电子综合实践与创新

前言
当今社会，电子技术迅速发展，在自动控制、通信、计算机及家用电器等领域的应用日益广泛。电子技能实训是电子技术的一个重要的实践性环节。本书旨在培养学生的实践技能和创新精神，使学生了解电子产品的设计、生产过程，掌握基本的电子技术知识和实践技能。
本书是根据电类相关专业对电子技能的基本要求，结合电子技能教学实践和当前电子技术发展的新形势，针对学生实践能力和创新能力的培养而编写的。书中介绍了电子元器件、电子技术基本操作技能的训练、印制电路板的过程、焊接技术、电子元器件安装与调试、利用Altium Designer绘制原理图、PCB图以及Multisim和Proteus仿真软件的使用，介绍了电子系统综合设计的方法和步骤，列举了10个电子综合设计项目，介绍了原理、制作、调试维修方法。具体特点如下。
（1） 本书在详细介绍常用电子元器件的基本知识、选择和使用的同时，还介绍了利用Altium Designer绘制电子电路原理图。这些电路都是根据电子技术基础课程要求的基本单元电路。通过结合具体的电子产品，可训练学生读图能力和绘制单元电子电路技能，使理论与实践有机结合，为维修电子设备和开发新的电子产品打下良好的基础。   
（2） 本书详细介绍了电子系统综合设计的方法、步骤、常见问题及解决方法，使学习者掌握扎实的基本功。
（3） 本书力求突出工程技能训练的思想，在内容上注意广泛性、科学性和实用性。同时，还从电子技能实训实际的角度出发，培养学生的分析、动手能力和解决实际问题的能力，提高电子电路的设计能力和创新意识。
本书由郑州轻工业学院的王俊杰负责编写第1章和7.3～7.10节；河南省工业设计学校的王晓静负责编写第2章和7.1～7.2节；郑州轻工业学院的黄思晨负责编写电子技术实训部分第3章；郑州轻工业学院的赵明辉负责编写第4章；郑州轻工业学院的郭根负责编写第5章；郑州轻工业学院的周振负责编写第6章。王俊杰负责全书的统稿及协调工作。本书适用于高等学校理工类专业学生使用，也可供从事电工、电子技术工作的有关人员参考。
由于我们的水平有限，书中难免有不妥之处，衷心欢迎读者，特别是使用本书的教师和同学们批评指正，提出改进意见。

编者2019年5月〖1〗〖2〗

本书共7章，第1、2章介绍常用电子元器件、电子技术基本操作技能、印制电路板的制作、焊接技术，第3～5章介绍利用Altium Designer软件绘制原理图、设计PCB图以及仿真软件的使用；第6章介绍电子系统综合设计的方法及步骤，第7章列举了10个电子综合设计项目及其具体的原理、制作方法和调试维修方法。本书作者具有多年的实践教学经验,多次指导大学生创新训练项目及竞赛。本书内容丰富、实践性强，可供高等学校理工类专业学生使用，也可供从事电工、电子技术工作的有关人员参考。

目录
第1章常用电子元器件的识别与简易测试1
1.1线性元件1
1.1.1电阻器1
1.1.2电位器7
1.1.3电容器10
1.1.4电感器13
1.2半导体分立元件18
1.2.1二极管18
1.2.2三极管23
1.3集成电路27
1.3.1集成电路的分类27
1.3.2集成电路的型号与命名28
1.3.3集成电路引脚识别30
1.3.4集成电路的选用和使用注意事项30
1.4思考题31第2章电子技术基本操作技能的训练32
2.1印制电路板的设计与制作32
2.1.1印制电路板的基本知识32
2.1.2印制电路板的设计34
2.1.3印制电路板的制造工艺37
2.2常用焊接工艺61
2.2.1焊接基础知识62
2.2.2电烙铁的使用与维护63
2.2.3焊料与焊剂的选用67
2.2.4电烙铁钎焊要领69
2.2.5几种焊接实践71
2.2.6焊接质量检验73
2.2.7拆焊74
2.3思考题76〖1〗〖2〗第3章用Altium Designer 10进行电路设计77
3.1印制电路板与Protel概述77
3.2原理图设计78
3.3原理图库的建立87
3.3.1原理图库概述87
3.3.2编辑和建立元件库87
3.4创建PCB元器件封装91
3.4.1元器件封装概述91
3.4.2创建封装库的流程92
3.4.3绘制PCB封装库的操作步骤92
3.4.4利用向导创建元件库95
3.5PCB设计101
3.5.1PCB设计的概念和规则101
3.5.2PCB设计的步骤和操作方法102第4章Keil μVision4110
4.1Keil μVision4的安装110
4.2创建一个单片机工程114
4.3Keil μVision4的配置和使用117
4.4可执行文件的下载119
4.4.1AT51系列单片机的下载方法119
4.4.2STC51系列单片机的下载方法122第5章用Multisim和Proteus进行电路仿真125
5.1用Multisim进行模拟电路仿真125
5.1.1Multisim的用户界面125
5.1.2Multisim仿真基本操作128
5.1.3二极管参数测试仿真实验134
5.1.4二极管电路分析仿真实验135
5.1.5三极管特性测试137
5.1.6共射放大电路仿真实验138
5.1.7输入电阻测量142
5.1.8输出电阻的测量143
5.2用Proteus进行单片机电路仿真144
5.2.1Proteus的用户界面144
5.2.2绘制电路原理图144
5.2.3添加.hex仿真文件152第6章电子系统综合设计概述154
6.1电子系统154
6.1.1数字电子系统154
6.1.2模拟电子系统154
6.2电子系统的结构155
6.3电子系统的设计方法156
6.3.1自顶而下的设计方法156
6.3.2自底向上的设计方法157
6.3.3自顶而下与自底而上相结合的设计方法158
6.3.4嵌入式设计方法158
6.4电子系统设计的一般步骤159
6.4.1项目分析159
6.4.2方案的设计与论证159
6.4.3单元电路的设计与计算160
6.4.4安装调试161
6.4.5总结报告161
6.5电子系统综合实现的技术分析162
6.5.1模拟电子电路的设计方法162
6.5.2数字电子电路的设计方法167
6.6电子系统综合设计的工程问题171
6.6.1电子系统的抗干扰设计171
6.6.2电子系统的可靠性设计175第7章综合设计任务及要求180
7.1心形闪灯电路180
7.1.1实训目的180
7.1.2实训电路与工作原理180
7.1.3实训内容与实训步骤182
7.1.4实训注意事项182
7.1.5知识扩展182
7.1.6元器件清单183
7.2调光灯电路184
7.2.1实训目的184
7.2.2实训电路与工作原理184
7.2.3实训内容与实训步骤186
7.2.4实训注意事项187
7.2.5知识扩展187
7.2.6元器件清单189
7.3助听器电路190
7.3.1实训目的190
7.3.2实训电路与工作原理190
7.3.3实训内容与实训步骤191
7.3.4实训注意事项191
7.3.5知识扩展191
7.3.6元器件清单192
7.4智能循迹小车193
7.4.1实训目的193
7.4.2实训电路与工作原理193
7.4.3实训内容与实训步骤193
7.4.4实训注意事项195
7.4.5知识扩展195
7.4.6元器件清单197
7.5音频功率放大器197
7.5.1实训目的197
7.5.2实训电路与工作原理197
7.5.3实训内容与实训步骤199
7.5.4实训注意事项199
7.5.5知识扩展199
7.5.6元器件清单202
7.6电子沙漏202
7.6.1实训目的202
7.6.2实训电路与工作原理202
7.6.3实训内容与实训步骤203
7.6.4实训注意事项204
7.6.5知识扩展205
7.6.6元器件清单205
7.7基于51单片机的16位发光二极管摇摇棒电路设计205
7.7.1实训目的205
7.7.2实训电路与工作原理205
7.7.3实训内容与实训步骤206
7.7.4实训注意事项206
7.7.5知识扩展208
7.7.6元器件清单209
7.8脉搏心跳测量仪209
7.8.1实训目的209
7.8.2实训电路与工作原理210
7.8.3实训内容与实训步骤210
7.8.4实训注意事项210
7.8.5知识扩展212
7.8.6元器件清单212
7.9基于51单片机的心形灯213
7.9.1实训目的213
7.9.2实训电路与工作原理213
7.9.3实训内容与实训步骤213
7.9.4实训注意事项215
7.9.5知识扩展215
7.9.6元器件清单215
7.10花房温湿度光照检测系统216
7.10.1实训目的216
7.10.2实训电路与工作原理216
7.10.3实训内容与实训步骤216
7.10.4实训注意事项218
7.10.5知识扩展219
7.10.6元器件清单219参考文献221

本书共7章，第1、2章介绍常用电子元器件、电子技术基本操作技能、印制电路板的制作、焊接技术，第3～5章介绍利用Altium Designer软件绘制原理图、设计PCB图以及仿真软件的使用；第6章介绍电子系统综合设计的方法及步骤，第7章列举了10个电子综合设计项目及其具体的原理、制作方法和调试维修方法。本书作者具有多年的实践教学经验,多次指导大学生创新训练项目及竞赛。本书内容丰富、实践性强，可供高等学校理工类专业学生使用，也可供从事电工、电子技术工作的有关人员参考。

本教材使用*的国标，便于教学和使用。

第5章
用Multisim和Proteus进行电路仿真
Multisim是美国国家仪器（National Instruments,NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板卡级的模拟、数字电路板的设计。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司的EDA工具软件。它不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的单片机及外围器件仿真工具。虽然，目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师，以及单片机开发工作者的青睐。
本章主要讲解使用Multisim进行模拟电路仿真的方法和使用Proteus进行单片机电路仿真的方法。
5.1用Multisim进行模拟电路仿真〖*4/5〗5.1.1Multisim的用户界面Multisim的界面友好、功能强大、易学易用，受到电类设计、开发人员的青睐。Multisim用软件方法虚拟电子元器件及仪器仪表，将元器件和仪器集合为一体，是原理图设计、电路测试的虚拟仿真软件。
Multisim来源于加拿大图像交互技术（Interactive Image Technologies，IIT）公司推出的以Windows为基础的仿真工具，原名为EWB。IIT公司于1988年推出了一款用于电子电路仿真和设计的EDA工具软件Electronics Work Bench（电子工作台，EWB），因界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用而得到迅速地推广和使用。
1996年，IIT公司推出了EWB 5.0版，从EWB 6.0版开始，IIT公司对EWB进行了较大的变动，名称改为Multisim（多功能仿真软件）。IIT公司后被美国国家仪器公司收购，软件更名为NI Multisim。Multisim经历了多个版本的升级，已经有Multisim 2001、 Multisim 7、 Multisim 8、Multisim 9、Multisim 10等版本，从Multisim 9开始，增加了单片机和LabVIEW虚拟仪器的仿真和应用。
下面以Multisim 10为例介绍其基本操作。图51是Multisim 10的用户界面，包括菜单栏、标准工具栏、主工具栏、虚拟仪器工具栏、元器件工具栏、仿真按钮、状态栏、电路图编辑区等部分。
图51Multisim 10的用户界面
菜单栏与其他Windows应用程序相似，如图52所示。
图52Multisim的菜单栏
〖1〗〖2〗通过“选项”菜单下的“全局设定”和“图纸属性”子菜单项可进行个性化界面设置，Multisim 10提供了两套电气元器件符号标准。
ANSI（美国国家标准学会）: 美国标准，默认为该标准，本章采用默认设置。
DIN(德国国家标准学会): 欧洲标准，与中国标准一致。
工具栏是标准的Windows应用程序风格。
标准工具栏: 。
视图工具栏: 。
主工具栏及按钮名称如图53所示，元器件工具栏及按钮名称如图54所示，虚拟仪器工具栏及仪器名称如图55所示。
图53Multisim的主工具栏
图54Multisim的元器件工具栏
图55Multisim的虚拟仪器工具栏
项目管理器位于Multisim 10工作界面的左半部分，其中的电路以树状展示，主要用于层次电路的显示，其中的3个标签如下。
层级: 对不同电路的分层显示，在工具栏中单击“新建”按钮，将生成Circuit2电路。可见度: 设置是否显示电路的各种参数标识，例如集成电路的引脚名。
项目视图: 显示同一电路的不同页。
5.1.2Multisim仿真基本操作〖*2〗1. Multisim 10仿真的基本步骤（1） 建立电路文件。
（2） 放置元器件和仪表。
（3） 元器件编辑。
（4） 连线和进一步调整。
（5） 电路仿真。
（6） 输出分析结果。
2. 具体操作方法
（1） 新建电路文件。具体新建电路文件的方法有如下几种。
① 打开Multisim 10时自动打开空白电路文件Circuit1，保存时可以重新命名。
② 通过File|New菜单选项进行新建。
③ 在工具栏中单击New按钮进行新建。
④ 通过快捷键Ctrl N进行新建。
(2） 放置元器件和仪表。
Multisim 10的元件数据库有Master Database（主元件库）、User Database（用户元件库）和Corporate Database（合作元件库），后两个库由用户或合作人创建，新安装的Multisim 10中，这两个数据库是空的。
放置元器件的方法有如下几种。
(1) 菜单Place Component。
(2) 元件工具栏: 选中Place|Component。
(3) 在绘图区右击，利用快捷菜单进行放置。
(4) 按Ctrl W组合键。
放置仪表可以单击虚拟仪器工具栏相应按钮，或者使用菜单方式。
下面以晶体管单管共射放大电路中放置12V电源为例进行介绍。单击元器件工具栏中的“放置电源”按钮，得到如图56所示的界面。
图56电源放置
将修改电压值为12V，如图57所示。
图57修改电压源的电压值
用同样方式放置接地端和电阻，如图58所示。
图58放置接地端
图59为放置了元器件和仪器仪表的效果图，其中左下角是函数发生器，右上角是双通道示波器。
图59放置元器件和仪器仪表
3. 元器件编辑
（1） 元器件参数设置。双击元器件，会弹出相应的对话框，其中包括的选项卡如下。
Label: 标签。其中的Ref.des编号由系统自动分配，可以修改，但必须保证编号的性。
Display: 显示。
Value: 数值。
Fault: 故障设置。其中包括Leakage（漏电）、Short（短路）、Open（开路）、None（无故障）的设置。
Pins: 引脚。其中包括各引脚编号、类型、电气状态。
（2） 元器件向导（Component Wizard）。对特殊要求，可以用元器件向导编辑自己的元器件，一般是在已有元器件基础上进行编辑和修改。方法是选中Tools|Component Wizard菜单选项，按照规定步骤编辑，用元器件向导编辑生成的元器件放置在User Database（用户数据库）中。
4. 连线
(1） 自动连线: 单击起始引脚，鼠标指针变为“十”字形，移动鼠标至目标引脚或导线，再单击，则连线完成，当导线连接后呈现“丁”字交叉时，系统自动在交叉点放结点（Junction）。
(2） 手动连线: 单击起始引脚，鼠标指针变为“十”字形后，在需要拐弯处单击，可以固定连线的拐弯点，从而设定连线路径。
(3） 关于交叉点，Multisim 10默认“丁”字交叉为导通，“十”字交叉为不导通，对于“十”字交叉而希望导通的情况，可以分段连线，即先连接起点到交叉点，然后连接交叉点到终点；也可以在已有连线上增加一个结点，从该结点引出新的连线，添加结点可以使用Place|Junction菜单选项或者使用快捷键Ctrl J。
5. 进一步调整
(1） 调整位置。单击选定元件，移动至合适位置。
(2） 改变标号。双击进入属性对话框进行更改。
(3） 显示结点编号以方便仿真结果输出。选中Options|Sheet Properties|Circuit|Net Names|Show All菜单选项。
(4） 导线和结点删除。右击,从弹出的快捷菜单中选中Delete菜单项或者选中后按Delete键。
连线和调整后的电路如图510所示，图511所示为结点编号选择及进行结点编号后的电路图。
图510连线和调整后的电路图
图511电路图的结点编号显示
6. 电路仿真
电路仿真的基本方法如下。
(1) 按下仿真开关，电路开始工作，Multisim界面的状态栏右端出现仿真状态指示。
(2) 双击虚拟仪器，进行仪器设置，获得仿真结果。
图512是示波器界面，双击示波器，进行仪器设置，可以单击Reverse按钮将其背景反色，使用两个测量标尺，显示区给出对应时间及该时间的电压波形幅值，也可以用测量标尺测量信号周期。
图512示波器界面以及将背景反色后的界面
7. 输出分析结果
输出分析结果使用Simulate|Analyses菜单选项。以上述单管共射放大电路的静态工作点分析为例，步骤如下:
(1) 选中Simulate|Analyses|DC Operating Point菜单选项。
(2) 选择输出结点1、4、5，单击ADD、Simulate。
图513静态工作点分析
5.1.3二极管参数测试仿真实验
半导体二极管是由PN结构成的一种非线性元件。典型的二极管伏安特性曲线可分为4个区: 死区、正向导通区、反向截止区和反向击穿区。二极管具有单向导电性和稳压特性，利用这些特性可以构成整流、限幅、钳位、稳压等功能电路。
半导体二极管正向特性测试电路如图514所示。表51是正向测试的数据，从仿真数据可以看出，二极管电阻值Rd不是固定值，当二极管两端正向电压小时，处于“死区”，正向电阻很大、正向电流很小，当二极管两端正向电压超过死区电压时，正向电流急剧增加，正向电阻迅速减小，处于正向导通区。
图514二极管正向特性测试电路