硬件电路设计与电子工艺基础

目 录
第1章 电子系统设计概论 1
1．1 电子系统设计的基本工作流程 1
1．2 分析设计任务、查找参考方案、拟定初步设计方案 2
1．3 单元电路仿真及系统集成仿真 2
1．4 设计电路PCB 4
1．5 元器件选型 5
1．6 加工、制作电路PCB 6
1．7 电路的装配、焊接及调试 6
1．8 修改、升级原先的设计方案，整理并完成设计文档 6
第2章 电子元器件的分类、功能及选型 7
2．1 元器件的分类、参数及封装 7
2．1．1 元器件的参数标称值 7
2．1．2 元器件的型号及参数标注 9
2．2 电阻器 13
2．2．1 电阻器的常见类型 14
2．2．2 电阻器的主要参数 16
2．2．3 电阻器的串联与并联 17
2．2．4 电阻器的选型 19
2．2．5 排阻 20
2．2．6 保险管 21
2．2．7 熔断电阻 22
2．2．8 敏感电阻 23
2．3 电位器 26
2．3．1 电位器的内部结构及工作原理 27
2．3．2 电位器的基本工作电路 27
2．3．3 常用电位器的分类 28
2．3．4 电位器的主要参数 32
2．3．5 电位器的选型 34
2．4 电容器 35
2．4．1 电容器的功能概述 36
2．4．2 电容器的主要种类 36
2．4．3 电容器的主要参数 44
2．4．4 电容器的串联与并联 46
2．4．5 电容器的选型 47
2．5 电感器 49
2．5．1 电感器的结构 49
2．5．2 电感器的主要参数 52
2．5．3 电感器的串联与并联 55
2．5．4 常用电感器 56
2．5．5 电感器选型及注意事项 58
2．6 变压器 58
2．6．1 变压器的种类、特性及设计 59
2．6．2 变压器的主要参数 59
2．6．3 变压器的主要分类 60
2．7 晶振 62
2．7．1 无源晶振 62
2．7．2 有源晶振 63
2．7．3 常用的晶振频率 63
2．8 电声器件 63
2．8．1 麦克风 63
2．8．2 扬声器 65
2．8．3 蜂鸣器 66
2．9 半导体二极管 67
2．9．1 二极管的结构工艺及封装 67
2．9．2 二极管的分类 68
2．9．3 二极管的参数及选型 71
2．9．4 二极管使用时的注意事项 71
2．10 发光二极管 72
2．10．1 LED的外形特征 72
2．10．2 LED应用电路 72
2．11 三极管（双极型晶体管） 73
2．11．1 三极管的常见类型 74
2．11．2 三极管型号的识别 75
2．11．3 三极管的选用原则及注意事项 75
2．12 场效应管 75
2．12．1 场效应管的分类 76
2．12．2 MOSFET的正确使用 76
2．13 集成芯片 76
2．13．1 常用集成芯片的基本分类及使用 77
2．13．2 集成芯片的型号命名规则 77
2．13．3 常用集成芯片的封装及引脚排列规律 78
2．13．4 集成芯片的正确使用 79
2．14 接插件 80
2．14．1 排针与排插 81
2．14．2 排针与杜邦线 81
2．14．3 接插件的防呆工艺 82
2．14．4 集成芯片插座 82
2．14．5 其他常用接插件 84
2．15 开关与继电器 84
2．15．1 翻转开关 85
2．15．2 自复位按钮 88
2．15．3 电磁继电器 89
2．15．4 开关的机械抖动与消抖 91
习题 93
第3章 模拟电路功能模块设计 94
3．1 模拟电路设计概述 94
3．1．1 模拟电路的基本结构 94
3．1．2 模拟电路的发展趋势 95
3．2 集成运放基础 96
3．2．1 集成运放电路的实用分析方法及步骤 96
3．2．2 集成运放的电源供电 96
3．2．3 集成运放的输出调零 97
3．2．4 集成运放的负载驱动能力 98
3．3 电压放大及转换电路设计 99
3．3．1 同相比例运算放大电路 99
3．3．2 同相交流放大电路 100
3．3．3 反相比例运算放大电路 101
3．3．4 反相交流放大电路 102
3．3．5 交流信号分配电路 102
3．3．6 反相加法电路 103
3．3．7 差动减法电路 103
3．3．8 仪表放大器电路 105
3．3．9 反相积分电路 106
3．3．10 反相微分电路 106
3．3．11 峰值检测电路 107
3．3．12 精密整流电路 108
3．3．13 电流-电压转换电路 109
3．3．14 电压-电流转换电路 110
3．4 电压比较器电路设计 111
3．4．1 单限电压比较 111
3．4．2 迟滞电压比较 113
3．4．3 窗口电压比较 114
3．5 功率放大电路设计 115
3．5．1 OTL功放 115
3．5．2 OCL功放 116
3．5．3 BTL功放 117
3．6 有源滤波电路设计 118
3．6．1 滤波电路的计算机辅助设计 119
3．6．2 低通滤波电路（LPF） 122
3．6．3 高通滤波电路（HPF） 123
3．6．4 带通滤波电路（BPF） 123
3．6．5 带阻滤波电路（BEF） 124
3．7 波形发生器电路设计 125
3．7．1 正弦波振荡电路 125
3．7．2 矩形波振荡电路 127
3．7．3 三角波发生电路 128
3．8 晶体管驱动电路设计 129
3．8．1 晶体管反相驱动电路 129
3．8．2 功率负载驱动电路 130
习题 130
第4章 数字电路单元设计 131
4．1 CMOS逻辑门 131
4．1．1 逻辑门的特殊类型 132
4．1．2 逻辑门的等效替换 133
4．1．3 提高CMOS逻辑门的驱动能力 134
4．2 组合逻辑电路设计 134
4．2．1 二进制译码器74HC138 135
4．2．2 显示译码器 137
4．2．3 数值比较器74HC85 139
4．2．4 数据选择器74HC151 140
4．3 计数器设计 142
4．3．1 同步计数器74HC160/161 142
4．3．2 可逆计数器74HC192/193 143
4．3．3 计数器级联 144
4．4 移位寄存器设计 144
4．4．1 串入-串/并出8位移位寄存器74HC164 145
4．4．2 串入-并出8位移位寄存器74HC595 145
4．4．3 串/并入-串出8位移位寄存器74HC165、74HC166 146
4．4．4 双向4位移位寄存器74HC194 147
4．4．5 十进制脉冲分配器CD4017 149
4．5 锁存器设计 150
4．6 触发器设计 151
4．7 单稳态触发器设计 152
4．7．1 不可重复触发单稳态触发器 152
4．7．2 可重复触发单稳态触发器 153
4．8 多谐振荡电路设计 154
4．8．1 CD4047构成多谐振荡电路 154
4．8．2 CD4060构成多谐振荡/分频电路 154
4．8．3 逻辑门构成多谐振荡电路 155
4．8．4 采用晶振的多谐振荡电路 157
4．9 模拟开关设计 159
4．9．1 4路双向模拟开关74HC4066 159
4．9．2 单8/双4路模拟开关ADG608/609 160
4．10 555定时器设计 161
4．10．1 多谐振荡电路设计 161
4．10．2 单稳态电路设计 162
4．10．3 施密特触发器设计 163
习题 163
第5章 电源电路设计基础 164
5．1 线性直流电源电路设计 164
5．1．1 整流电路 164
5．1．2 滤波电路 167
5．1．3 电压基准TL431 168
5．1．4 串联反馈型稳压电源电路 169
5．1．5 固定电压集成稳压芯片 169
5．1．6 电压可调集成稳压芯片 170
5．1．7 低压差LDO集成稳压电路 170
5．2 开关电源电路 171
5．2．1 降压型BUCK电路 171
5．2．2 升压型BOOST电路 172
5．2．3 负电源转换电路 173
5．3 电流检测电路设计 174
5．4 电池 174
5．4．1 碱性电池、碳性电池 174
5．4．2 镍氢电池、镍镉电池 175
5．4．3 铅蓄电池 175
5．4．4 一次性锂电池 175
5．4．5 可充电锂电池 176
5．4．6 银锌电池 176
5．4．7 太阳能电池 176
习题 176
第6章 电路设计与软件仿真 177
6．1 Multisim仿真软件基本操作 177
6．1．1 软件使用须知 177
6．1．2 软件操作界面 177
6．1．3 仿真元器件库 180
6．1．4 虚拟仿真仪器库 183
6．2 模拟电路的仿真 184
6．2．1 电气连线、电气节点的放置与删除 185
6．2．2 电源、信号源、参考地的设置 185
6．2．3 虚拟示波器的设置 187
6．2．4 虚拟万用表的设置 192
6．2．5 电位器的参数调整 193
6．2．6 模拟电路的仿真、调试 193
6．3 数字电路的仿真 194
6．3．1 数字集成芯片 194
6．3．2 时钟源、电源及数字地 194
6．3．3 虚拟逻辑分析仪 195
6．3．4 虚拟函数信号发生器 196
6．3．5 运行数字电路仿真 197
6．3．6 绘制总线 198
6．3．7 按钮与开关在数字电路中的应用 200
6．4 子电路的创建 202
6．4．1 子电路的创建 202
6．4．2 搭建子电路的内部电路结构 202
6．4．3 子电路输入/输出端口设定 203
6．4．4 调用子电路完成电路的仿真 203
习题 204
第7章 计算机辅助电路PCB设计 205
7．1 印制电路板设计概述 205
7．1．1 PCB的演变历史 205
7．1．2 PCB设计的任务及要求 205
7．1．3 基于Altium Designer的PCB设计流程 206
7．2 电路原理图设计 206
7．2．1 创建并保存PCB工程、原理图设计文件 207
7．2．2 加载原理图库文件 210
7．2．3 原理图库元器件在绘图工作区中的操作 213
7．2．4 电气连线 221
7．3 设计PCB 224
7．3．1 PCB设计流程 224
7．3．2 新建PCB文件 224
7．3．3 PCB的长度计量单位 227
7．3．4 PCB板外框的规划设计 227
7．3．5 将电路原理图导入PCB设计文件 229
7．3．6 元器件在PCB中的布局 231
7．3．7 设定PCB的布线规则 234
7．3．8 对PCB进行电气布线 238
7．4 编辑原理图库元器件 245
7．4．1 新建原理图库文件 245
7．4．2 创建并编辑原理图库元器件 246
7．4．3 修改并编辑系统自带的原理图库元器件 251
7．5 创建PCB封装库元器件 253
7．5．1 新建并保存PCB库文件 253
7．5．2 PCB封装库元器件的创建流程 254
7．5．3 加载自制的PCB封装库文件 257
习题 257
第8章 电路PCB加工及制作工艺 258
8．1 PCB制板工艺概述 258
8．1．1 敷铜板 258
8．1．2 电路PCB 259
8．2 丝网印刷制板工艺 261
8．2．1 单层PCB的丝网印刷工艺 261
8．2．2 双层PCB的丝网印刷工艺 262
8．2．3 多层PCB的丝网印刷工艺 262
8．3 手绘制板工艺 262
8．3．1 鸭嘴笔手绘制板工艺 262
8．3．2 手绘制板工艺的应用范围及局限性 263
8．4 紫外曝光制板工艺 263
8．5 雕刻制板工艺 264
8．5．1 手工雕刻PCB制板工艺 264
8．5．2 机械雕刻PCB制板工艺 265
8．5．3 激光雕刻PCB制板工艺 265
8．6 热转印PCB制板工艺 265
8．6．1 热转印PCB制板工艺的特点 265
8．6．2 针对热转印工艺对PCB板图进行修改 266
8．6．3 热转印PCB制板工艺的基本流程 267
8．7 金属墨滴PCB制板工艺 273
习题 273
第9章 元器件装配、焊接及拆焊工艺 274
9．1 装配工艺 274
9．1．1 直插元器件在PCB中的插装 274
9．1．2 元器件插装前的准备工作 277
9．1．3 元器件插装过程中的典型故障 279
9．2 常规电子焊接工艺 280
9．2．1 电子焊接工艺概述 280
9．2．2 常用焊接工艺的分类 280
9．2．3 锡焊的原理及基本条件 281
9．2．4 焊料 283
9．2．5 助焊剂 285
9．2．6 电烙铁 286
9．2．7 其他焊接辅助工具 292
9．2．8 手工焊接工艺 298
9．2．9 特殊元器件的焊接工艺 303
9．3 拆焊工艺 304
9．3．1 毁坏式拆焊工艺 304
9．3．2 手工逐点拆焊工艺 304
9．3．3 局部集中加热拆焊工艺 307
9．3．4 拆焊工艺的特点 307
9．4 表面贴装焊接工艺 308
9．4．1 贴片元器件的特点 308
9．4．2 贴片元器件的手工焊接及拆焊工艺 309
习题 313
第10章 元器件参数测试、质量检测及等效代换 314
10．1 电阻类元器件的测量与测试 314
10．1．1 固定电阻的检测 314
10．1．2 固定电阻的故障判别及其替换 316
10．1．3 熔断电阻器的检测 316
10．1．4 敏感电阻的检测 317
10．1．5 电位器的检测 317
10．2 电容器的测量与测试 318
10．2．1 使用数字万用表对电容器进行参数测试 318
10．2．2 使用模拟万用表对电容器进行性能评估及故障检测 319
10．2．3 电容器的故障类型及判别方法 320
10．2．4 采用观察法识别电容器故障 320
10．2．5 电容器的等效代换原则 321
10．3 电感器与工频变压器的检测 321
10．3．1 电感器的故障类型及检测 321
10．3．2 工频变压器的检测 322
10．3．3 工频变压器的主要故障及维修 323
10．4 二极管的识别与测试 323
10．4．1 利用数字万用表的二极管挡测试普通二极管 323
10．4．2 利用模拟万用表的欧姆挡测试普通二极管 324
10．4．3 稳压二极管的检测 324
10．4．4 LED的检测 324
10．4．5 桥堆的检测 325
10．5 三极管的引脚识别及质量检测 325
10．5．1 三极管的引脚排列规律 325
10．5．2 双极型三极管的检测 326
10．5．3 MOSFET场效应管的检测 327
10．6 集成芯片的测试 327
10．7 驻极体麦克风的简单性能检测 328
10．8 开关类元器件的检测 328
习题 328
第11章 电路系统调试工艺 329
11．1 电路系统调试人员需要具备的基本技能 329
11．2 常用的电路系统调试仪器仪表 330
11．3 电路系统调试的基本步骤 331
11．3．1 预检查 331
11．3．2 通电调试 332
11．3．3 整机联调 334
11．4 电路调试过程中的常见故障排查 334
11．4．1 观察法 335
11．4．2 测量法 336
11．4．3 替换法 337
习题 338
第12章 电子电路课程设计示例 339
12．1 电子电路课程设计概述 339
12．2 电子电路课程设计示例 340
12．3 电子电路课程设计的总结与展望 346
习题 346
附录A 模拟电路常用元器件的内部结构及引脚排列 347
附录B 常用数字集成逻辑电路的型号及功能 348
附录C 元器件常见封装前缀的含义及尺寸 350
附录D 常用稳压二极管的标称稳压值 351
附录E 元器件单位的数量级标识 352
附录F Altium Designer软件中的常用原理图库元器件 353
附录G 常用元器件在Altium Designer软件中的封装参数（单位：mil） 355
参考文献及网站资源 358