和消耗电能的负载等。电阻器按结构可分为固定式和可变式两大类。固定式电阻器一般称为“电阻” 。由于制作材料和工艺不同，可分为膜式电阻、实芯式电阻、金属线绕电阻(RX)和特殊电阻四种类型。膜式电阻包括：碳膜电阻 RT、金属膜电阻 RJ、合成膜电阻 RH 和氧化膜电阻 RY 等。实芯电阻包括：有机实芯电阻 RS 和无机实芯电阻 RN。特殊电阻包括：MG 型光敏电阻和 MF 型热敏电阻。可变式电阻器分为滑线式变阻器和电位器。其中应用最广泛的是电位器。图 1.常用电阻器外形及符号色环颜色的意义例如，四色环电阻器的第一、二、三、四道色环分别为棕、绿、红、金色，则该电阻的阻值和误差分别为
5、：R=(110+5)102=1500 3电阻器的型号命名法表示例：RJ710.1255.1kI 型的命令含义：1.1.2 选用电阻器常识1.根据电子设备的技术指标和电路的具体要求选用电阻的型号和误差等级。2.为提高设备的可靠性，延长使用寿命，应选用额定功率大于实际消耗功率的 1.5-2倍。3.电阻装接前应进行测量、核对，尤其是在精密电子仪器设备装配时，还需经人工老化处理，以提高稳定性。4.在装配电子仪器时，若所用非色环电阻，则应将电阻标称值标志朝上，且标志顺序一致，以便于观察。5.焊接电阻时，烙铁停留时间不宜过长。6.选用电阻时应根据电路中信号频率的高低来选择。7.电路中如需串联或并联电阻来获
6、得所需阻值时，应考虑其额定功率。阻 值相同的电阻串联或并联，额定功率等于各个电阻额定功率之和；阻值不同的电 阻串联时，额定功率取决于高阻值电阻。并联时，取决于低阻值电阻，且需计算 方可应用。1.1.3 电容器的简单识别与型号命名法电容器的简单识别按其结构，可分为以下三种：固定电容器、半可变电容器(微调电容器)、可变电容器4按电容器介质材料，可分为以下几种：电解电容器、云母电容器、瓷介电容器、玻璃釉电容、纸介电容器、有机薄膜电容器电容器型号命名法表电容器型号命名法5示例：CJX-250-0.33-10%电容器的命令含义：1.1.4 电容器质量优劣的简单测试一般，我们利用万用表的欧姆挡就可以简单地
7、测量出电解电容器的优劣情况，粗略地辨别其漏电、容量衰减或失效的情况。具体方法是：选用“R1k”或“R100”挡，将黑表笔接电容器的正极，红表笔接电容器的负极，若表针摆动大，且返回慢，返回位置接近曲，说明该电容器正常，且电容量大；若表针摆动大，但返回时，表针显示的 值较小，说明该电容漏电流较大；若表针摆动很大，接近于 0，且不返回，说明该电容器已击穿；若表针不摆动，则说明该电容器已开路，失效。该方法也适用于辨别其他类型的电容器。但如果电容器容量较小时，应选择万用表的“R10k”挡测量。另外，如果需要对电容器再一次测量时，必须将其放电后方能进行。选用电容器常识1.电容器装接前应进行测量，看其是否短
8、路、断路或漏电严重，并在装入电路时，应使电容器的标志易于观察，且标志顺序一致。2.电路中，电容器两端的电压不能超过电容器本身的工作电压。装接时注意正、负极性不能接反。2.当现有电容器与电路要求的容量或耐压不合适时，可以采用串联或并联的方法予以适应。当两个工作电压不同的电容器并联时，耐压值取决于低的电容 器；当两个容量不同的电容器串联时，容量小的电容器所承受的电压高于容量大 的电容器。4.技术要求不同的电路，应选用不同类形的电容器。5.选用电容器时应根据电路中信号频率的高低来选择。1.1.5 电感器的简单识别与型号命名法电感器的分类：根据电感器的电感量是否可调，电感器分为固定、可变和微调电感器。
9、可变电感器的电感量可利用磁芯在线圈内移动而在较大的范围内调节。它与固定电容器配合应用于谐振电路中起调谐作用。微调电感器可以满足整机调试的需要和补偿电感器生产中的分散性，一次调好后，一般不再变动。(a)电感器线圈 (b)带磁芯、铁心的电感器 (c)磁芯有间隙电感器 (d)带磁芯连续可调电感器 (e)有抽头电感器 (f)步进移动触点的可变电感器 (g)可变电感器选用电感器常识1.在选电感器时，首先应明确其使用频率范围。铁心线圈只能用于低频；一般铁氧体线圈、空心线圈可用于高频。其次要弄清线圈的电感量。62.线圈是磁感应元件，它对周围的电感性元件有影响。安装时一定要注意电感性元件之间的相互位置，一般应
10、使相互靠近的电感线圈的轴线互相垂直，必要时可在电感性元件上加屏蔽罩。1.1.6 半导体器件的简单识别与型号命名半导体器件的简单识别半导体二极管和三极管是组成分立元件电子电路的核心器件。二极管具有单向导电性，可用于整流、检波、稳压、混频电路中。三极管对信号具有放大作用和开关作用。半导体器件型号命名法半导体二极管和三极管是组成分立元件电子电路的核心器件。二极管具有单向导电性，可用于整流、检波、稳压、混频电路中。三极管对信号具有放大作用和开关作用。半导体器件型号命名法表71.2 焊接技术线路板，电路板, PCB 板，pcb 焊接技术近年来电子工业工艺发展历程，可以注意到一个很明显的趋势就是回流焊技术
11、。原则上传统插装件也可用回流焊工艺，这就是通常所说的通孔回流焊接。其优点是有可能在同一时间内完成所有的焊点，使生产成本降到最低。然而温度敏感元件却限制了回流焊接的应用，无论是插装件还是 SMD.继而人们把目光转向选择焊接。大多数应用中都可以在回流焊接之后采用选择焊接。这将成为经济而有效地完成剩余插装件的焊接方法，而且与将来的无铅焊接完全兼容。选择性焊接的工艺特点可通过与波峰焊的比较来了解选择性焊接的工艺特点。两者间最明显的差异在于波峰焊中 PCB 的下部完全浸入液态焊料中，而在选择性焊接中，仅有部分特定区域与焊锡波接触。由于 PCB 本身就是一种不良的热传导介质，因此焊接时它不会加热熔化邻近元
12、器件和 PCB 区域的焊点。在焊接前也必须预先涂敷助焊剂。与波峰焊相比，助焊剂仅涂覆在 PCB 下部的待焊接部位，而不是整个 PCB.另外选择性焊接仅适用于插装元件的焊接。选择性焊接是一种全新的方法，彻底了解选择性焊接工艺和设备是成功焊接所必需的。选择性焊接的流程典型的选择性焊接的工艺流程包括：助焊剂喷涂，PCB 预热、浸焊和拖焊。助焊剂涂布工艺在选择性焊接中，助焊剂涂布工序起着重要的作用。焊接加热与焊接结束时，助焊剂应有足够的活性防止桥接的产生并防止 PCB 产生氧化。助焊剂喷涂由 X/Y机械手携带 PCB 通过助焊剂喷嘴上方，助焊剂喷涂到 PCB 待焊位置上。助焊剂具有单嘴喷雾式、微孔喷射
13、式、同步式多点/图形喷雾多种方式。回流焊工序后的微波峰选焊，最重要的是焊剂准确喷涂。微孔喷射式绝对不会弄污焊点之外的区域。微点喷涂最小焊剂点图形直径大于 2mm，所以喷涂沉积在 PCB 上的焊剂位置精度为0.5mm，才能保证焊剂始终覆盖在被焊部位上面，喷涂焊剂量的公差由供应商提供，技术说明书应规定焊剂使用量，通常建议 100%的安全公差范围。预热工艺在选择性焊接工艺中的预热主要目的不是减少热应力，而是为了去除溶剂预干燥助焊剂，在进入焊锡波前，使得焊剂有正确的黏度。在焊接时，预热所带的热量对焊接质量的影响不是关键因素，PCB 材料厚度、器件封装规格及助焊剂类型决定预热温度的设置。在选择性焊接中，
14、对预热有不同的理论解释：有些工艺工程师认为 PCB 应在助焊剂喷涂前，进行预热；另一种观点认为不需要预热而直接进行焊接。使用者可根据具体的情况来安排选择性焊接的工艺流程。1.3 电路板印制技术SMT 工艺是利用钎料或焊膏在元件与电路板连接之间构成机械与电气两方面的连接，其主要优点在于尺寸小、重量轻、互连性好；高频电路的性能好，寄生阻抗显著降低；抗冲击力与振动性能好。采用 SMT 工艺时引线不需穿过电路板，可避免产生引线接受或辐射而得来的信号，进而提高电路的信噪比。进行电路板设计时，可通过 DFM（可制造性设计）来完成。DFM 是并行工程（CE）关键技术的重要组成部分，它从产品设计开始，考虑可制
15、造性和可检测性，从设计到制造一次成功，是电路板设计的一种有效工具。评价 SMT 工艺性能的好坏，首先应使焊点能够正确成型；而正确成型的前提是必须合理设计 PCB 板上元器件的焊盘尺寸；其次在 PCB 板布局时要合理安排元件的密度，满足测试点的要求。进行电路板设计时，可通过 DFM（可制造性设计）来完成。DFM 是并行工程（CE）关键技术的重要组成部分，它从产品设计开始，考虑可制造性和可检测性，从设计到制造一次成功，是电路板设计的一种有效工具。81.3.1 PCB 材料选择印刷电路板基材主要有二大类：有机类基板材料和无机类基板材料，使用最多的是有机类基板材料。层数不同使用的 PCB 基材也不同，
16、比如 34 层板要用预制复合材料，双面板则大多使用玻璃环氧树脂材料。无铅化电子组装过程中，由于温度升高，印刷电路板受热时发生弯曲的程度加大，故在 SMT 中要求尽量采用弯曲程度小的板材，如 FR-4 等类型的基板。由于基板受热后的胀缩应力对元件产生的影响，会造成电极剥离，降低可靠性，故选材时还应该注意材料膨胀系数，尤其在元件大于 3.21.6mm 时要特别注意。表面组装技术中用 PCB 要求高导热性，优良耐热性（150，60min）和可焊性（260，10s），高铜箔粘合强度（1.5104Pa 以上）和抗弯强度（25104Pa），高导电率和小介电常数、好冲裁性（精度0.02mm）及与清洗剂兼容性
17、，另外要求外观光滑平整，不可出现翘曲、裂纹、伤痕及锈斑等。印制电路板厚度有 0.5mm、0.7mm、0.8mm、1mm、1.5mm、1.6mm、（1.8mm）、2.7mm、（3.0mm）、3.2mm、4.0mm、6.4mm，其中 0.7mm 和 1.5mm 板厚的 PCB 用于带金手指双面板的设计，1.8mm 和 3.0mm 为非标尺寸。印制电路板尺寸从生产角度考虑，最小单板不应小于 250200mm，一般理想尺寸为（250350mm）（200250mm），对于长边小于125mm 或宽边小于 100mm 的 PCB，易采用拼板的方式。表面组装技术对厚度为 1.6mm 基板弯曲量的规定为上翘曲0
18、.5mm，下翘曲1.2mm。通常所允许的弯曲率在 0.065%以下。1.3.2 PCB 导通孔及元器件布局导通孔布局1.避免在表面贴装焊盘以内或距表面贴装焊盘 0.6mm 以内设置导通孔。2.无外引脚的元器件焊盘（如片状电阻电容、可调电位器及电容等），其焊盘之间不允许有通孔(即元件下面不开导通孔；若用阻焊膜堵死可以除外)，以保证清洗质量。3.作为测试支撑用的导通孔，在设计布局时，需充分考虑不同直径的探针进行自动在线测试时的最小间距。4.导通孔径与元件引线的配合间隙太大易虚焊。一般导通孔径比引线直径大0.050.2mm，焊盘直径为导通孔径的 2.53 倍时，易形成合格焊点。5.导通孔与焊盘不能相
19、连，以避免因焊料流失或热隔离。如导通孔确需与焊盘相连，应尽可能用细线（小于焊盘宽度 1/2 的连线或 0.3mm0.4mm）加以互连，且导通孔与焊盘边缘间距离大于 1mm。元器件布局进行再流焊工艺时，元件排列方向应注意以下几点：1.板面元件分布应尽可能均匀（热均匀和空间均匀）；2.元器件应尽可能同一方向排列，以便减少焊接不良的现象；3.元器件间的最小间距应大于 0.5mm，避免温度补偿不够；4.PLCC、SOIC、QFP 等大器件周围要留有一定的维修、测试空间；5.功率元件不宜集中，要分开排布在 PCB 边缘或通风、散热良好位置；6.贵重元件不要放在 PCB 边缘、角落或靠近插件、贴装孔、槽、
20、拼板切割、豁口等高应力集中区，减少开裂或裂纹。1.3.3 元器件方向进行波峰焊工艺时，元件排列方向应注意以下几点：1.所有无源元件要相互平行；2.SOIC 与无源元件的较长轴要互相垂直；3.无源元件的长轴要垂直于板沿着波峰焊接机传送带的运动方向；94.有极性的表面组装元件尽可能以相同的方向放置；5.在焊接 SOIC 等多引脚元件时，应在焊料流方向最后两个焊脚处设置窃锡焊盘或焊盘面积加位，以防止桥连；6.类型相似的元件应该以相同的方向排列在板上，使得元件贴装、检查和 焊接时更容易；7.采用不同组装工艺时，要考虑元件引脚及重量对再流焊或波峰焊工艺的 适应性，防止掉件或漏焊，比如波峰焊接面上元件需能
21、承受 260高温，切不能是四边有引脚器件。1.3.4.PCB 线路及焊盘设计线路工艺设计要求1.印制电路板工艺夹持边最小为 5mm。2.避免导线与焊盘成一定角度相连，力求导线垂直于元器件的焊盘，且导 线应从焊盘的长边中心与焊盘相连。3.减小导线连通焊盘处的宽度，除非受电荷容量、加工极限等因素的限制， 否则最大宽度为 0.4mm 或焊盘宽度的一半（以小焊盘为准）。一是为了防止 散热太快，二是防止阻焊层精度不够，造成焊锡流动，形成不良焊接。4.印制电路板导线结构：线宽与间距为 0.6mm 的正常刻蚀技术制作的走线；线宽与间距为 0.3mm 的细线刻蚀技术制作的细走线；线宽 0.3mm，间距 0.1
22、5mm 的超细走线。5.不同的组装方式，布线要求也不同。插装方式引线宽度为 0.2mm 以上，贴装方式引线宽度为 0.10.2mm，精细间距组装引线宽度为 0.050.1mm。6.应尽量避免在其焊盘之间穿越互连线（特别是细间距的引脚器件），凡穿越相邻焊盘之间的互连线，必须用阻焊膜对其加以遮隔。7.对于多引脚元器件（如 S0IC、QFP 等），引脚焊盘之间的短接处不允许直通，应由焊盘引出互连线之后再短接（若用阻焊膜加以遮隔可以除外），以免产生位移或焊后被误认为发生了桥接。8.对于有未封装的芯片（裸片）的 PCB 设计时，裸片的田字形焊盘应接地线而不宜悬空；另外为保证可靠键合，要求焊盘一定均匀镀金
23、。对于有方向性的元器件，如三极管、芯片等在布线时应注意其极性。线路电气设计要求1.引脚间距内过线原则：低密度要求在 2.54mm 引脚中心距内穿过 2 条线径为 0.23mm的导线；中密度要求在 1.27mm 引脚中心距内穿过 1 条线径为 0.15mm 的导线；高密度要求在 1.27mm 引脚中心距内穿过 23 条更细导线。2.印制板线条的宽度要求尽量一致，这样有利于阻抗匹配。从印制板制作工艺来讲，宽度可以做到 0.3mm，0.2mm 及 0.1mm，但随着线条变细，间距变小，生产过程中质量将难以控制。除非有特殊要求，一般选用 0.3mm 线宽和 0.3mm 线间距的布线原则是比较适宜的。3
24、.尽量走短线，特别是对小信号电路来讲，线越短电阻越小，干扰越小，同时藕合线长度尽量减短。4.多层板走线方向：按电源层，地线层和信号层分开，减少电源、地、信号之间的干扰。而且要求相邻两层印制板的线版权法应尽量相互垂直或走斜线、曲线，而不平行走线，以利于减少基板层间藕合和干扰。5.电源线，地线设计原则：走线面积越大越好，以利于减少干扰，对于高频信号线最好是用地线屏蔽。大面积的电源层地线层要相邻，其作用是在电源和地之间形成一个电容，起到滤波作用。10焊盘设计焊盘尺寸对 SMT 产品的可制造性和寿命有着很大的影响，是 PCB 线路设计的极其关键部分，对焊点的可靠性、焊接过程中可能出现的缺陷、可测试性和
25、检修量等都起着显著作用。元器件制作要求不一样，焊盘设计应根据元器件规格进行制作，方能保证线路的可靠性和防止工艺缺陷（如竖碑及偏斜），显示 SMT 的优越性。在进行具体设计时，还必须根据具体产品的组装密度、不同工艺、不同的设备以及特殊元器件的要求进行设计。目前表面组装元器件还没有统一标准，不同的国家，不同的厂商所生产的元器件外形封装都有差异，所以在设计焊盘尺寸时，应与自己所选用的元器件的封装外形、引脚等相适应，确定焊盘长度和宽度。常用的元件焊盘设计可以参考一些标准，如 IPC-SM-782、IPC-7095、IPC-7525、IEC-TC52 WG6、JIS C-5010 和电子行业工艺标准汇编
26、。焊盘设计时应遵循以下几点：1.对于同一个器件，凡是对称使用的焊盘，设计时应严格保持其全面的对称性，即焊盘图形的形状与尺寸应完全一致；2.对同一种器件，焊盘设计采用封装尺寸最大值和最小值为参数，计算焊盘尺寸，保证设计结果适用范围宽；3.焊盘设计时，焊点可靠性主要取决于长度而不是宽度；4.焊盘设计要适当：太大则焊料铺展面较大，形成的焊点较薄；较小则焊盘铜箔对熔融焊料的表面张力太小，当铜箔的表面张力小于熔融焊料表面张力时，形成的焊点为不浸润焊点；5.焊盘与较大面积的导电区（如地、电源等平面）相连时，应通过一较细导线进行热隔离，一般宽度为 0.20.4，长度约为 0.6mm。6.波峰焊时焊盘设计一般
27、比再流焊时大，因为波峰焊中元件有胶水固定，焊盘稍大，不会危及元件的移位和直立，相反却能减少波烽焊“遮蔽效应”。矩形元件（LW）焊盘宽度 C 与元件焊端宽度 W 之间的关系为：C=W（0.71.3）mm。对于 0805以下的阻容元器件，CW；对于 0805 以上的阻容元器件，CW0.10.25mm。 长度为约0.9mm 左右，焊盘间距为 A=L0.7mm。厚度相差很大，如电阻器仅为电容器的一半左右，在焊盘设计时应加以注意，尤其是小尺寸阻容元件，应考虑端头侧面良好的浸润焊接。另外，元源二端片元件端头焊区上，下并不完全一致，为了可靠焊接，也需要端侧浸润焊接。所以，要求焊盘比元件的焊区大。圆柱形元件（
28、DL）MELF 元件焊盘图形设计公式：焊盘的宽度为 C=D（0.71.0）mm=max，长度S=Lmax-(Lmin-2I)，约为 1mm 左右，两焊盘间距为 A=Lmax-2S=Lmin-2I，约为 L-1mm。（仅考虑元件公差的理想设计，未考虑帖放误差）具体制作时，考虑到元件贴装误差，尺寸要稍微放大。再流焊时，宽度增加 0.050.1mm，长度增加 0.20.3mm；波峰焊时，宽度增加0.1mm，长度增加 0.20.6mm。另外再流焊工艺时，希望在焊盘设计时开一个缺口，以便元件在再流焊过程中定位。缺口深度尺寸 F=(Lmax-A)/2，缺口深度 E 取 0.3mm（对小尺寸元件，如 1/8W 电阻）和 0.4mm（对尺寸较大的元件，如 1/4W 电阻）。由于一般焊盘铜层厚度（包括镀层和阻焊层）不会超过 0.2mm，缺口 E 不宜取得过大。SOP（翼型引脚）、QFP 封装器件这类器件焊盘设计没有标准的计算公式，相对困难。焊盘宽度 C 应等于（或稍大/小）焊端（或引脚）的宽度，一般为 C=W+0.1mm。焊盘长度常取 2.00.5mm，一般为B=T+b1+b2，其中 b1=0.450.6mm，有利于焊料熔融时能形成良好的弯月形轮廓的焊点，
