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《国家精品课程配套教材系列:电子设计与制作简明教程》特色:贯穿学科综合拓展易读易做学做结合,《国家精品课程配套教材系列:电子设计与制作简明教程》是国家精品课程“电子产品生产与制作”配套教材,基于作者多年教学经验,难易程度适中,便于开展实操。教学内容安排精炼紧凑,主要包括电子产品的设计方法、制作工艺、调试技巧、故障维修方法及初步的科技论文写作规范。操作步骤具体并配有相关截图,使学生能全面了解电子设计与制作的基本方法,并通过实际动手操作提高实践能力。
内容简介
《国家精品课程配套教材系列:电子设计与制作简明教程》是国家精品课程“电子产品生产与制作”配套教材,是作者在多年教学的基础上,经整理完善而成的,是一本实用性强、难易适中、便于开展实操的教材。
《国家精品课程配套教材系列:电子设计与制作简明教程》主要内容包括:电子制作的基本技能,常用电路模块(三极管放大电路、场效应管放大电路、稳压电源、数字逻辑电路、集成运放等)的设计与制作、较复杂系统(数字式转速表、功率放大器、多路红外遥控装置、数字钟)的设计与制作、PCB板的设计与制作、抗电磁干扰设计、科技论文的写作等,是对所学专业课程的系统性应用,对提高学生理论联系实际的能力具有积极作用。
《国家精品课程配套教材系列:电子设计与制作简明教程》可作为高职高专学校应用电子、电气自动化等电类专业的教材,也可供从事电子技术的工程技术人员及电子爱好者参考。
内页插图
目录
前言
第一章 电子设计与制作基础
1.1 概述
1.1.1 电子设计的选题
1.1.2 电子设计与制作的基本途径
1.2 电子设计的一般过程
1.3 电子制作的基本技能
1.3.1 常用元器件的选型与代用
1.3.2 元器件焊接工艺
1.3.3 电子产品的装配工艺
1.3.4 电子产品的调试
1.3.5 故障的判断与排除
1.4 PCB板的制作
1.4.1 PCB板的雕刻制板法
1.4.2 PCB板的腐蚀制板法
1.5 电子制作中的5S管理
第二章 基本电路模块的设计与制作
2.1 三极管基本放大电路的制作
2.1.1 三极管放大电路设计的原则
2.1.2 共发射极放大电路的设计
2.1.3 电路的制作与测试
2.2 场效应管放大电路的设计与制作
2.2.1 场效应管的主要参数
2.2.2 场效应管的使用原则
2.2.3 场效应管基本放大电路的设计与制作
2.3 串联型线性稳压电源的制作
2.3.1 串联型线性稳压电源的组成
2.3.2 串联型线性稳压电源的实际电路
2.3.3 串联型线性稳压电源的制作与调试
2.4 集成运算放大器的应用
2.4.1 电压比较器的制作
2.4.2 正弦波发生器的设计与制作
2.5 数字逻辑电路的设计与制作
2.5.1 基本门电路和逻辑电平规范
2.5.2 常见数字逻辑芯片
2.5.3 简易抢答器的制作
2.5.4 双音门铃的制作
2.6 遥控电路的制作
2.6.1 遥控系统的基本组成
2.6.2 红外遥控原理
2.6.3 简单红外遥控装置的制作
第三章 较复杂系统的设计与制作
3.1 以MCS-51系列单片机为核心的数字式转速表的设计与制作
3.1.1 设计与制作任务
3.1.2 转速表的硬件电路设计
3.1.3 系统设计流程图及源程序
3.1.4 电路制作与调试
3.2 0CL功率放大器的设计与制作
3.2.1 设计与制作的任务
3.2.2 电路设计
3.2.3 功率放大器的安装与调试
3.3 多路红外遥控装置的设计与制作
3.3.1 设计与制作的任务及方案选择
3.3.2 遥控编、解码集成电路PT2262和PT2272介绍
3.3.3 4路红外遥控装置的工作原理
3.3.4 四路红外遥控电路的制作与调试
3.4 数字钟的设计与制作
3.4.1 设计与制作任务
3.4.2 秒脉冲信号发生器的制作与调试
3.4.3 秒、分、时计数显示电路的制作调试
3.4.4 分、时校正电路
3.4.5 电路联调
第四章 可编程逻辑器件及应用
4.1 ACEXIK系列FPGA
4.2 可编程逻辑器件的设计流程
4.3 Quartus lI的使用
4.3.1 Quartus II的特点
4.3.2 Quartus II的设计流程
4.4 应用举例
4.4.1 设计任务
4.4.2 频率计的工作原理
4.4.3 功能模块的实现
4.4.4 频率计的总体电路
4.4.5 完成步骤
第五章 Protel 99 SE在电路设计与制作时的应用
5.1 Protel 99 SE概述
5.2 原理图设计
5.3 印制电路板的设计
5.3.1 元器件封装库的制作
5.3.2 向导式绘制电路板
5.3.3 人工绘制PCB板
5.3.4 计算机辅助设计PCB板
5.4 PCB布局及布线原则
5.5 PCB设计应用实例
5.5.1 从原理图到PCB
5.5.2 手工绘制PCB
第六章 PCB板的制作
6.1 PCB板的腐蚀法制作
6.1.1 PCB设计与打印
6.1.2 热转印
6.1.3 腐蚀与钻孔
6.2 PCB板的雕刻法制作
6.2.1 雕刻机的工作原理
6.2.2 加工文件的生成
6.2.3 雕刻机制板
第七章 电子线路的抗电磁干扰设计
7.1 概述
7.1.1 电磁干扰入侵的途径
7.1.2 抑制电磁干扰的基本思路
7.1.3 抗电磁干扰的基本措施
7.2 抗电磁干扰设计
7.2.1 输入信号线的选择与连接
7.2.2 滤波器设计
7.2.3 屏蔽层设计
7.2.4 接地的设计
7.2.5 信号隔离的设计
第八章 电子线路故障检修的基本方法
8.1 直观检查法
8.2 电阻测量法
8.3 电压测量法
8.4 电流测量法
8.5 波形测量法
8.6 元器件代换法
8.7 信号注入法
8.8 分割法
8.9 短路法
第九章 科技论文写作
9.1 概述
9.1.1 科技论文写作的性质与功能
9.1.2 科技论文写作的基本特征
9.1.3 科技论文写作的意义
9.2 科技论文写作的基本要求
9.2.1 科技论文的类型
9.2.2 科技论文的写作要求
9.2.3 科技论文的编写格式及规范
9.2.4 章、条的编号
附录
参考文献
精彩书摘
3.功能仿真
功能仿真也叫前仿真。用户所设计的电路必须在编译之前进行逻辑功能验证,此时的仿真没有延时信息,对于初步的功能检测非常方便。仿真前,要先利用波形编辑器和硬件描述语言等建立波形文件和测试向量(即将所关心的输入信号组合成序列),仿真结果将会生成报告文件和输出信号波形,从中便可以观察到各个节点的信号变化。如果发现错误,则返回设计输入中修改逻辑设计。
4.设计处理
设计处理是器件设计中的核心环节。在设计处理过程中,编译软件将对设计输入文件进行逻辑化简、综合优化和适配,最后产生编程用的编程文件。
(1)语法检查和设计规则检查
设计输入完成后,首先进行语法检查,如原理图中有无漏连信号线、信号有无双重来源、文本输入文件中关键字有无输错等各种语法错误,并及时列出错误信息报告供设计人员修改,然后进行设计规则检验,检查总的设计有无超出器件资源或规定的限制,并将编译报告列出,指明违反规则情况以供设计人员纠正。
(2)逻辑优化和综合
化简所有的逻辑方程或用户自建的宏,使设计所占用的资源最少。综合的目的是将多个模块化设计文件合并为一个网表文件,并使层次设计平面化。
(3)适配和分割
确立优化以后的逻辑能否与器件中的宏单元和I/O单元适配,然后将设计分割为多个便于识别的逻辑小块形式映射到器件相应的宏单元中。如果整个设计较大,不能装入一片器件时,可以将整个设计划分(分割)成多块,并装入同一系列的多片器件中去。分割可全自动、部分或全部用户控制,目的是使器件数目最少,器件之间通信的引脚数目最少。
(4)布局和布线
布局和布线工作是在上面的设计工作完成后由软件自动完成的,它以最优的方式对逻辑元件布局,并准确地实现元件间的互连。布线以后软件自动生成报告,提供有关设计中各部分资源的使用情况等信息。
5.时序仿真
时序仿真又称后仿真或延时仿真。由于不同器件的内部延时不一样,不同的布局布线方案也给延时造成不同的影响,因此在设计处理以后,对系统和各模块进行时序仿真,分析其时序关系,估计设计的性能,以及检查和消除竞争冒险等是非常有必要的。实际上这也是与器件实际工作情况基本相同的仿真。
……
前言/序言
应用能力培养是高等职业教育的最重要环节,但由于高职教育的历史不长,很多学校还普遍存在重理论轻实践的倾向,直接导致了一直困扰广大师生的两个问题:一是学生感到学习内容枯燥难懂,学习兴趣不大;二是学生毕业后很长一段时间不能将所学知识用于生产实践,造成理论与实践的严重脱节。究其原因,主要是我们对高等职业教育的目标定位、办学指导思想及高职的教育规律的认识存在偏差。
近年来,特别是2006年开始的示范建设以来,国内高职院校在人才培养模式上进行了大刀阔斧的改革。作为首批国家示范校,我校深刻把握高等职业教育的内涵,对教学内容、教学方法和培养目标进行了准确的定位,对课程进行了较大的整合。在充分的市场调研和对毕业生的跟踪调查的基础上,设置了一些市场情景好、社会需求量大的应用性课程,对教学内容进行了优化,大幅度增加了实践教学的学时,使学生在校期间动手的机会大大增加,使毕业生的就业竞争力大大增强。
我校曾在03级家电专业、03级及04级电子专业安排了历时一周的电子制作课程设计,效果非常好。通过课程设计,同学们初步掌握了电子产品的设计、制作的一些基本环节。但我们也感觉到,对于掌握电子设计与制作的基本内容从而达到独立完成一些具有一定难度的制作课题来说,一周的时间是远远不够的。因此,我们从05级开始,新开设了“电子设计与制作”课程,再配合课程设计,这样就可使广大同学能够比较全面地了解电子设计与制作的基本方法并通过实际动手操作提高自己的实践能力,我们相信,通过系统的学习与训练,同学们的动手能力一定能够有较大的飞跃。
本课程是在学生完成了模拟电路、数字电路、高频电路、单片机、Protel99SE等课程的学习后,掌握了电子技术的基本理论,同时具备必要的实践能力后开设的。本课程的目的就是通过课程的学习,使学生能够运用所学知识完成简单电子产品的设计与制作,掌握电子产品的设计方法、制作工艺、调试技巧、故障维修方法及初步的科技论文写作规范,培养创新意识和实践能力,为今后走向工作岗位奠定良好的基础。
本课程的实践性很强,因此,要求同学们能够理论联系实际,在充分消化吸收课本知识的基础上多动手、多思考。要自觉培养自己的工程意识,学会在实践中发现问题、分析问题、解决问题。要善于运用各种方法,如查阅图书资料、上网查寻等解决在设计和制作中出现的问题。本课程的开设为同学们提供了一个创新与实践的平台,也许同学们的某一次设计和制作最终没有得到理想的结果,但只要认真地思考过、解决过、相互商量过,总是有收获的。
《电子设计与制作的探索之旅》 这是一本旨在为电子爱好者、初学者以及相关专业学生提供扎实理论基础与丰富实践指导的入门读物。它并非一本堆砌公式与概念的枯燥手册,而是致力于点燃你对电子世界的探索热情,引导你逐步掌握电子设备的设计、搭建与调试能力。本书以一种循序渐进、通俗易懂的方式,深入浅出地剖析了电子技术的核心原理,并结合大量贴近实际的案例,让你在理论学习的同时,能够亲手实践,感受电子的魅力。 第一章:开启你的电子世界之门 本章将为你揭开电子学的神秘面纱。我们将从最基本的概念入手,例如电荷、电流、电压与电阻,并通过生动形象的比喻,帮助你理解这些抽象的概念。你将了解到欧姆定律是如何支配电路行为的,它如同电子世界的交通规则,指导着电流的流动。我们还将介绍不同类型的电子元器件,如电阻、电容、电感,它们如同乐高积木,是你构建复杂电路的基础。你将学习如何识别它们的标识、理解它们的特性,以及它们在电路中扮演的关键角色。同时,本章还会引入一些基础的电路符号和原理图解读方法,让你能够读懂那些看似复杂的电路图,如同掌握了一门新的语言。 第二章:直流电路的奥秘 直流电路是电子技术的基础,本章将带你深入探索其奥秘。你将学习串联电路和并联电路的工作原理,理解电流和电压在不同连接方式下的分配规律。我们将介绍基尔霍夫电压定律和电流定律,它们是分析复杂直流电路的有力工具。通过丰富的图示和实例,你将学会如何计算电路中的电流、电压和功率,从而能够预测电路的实际工作状态。本章还会引入一些常用的直流电源,如电池和稳压电源,以及如何使用万用表等基本测量仪器进行直流电路的测量与诊断,让你能够动手验证理论,解决实际问题。 第三章:交流电的奇妙世界 与直流电不同,交流电在我们的生活中无处不在。本章将为你揭示交流电的独特魅力。你将学习交流电的产生原理,理解正弦波的特性,如频率、幅值和相位。我们将深入探讨电容和电感在交流电路中的行为,它们会表现出与直流电路截然不同的特性——电抗。你将了解容抗和感抗的概念,以及它们与频率的关系。本章还会介绍阻抗的概念,它是交流电路中电流流动总的“阻碍”,并学习如何计算交流电路的总阻抗。通过分析RLC串联和并联电路,你将掌握交流电路的分析方法,并了解调谐电路等在实际中的应用。 第四章:半导体器件:电子技术的核心驱动 半导体器件是现代电子技术的基石,本章将为你揭示它们的运作原理。我们将从最基本的半导体材料(如硅和锗)开始,理解它们的导电特性。你将详细学习二极管的工作原理,了解它如同一个单向阀门,只允许电流在一个方向上通过。我们将介绍不同类型的二极管,如整流二极管、稳压二极管、发光二极管(LED)以及光电二极管,并探讨它们在电路中的具体应用,如整流、稳压、发光照明和光电传感。紧接着,你将进入三极管的世界,理解它作为电子开关和放大器的核心作用。我们将介绍双极结型晶体管(BJT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)这两种最常见的晶体管类型,阐述它们的电学特性、工作区域以及在放大电路和开关电路中的应用。 第五章:基础放大电路的设计与分析 放大电路是将微弱信号放大的关键。本章将聚焦于放大电路的设计与分析。你将学习不同类型的放大电路,如共发射极放大电路、共集电极放大电路和共基极放大电路,理解它们各自的增益特性和输入输出阻抗。我们将深入探讨放大器的偏置问题,这是确保放大器正常工作的关键。你将学习如何选择合适的偏置电路,以获得稳定的工作点。此外,本章还会介绍反馈的概念,理解正反馈和负反馈对放大器性能的影响,特别是负反馈如何提高放大器的稳定性、降低失真并扩展带宽。通过实际的电路设计示例,你将能够亲手搭建简单的放大电路,并验证其放大效果。 第六章:集成电路:功能的集成与应用的飞跃 集成电路(IC)是电子技术发展史上的里程碑,它将大量的电子元器件集成在一块小小的芯片上。本章将为你打开集成电路的大门。你将了解不同类型的集成电路,如模拟集成电路和数字集成电路。我们将重点介绍运算放大器(Op-amp),它是一种功能强大的通用模拟集成电路,能够实现各种复杂的信号处理功能,如加法、减法、积分、微分等。你将学习如何使用运算放大器搭建各种实用电路,如电压跟随器、比较器、有源滤波器等。对于数字集成电路,你将初步了解逻辑门(如AND、OR、NOT、XOR门)的基本原理,它们是构建数字电路的基础。本章还将介绍常用的数字集成电路芯片,如多谐振荡器、计数器等,以及它们在实际应用中的作用。 第七章:电源电路的设计与制作 稳定可靠的电源是所有电子设备正常工作的生命线。本章将详细介绍电源电路的设计与制作。你将学习如何将市电(交流电)转换为稳定的直流电,这通常涉及到变压、整流、滤波和稳压等几个关键环节。你将深入理解变压器的作用,以及如何根据需求选择合适的变压器。整流电路将介绍全波整流和半波整流的原理,以及如何利用二极管实现。滤波电路将讲解电容滤波和电感滤波的原理,以及如何减小电源的纹波。稳压电路将介绍线性稳压器和开关稳压器的工作原理,以及如何选择合适的稳压芯片以获得所需的输出电压和电流。本章还会介绍一些常见的电源保护电路,如过压保护和过流保护,以确保电源的安全运行。 第八章:基础数字逻辑与常用数字电路 数字电路是现代电子设备的核心。本章将为你深入浅出地介绍数字逻辑的基础概念和常用数字电路。你将学习二进制数系统、逻辑门(AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR)的工作原理以及它们之间的逻辑关系。你将了解组合逻辑电路的设计方法,如卡诺图化简,以及如何利用逻辑门构建简单的组合逻辑功能,如编码器、译码器、多路选择器和数据分配器。接着,你将学习时序逻辑电路的概念,并了解触发器(如RS触发器、D触发器、JK触发器)的工作原理,它们是构建存储单元的基础。本章还将介绍常见的时序逻辑电路,如移位寄存器和计数器,并展示它们在数字系统中的应用,例如数字显示、定时控制等。 第九章:传感器与执行器:连接虚拟与现实的桥梁 传感器是将物理世界的信息转换为电信号的“眼睛”和“耳朵”,而执行器则是将电信号转换为物理动作的“手臂”和“腿脚”。本章将为你介绍各种常用的传感器和执行器,以及如何将它们集成到你的电子项目中。你将学习不同类型的传感器,如温度传感器(如NTC热敏电阻、LM35)、光传感器(如光敏电阻、光电耦合器)、压力传感器、位移传感器等,理解它们的工作原理以及如何读取它们的输出信号。同时,你还将了解各种执行器,如LED(发光二极管)、继电器、电动机、舵机、蜂鸣器等,以及如何通过驱动电路控制它们的动作。本章将通过一些实例,演示如何利用传感器采集信息,并通过执行器实现相应的控制功能,从而搭建出能够与环境互动的智能系统。 第十章:电路的焊接与制作技巧 理论知识需要通过实践来落地。本章将为你提供一套实用的电路焊接与制作技巧。你将学习如何正确使用烙铁、焊锡丝和助焊剂,掌握基本的焊接方法,包括单线焊接、多线焊接以及焊盘的清洁与处理。我们将指导你如何识别和选择合适的印制电路板(PCB),并介绍几种常用的PCB制作方法,如手工绘制、曝光蚀刻以及万用板搭接。此外,本章还会分享一些提高制作效率和质量的技巧,例如如何合理布局元器件、如何进行导线连接、如何进行电路的初步检查和故障排除,以及如何对制作完成的电路进行美化和封装,让你能够自信地将你的设计变为现实。 第十一章:常用电子测量仪器与调试方法 在电子制作过程中,熟练使用各种测量仪器是必不可少的。本章将为你介绍几种最常用的电子测量仪器,如数字万用表、示波器、信号发生器和逻辑分析仪。你将学习如何正确使用数字万用表测量电压、电流、电阻和通断,掌握示波器观察信号波形、测量幅值和周期的方法,以及信号发生器产生各种测试信号。本章还将重点讲解电路调试的系统方法。你将学习如何根据电路原理图进行逐级检查,如何利用测量仪器定位故障点,以及常见的故障排除技巧,例如开路、短路、虚焊、元器件损坏等。通过这些内容的学习,你将能够更高效、更准确地对你的电子项目进行测试和调试,确保其正常工作。 第十二章:嵌入式系统入门与微控制器应用 进入现代电子技术领域,嵌入式系统和微控制器是不可或缺的部分。本章将为你打开嵌入式系统的大门。你将初步了解嵌入式系统的概念,理解其组成部分,包括微控制器、存储器、输入输出接口等。我们将以一种常见的微控制器平台(如Arduino)为例,介绍其硬件结构和开发环境。你将学习如何使用简单的C语言编写程序,实现对微控制器的控制,例如读取传感器数据、控制LED闪烁、驱动显示屏等。本章将通过一系列由浅入深的实践项目,让你能够亲手搭建基于微控制器的简单应用,如自动浇水系统、智能小车、温湿度监测器等,从而体验嵌入式系统带来的无限可能。 第十三章:电子制作项目实践指导 理论的升华在于实践。本章将为你提供若干精心设计的电子制作项目,涵盖不同难度和应用方向,让你能够将前述章节中学到的知识融会贯通。我们将提供详细的电路原理图、元器件清单、PCB布局图(或万用板接线图)以及详细的制作步骤说明。项目设计将充分考虑初学者的能力,同时也为有一定经验的爱好者提供挑战。例如,你可以尝试制作一个简易的电子琴,感受音乐的乐趣;搭建一个自动感应小夜灯,体验智能家居的便捷;或者组装一个遥控小车,探索无线控制的奥秘。每个项目都将附带详细的调试方法和故障排除指导,帮助你顺利完成制作,并在实践中巩固和提升你的电子技术能力。 第十四章:电子技术的发展趋势与未来展望 电子技术日新月异,本章将带你放眼未来,了解当前电子技术的前沿发展和未来趋势。你将了解到物联网(IoT)的兴起,以及它如何将物理世界与数字世界紧密连接。我们将探讨人工智能(AI)在电子领域的应用,例如智能硬件、机器学习芯片等。此外,你还将接触到可穿戴设备、智能家居、机器人技术、3D打印电子元器件等新兴领域,了解它们如何改变我们的生活。本章旨在激发你对电子技术的持续学习热情,引导你关注行业动态,为你的未来学习和职业发展指明方向。 本书力求以一种“授人以渔”的方式,让你不仅掌握现有的电子技术知识,更能培养独立思考、解决问题的能力,从而在电子世界的海洋中,开启属于你自己的精彩探索之旅。