時間：2023-12-20 15:18:47
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇電路板優(yōu)化設(shè)計，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關(guān)鍵詞:聯(lián)合測試行動組;邊界掃描;測試存取口;掃描鏈路;測試向量
中圖分類號:TP206文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1009-3044(2009)25-7295-03
Test Technology Based on Boundary Scan
CHEN Meng-dong, LIU Peng, ZHANG Hui-hua
(Jiangnan Institute of Computing Technology, Wuxi214083, China)
Abstract: Because of the neglect of boundary scan technology in project practice, the misapprehension in practical use is analysed. The definition of boundary scan interface, it’s hardware configuration and it's detailed working principle are introduced. Also introduced is the usage and advantage in practice use. In order to populize it better, the aspects of optimizing it are discussed.
Key words: JTAG; boundary scan; test access port; scan link; test vector
聯(lián)合測試行動組于1987 年提出了邊界掃描技術(shù), 并于1990 年被IEEE接納, 形成了IEEE1149. 1 標(biāo)準(zhǔn)。邊界掃描技術(shù)是一種非常有效的測試手段。目前使用的芯片中越來越多的cpu、epld、fpga、dsp以及一些專用芯片(如ATM層專用芯片)等提供符合IEEE1149.1的JTAG測試口。但是JTAG電路的設(shè)計并沒有引起工程人員足夠的重視,很多人不了解JTAG,對JTAG口的處理較為隨意,對JTAG的使用存在誤區(qū),未能實現(xiàn)它應(yīng)有的作用。
1 使用誤區(qū)
過去形成的一些誤解妨礙了邊界掃描技術(shù)在測試中的應(yīng)用,主要有以下幾個方面需要注意 [1]。
1.1 成本
人們對于產(chǎn)品成本的增加非常敏感。實際上,為了實現(xiàn)邊界掃描而增加的少量無源元件以及一個小型連接器的成本可通過測試開發(fā)時間的縮短彌補回來。支持邊界掃描的數(shù)字IC可能會比不支持邊界掃描的同樣器件稍貴一點,但卻可獲得更方便的測試性、更小的電路板尺寸以及更低的服務(wù)和維修成本。
1.2 特殊器件
在并非每片IC 都支持邊界掃描時,設(shè)計人員仍可利用邊界掃描有效地完成對PCB的測試。只要設(shè)計中包括一些邊界掃描器件,軟件工具就可方便地測試電路板上的大部分器件。CPLD 或FPGA 有許多引腳,每個都可做為測試點,因此設(shè)計人員在電路板上已經(jīng)擁有了數(shù)百個測試點。工具供應(yīng)商提供的參考資料都給出了如何利用CPLD和FPGA實現(xiàn)邊界掃描測試的說明。
1.3 軟件
過去為了進行邊界掃描測試,必須掌握邊界掃描描述語言(BSDL),并花費數(shù)周的時間將設(shè)計轉(zhuǎn)換為邊界掃描測試向量。現(xiàn)在,測試開發(fā)工具可利用原理圖和網(wǎng)表,再結(jié)合IC供應(yīng)商提供的BSDL文件,即可快速生成測試向量。測試開發(fā)時間的縮短,也使原型制造過程中因重新進行PCB 布線而改變測試過程的時間也大大縮短。
1.4 空間
采用邊界掃描測試技術(shù)可大量減少測試點,由此所節(jié)約的空間遠遠超過邊界掃描器件所需要的空間。最終效果是設(shè)計所需要的空間減小,從而使電路板尺寸更小,層數(shù)更少。
2 邊界掃描的硬件結(jié)構(gòu)
JTAG標(biāo)準(zhǔn)的核心思想是在芯片管腳和芯片內(nèi)部邏輯之間, 即緊挨元件的每個輸入/ 輸出引腳處增添移位寄存器組(因為這些移位寄存器組布置在IC元件的I/ O 引腳處,所以稱為邊界掃描單元或邊界掃描寄存器),這些寄存器單元在相應(yīng)指令的作用下讀出輸出引腳或輸入引腳的狀態(tài),可進行芯片級、板級互聯(lián)甚至系統(tǒng)級的測試。
JTAG為邊界掃描結(jié)構(gòu)定義了測試存取口TAP(test acess port)、TAP 控制器、測試數(shù)據(jù)寄存器和指令寄存器4個基本的硬件單元。其中,測試數(shù)據(jù)寄存器包括邊界掃描寄存器、器件鑒別寄存器和旁路寄存器。圖1是包含邊界掃描機制的芯片結(jié)構(gòu)[2]。
2.1 測試存取口( TAP)
JTAG規(guī)定了4 條測試總線,也稱為測試存取口( TAP) ,分別是:測試數(shù)據(jù)輸入總線( TDI) ,用來接收測試數(shù)據(jù)和測試指令; 測試數(shù)據(jù)輸出總線( TDO) ,用來測試數(shù)據(jù)的輸出; 測試模式選擇總線( TMS) ,在TCK的上升沿可有效控制測試邏輯; 測試時鐘輸入總線( TCK) ,在上升沿按串行方式對測試指令、數(shù)據(jù)及控制信號進行移位操作,在下降沿,對輸出信號進行操作。此外,還有可選擇的TRST測試復(fù)位輸入端。
2.2 TAP控制器
TAP 控制器是J TAG邏輯電路中最重要的控制部分,整個測試邏輯都是由TAP 控制器按一定順序調(diào)用的。TAP 控制器實際上是包含16 態(tài)的狀態(tài)機,產(chǎn)生時鐘信號和各種控制信號(即產(chǎn)生測試、移位、捕獲和更新等信號),從而使指令或測試數(shù)據(jù)移入相應(yīng)的寄存器,并控制邊界掃描測試的各種工作狀態(tài)。并在指令寄存器的配合下產(chǎn)生復(fù)位、測試、輸出緩沖器允許等信號。測試數(shù)據(jù)的捕獲、移位、更新都必須在TAP 控制器進入到相應(yīng)的狀態(tài)下才能進行。圖2 為TAP 控制器的狀態(tài)機,左邊是數(shù)據(jù)寄存器(DR) 分支,右邊是指令寄存器( IR) 分支,狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件就是TMS 的值。TAP 控制器被初始化為Test_Logic_Reset 狀態(tài),發(fā)出復(fù)位信號,使測試電路不影響ASIC 本身的工作。需要測試時,在TMS 控制下,TAP 進入數(shù)據(jù)寄存器掃描選擇狀態(tài)( Select _DR_Scan) 或者指令寄存器掃描選擇狀態(tài)(Select_ IR_Scan)。在Capture 狀態(tài),捕獲指令信息或者數(shù)據(jù);在Shif t狀態(tài),數(shù)據(jù)進行移位操作;在Pause 狀態(tài),移位停止,對寄存器重新加載測試向量;在Update 狀態(tài),移入掃描通道的數(shù)據(jù)將被輸出。
2.3測試數(shù)據(jù)寄存器
邊界掃描寄存器(boundary scan register)構(gòu)成邊界掃描路徑,它的每一個單元由存儲器、發(fā)送/接收器和緩沖器組成。邊界掃描單元置于集成電路的輸入/輸出端附近,并首尾相連構(gòu)成一個移位寄存器鏈,首端接TDI,末端接TDO。在測試時鐘TCK的作用下,從TDI 加入的數(shù)據(jù)可以在移位寄存器鏈中移動并進行掃描。
器件鑒別寄存器有32 位,借助它可以辨別板上元器件的生產(chǎn)商,還可以通過它來測試是否將正確的器件安裝在了PCB 板的正確位置。
旁路寄存器只有1 位,它提供了一條從TDI 到TDO 之間的最短通道,用來將不參加串行掃描的數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)旁路掉以減少不必要的掃描時間。
2.4 指令寄存器
為了執(zhí)行不同的測試和選擇實際的數(shù)據(jù)寄存器,除了TAP 控制器和數(shù)據(jù)寄存器之外,還需要有指令寄存器IR。指令寄存器進行指令的譯碼,向各數(shù)據(jù)寄存器發(fā)出各種操作碼,并確定邊界掃描工作方式。J TAG標(biāo)準(zhǔn)中定義了大量指令,有必需的,有可選的,而且也允許定義更多特定設(shè)計的指令來擴展測試邏輯的功能。
3 邊界掃描測試的作用方式與優(yōu)點
利用邊界掃描測試技術(shù),可以比較全面地了解集成電路芯片的內(nèi)部故障、電路板的互連以及相互間影響。有效地克服了傳統(tǒng)測試方式的不足,節(jié)約了測試時間和測試成本,極大地方便了系統(tǒng)電路的調(diào)試。不同的測試是在不同的工作方式下進行的,這些工作方式可以通過加載相應(yīng)指令到指令寄存器來選擇。
3.1 內(nèi)部測試 ( INTEST)
內(nèi)部測試方式用于測試電路板上集成電路芯片的內(nèi)部故障,可以通過INTEST指令來選擇執(zhí)行。在這種測試方式下,測試圖形通過TDI 輸入,并通過邊界掃描通道將測試圖形加到每個芯片的輸入引腳寄存器中,從輸出端TDO可以串行讀出存于輸出引腳寄存器中各芯片的響應(yīng)圖形。根據(jù)輸入圖形和輸出響應(yīng),可以對電路板上各芯片的內(nèi)部工作狀態(tài)做出測試分析。
3.2 外部測試 ( EXTEST)
外部測試方式可以通過EXTEST指令選擇執(zhí)行,用于測試電路板上各集成電路芯片間連線以及板級互連的故障,包括斷路和短路故障。把從TDO 端輸出的邊界掃描寄存器的串行信號與正確的信號相比較,就可以方便有效地診斷出電路板引線及芯片引腳間的斷路或短路故障。
3.3 采樣測試 (SAMPLE/ PRELOAD)
流過器件管腳的數(shù)據(jù)被截取,稱為“采樣”。邊界掃描寄存器輸入單元并行裝載芯片輸入引腳的數(shù)據(jù),而輸出單元并行裝載輸出引腳的數(shù)據(jù)。不干擾管腳與核心邏輯之間的正常信號流,各邊界掃描單元的采樣值便可串行移出,可觀察IC 正常工作時輸入、輸出引腳的數(shù)據(jù)流。
4 優(yōu)化建議
邊界掃描測試能準(zhǔn)確地定位芯片的故障,迅速準(zhǔn)確地測試兩個芯片管腳的連接是否可靠,提高測試檢驗效率。但是為縮短測試施加時間,提高故障診斷率,仍需要對其進行優(yōu)化設(shè)計,以利于更好的普及應(yīng)用。針對它的優(yōu)化問題提出幾點建議[3]。
4.1 掃描鏈路優(yōu)化
邊界掃描技術(shù)中,邊界掃描鏈路的串行移位使得單條邊界掃描鏈路會導(dǎo)致很長的測試應(yīng)用時間,而如果使用多條掃描鏈路,則測試時間可以明顯減少。在測試期間,各掃描鏈路在任何時刻其長度相等,則可以實現(xiàn)測試的最好性能。如何對掃描鏈路進行動態(tài)配置是一個重要問題。
4.2 測試流序列優(yōu)化
邊界掃描的測試向量是以串行方式從外界輸入的,施加大的測試集合可能要消耗大量時間。通過適當(dāng)?shù)乜s減串行測試流,可以減少測試施加時間。這個方面值得研究。
4.3 測試向量集優(yōu)化生成方法研究
在邊界掃描測試中,合理優(yōu)化地生成測試向量集是進行有效測試的關(guān)鍵。
4.4 板級可測性設(shè)計優(yōu)化方法研究
基于邊界掃描的電路板測試性設(shè)計方法在改善電路板測試性的同時,也增加了電路板設(shè)計的復(fù)雜性。因此,必須進行設(shè)計復(fù)雜性和測試性改善的綜合權(quán)衡,實現(xiàn)二者的折衷,即進行電路板的測試性優(yōu)化設(shè)計。
5 結(jié)束語
J TAG提出的邊界掃描機制提供了一套完整的、標(biāo)準(zhǔn)化的測性設(shè)計方法,是測試技術(shù)的一次飛躍。它不僅能測試集成電路芯片的輸入、輸出管腳的狀態(tài),而且能夠測試芯片內(nèi)部工作情況以及引線級的斷路和短路故障,且能實現(xiàn)高精度的故障定位。考慮到邊界掃描測試技術(shù)和TAP體系結(jié)構(gòu)所提供的諸多優(yōu)點,應(yīng)當(dāng)認真考慮應(yīng)用IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)來解決數(shù)字ASIC的測試問題。
參考文獻:
[1] 蔚英輝. 測試技術(shù)的飛躍――邊界掃描技術(shù)[J]. 電信技術(shù), 2002, (2): 75-77.
關(guān)鍵詞：EDA技術(shù) 電子工程 作用
EDA是電子設(shè)計自動化(Electronic Design Automation)的縮寫,是從CAD(計算機輔助設(shè)計)、CAM(計算機輔助制造)、CAT(計算機輔助測試)和CAE(計算機輔助工程)的概念發(fā)展而來的。EDA技術(shù)是以計算機為工具,集數(shù)據(jù)庫、圖形學(xué)、圖論與拓撲邏輯、計算數(shù)學(xué)、優(yōu)化理論等多學(xué)科最新理論于一體,是計算機信息技術(shù)、微電子技術(shù)、電路理論、信息分析與信號處理的結(jié)晶。
一、EDA技術(shù)的特點
1.現(xiàn)代化EDA技術(shù)大多采用“自頂向下(Top-Down)”的設(shè)計程序,從而確保設(shè)計方案整體的合理和優(yōu)化,避免“自底向上(Bottom-up)”設(shè)計過程使局部優(yōu)化,整體結(jié)構(gòu)較差的缺陷。
2.HDL給設(shè)計帶來很多優(yōu)點:①語言公開可利用；②語言描述范圍寬廣；③使設(shè)計與工藝無關(guān)；④可以系統(tǒng)編程和現(xiàn)場編程,使設(shè)計便于交流、保存、修改和重復(fù)使用,能夠?qū)崿F(xiàn)在線升級。
3.自動化程度高,設(shè)計過程中隨時可以進行各級的仿真、糾錯和調(diào)試,使設(shè)計者能早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計上的錯誤,避免設(shè)計工作的浪費,同時設(shè)計人員可以拋開一些具體細節(jié)問題,從而把主要精力集中在系統(tǒng)的開發(fā)上,保證設(shè)計的高效率、低成本,且產(chǎn)品開發(fā)周期短、循環(huán)快。
4.可以并行操作,現(xiàn)代EDA技術(shù)建立了并行工程框架結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境。從而保證和支持多人同時并行地進行電子系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)。
二、EDA技術(shù)的發(fā)展過程
EDA技術(shù)的發(fā)展過程反映了近代電子產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)的一段歷史進程,大致分為3個時期。
1.初級階段:早期階段即是CAD階段,大致在20世紀70年代,當(dāng)時中小規(guī)模集成電路已經(jīng)出現(xiàn),傳統(tǒng)的手工制圖設(shè)計印刷電路板和集成電路的方法效率低、花費大、制造周期長。人們開始借助于計算機完成印制電路板一PCB設(shè)計,將產(chǎn)品設(shè)計過程中高重復(fù)性的繁雜勞動如布圖布線工作用二維平面圖形編輯與分析的CAD工具代替,主要功能是交互圖形編輯,設(shè)計規(guī)則檢查,解決晶體管級版圖設(shè)計、PCB布局布線、門級電路模擬和測試。
2.發(fā)展階段:20世紀80年代是EDA技術(shù)的發(fā)展和完善階段,即進入到CAE階段。由于集成電路規(guī)模的逐步擴大和電子系統(tǒng)的日趨復(fù)雜,人們進一步開發(fā)設(shè)計軟件,將各個CAD工具集成為系統(tǒng),從而加強了電路功能設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計,該時期的EDA技術(shù)已經(jīng)延伸到半導(dǎo)體芯片的設(shè)計,生產(chǎn)出可編程半導(dǎo)體芯片。
3.成熟階段:20世紀90年代以后微電子技術(shù)突飛猛進,一個芯片上可以集成幾百萬、幾千萬乃至上億個晶體管,這給EDA技術(shù)提出了更高的要求,也促進了EDA技術(shù)的大發(fā)展。各公司相繼開發(fā)出了大規(guī)模的EDA軟件系統(tǒng),這時出現(xiàn)了以高級語言描述、系統(tǒng)級仿真和綜合技術(shù)為特征的EDA技術(shù)。
三、EDA技術(shù)的作用
EDA技術(shù)在電子工程設(shè)計中發(fā)揮著不可替代的作用,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:
1.驗證電路設(shè)計方案的正確性
設(shè)計方案確定之后,首先采用系統(tǒng)仿真或結(jié)構(gòu)模擬的方法驗證設(shè)計方案的可行性,這只要確定系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)(數(shù)學(xué)模型)便可實現(xiàn)。這種系統(tǒng)仿真技術(shù)可推廣應(yīng)用于非電專業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計,或某種新理論、新構(gòu)思的設(shè)計方案。仿真之后對構(gòu)成系統(tǒng)的各電路結(jié)構(gòu)進行模擬分析,以判斷電路結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性及性能指標(biāo)的可實現(xiàn)性。這種量化分析方法對于提高工程設(shè)計水平和產(chǎn)品質(zhì)量,具有重要的指導(dǎo)意義。
2.電路特性的優(yōu)化設(shè)計
元器件的容差和工作環(huán)境溫度將對電路的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)的設(shè)計方法很難對這種影響進行全面的分析,也就很難實現(xiàn)整體的優(yōu)化設(shè)計。EDA技術(shù)中的溫度分析和統(tǒng)計分析功能可以分析各種溫度條件下的電路特性,便于確定最佳元件參數(shù)、最佳電路結(jié)構(gòu)以及適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)穩(wěn)定裕度,真正做到優(yōu)化設(shè)計。
3.實現(xiàn)電路特性的模擬測試
電子電路設(shè)計過程中,大量的工作是數(shù)據(jù)測試和特性分析。但是受測試手段和儀器精度所限,測試問題很多。采用EDA技術(shù)后,可以方便地實現(xiàn)全功能測試。
四、EDA技術(shù)的軟件
1.EWB(Electronics Workbench)軟件。EWB是基于PC平臺的電子設(shè)計軟件,由加拿大Interactive Image Technologies Ltd.公司研制開發(fā),該軟件具有以下特點:①集成化工具:一體化設(shè)計環(huán)境可將原理圖編輯、SPICE仿真和波形分析、仿真電路的在線修改、選用虛擬儀器、借助14種分析工具輸出結(jié)果等操作在一個集成系統(tǒng)中完成。②仿真器:交互式32位SPICE強化支持自然方式的模擬、數(shù)字和數(shù)/模混合元件。自動插入信號轉(zhuǎn)換界面,支持多級層次化元件的嵌套,對電路的大小和復(fù)雜沒有限制。只有提供原理圖網(wǎng)絡(luò)表和輸入信號,打開仿真開關(guān)就會在一定的時間內(nèi)將仿真結(jié)果輸出。③原理圖輸入:鼠標(biāo)點擊一拖動界面,點一點自動連線。分層的工作環(huán)境,手工調(diào)整元器件時自動重排線路,自動分配元器件的參考編號,對元器件尺寸大小沒有限制。④分析:虛擬測試設(shè)備能提供快捷、簡單的分析。主要包括直流工作點、瞬態(tài)、交流頻率掃描、付立葉、噪聲、失真度、參數(shù)掃描、零極點、傳遞函數(shù)、直流靈敏度、最差情況、蒙特卡洛法等14種分析工具,可以在線顯示圖形并具有很大的靈活性。⑤設(shè)計文件夾:同時儲存所有的設(shè)計電路信息,包括電路結(jié)構(gòu)、SHCE參數(shù)、所有使用模型的設(shè)置和拷貝。全部存放在一個設(shè)計文件中,便于設(shè)計數(shù)據(jù)共享以及丟失或損壞的數(shù)據(jù)恢復(fù)。⑥接口:標(biāo)準(zhǔn)的SPICE網(wǎng)表,既可以輸入其他CAD生成的SHCE網(wǎng)絡(luò)連接表并行成原理圖供EWB使用,也可以將原理圖輸出到其他PCS工具中直接制作線路板。
2.PROTEL軟件。廣泛應(yīng)用的Protel99主要分為兩大部分:用于電路原理圖的設(shè)計原理圖設(shè)計系統(tǒng)(Advanced Schematic)和用于印刷電路板設(shè)計的印刷電路板設(shè)計系統(tǒng)(Advanced PCB)。
關(guān)鍵詞 碳氫化合物/陶瓷基材料；高頻；混壓；翹曲
中圖分類號：TN41 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）09-0057-01
隨著電子通信技術(shù)的發(fā)展，通訊頻率越來越高，而高頻信號傳輸，需要采用低介電常數(shù)（Dk）、低介電損耗（Df）但價格昂貴的特殊材料，這些材料有氰酸脂、聚四氟乙烯/陶瓷基材料（PTFE/Ceramic）、碳氫化合物/陶瓷基材料（HydraCarbon/Ceramic）等高頻材料，通常，這些高頻材料的價格都比較昂貴，而降低成本是客戶提高產(chǎn)品競爭力的一種重要手段，因此，客戶在PCB結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用混合材料的疊層結(jié)構(gòu)，即必要的信號層采用高頻材料以滿足信號傳輸?shù)男枰渌€路層采用常規(guī)玻璃纖維環(huán)氧樹脂F(xiàn)R-4材料，我們稱之為混合材料壓合電路板。這樣的設(shè)計對成本控制極為有利，但也給電路板的生產(chǎn)過程帶來了其他的一些問題，其中的一個突出問題是電路板在多次焊接貼裝電子元件的過程中出現(xiàn)翹曲，造成虛焊、漏焊、無法繼續(xù)裝配等問題。
引起混壓結(jié)構(gòu)電路板翹曲的根源在于高頻材料與FR-4材料在層壓過程中的漲縮比例不同[1]，影響材料漲縮的因素有：各線路層的殘銅率、高頻材料與FR-4材料的芯板厚度差、FR-4材料的Tg值。本文主要通過碳氫化合物/陶瓷基材料（HydraCarbon/Ceramic）+FR-4混壓板件實驗，對這三個因素進行系統(tǒng)的研究，以期為解決混壓板件的翹曲提供一些思路。
1 實驗設(shè)計
1）疊層結(jié)構(gòu)。
############### 1/2層高頻材料 0.762 mm（碳氫化合
物/陶瓷基，第1、2層均為高殘銅率）
=============== FR-4半固化片2116 RC52%
=============== FR-4半固化片2116 RC52%
############### 3/4層FR-4材料芯板
2）因子與水平設(shè)計。
表1
因子
水平 FR-4材料Tg值 FR-4材料芯板厚度/mm FR-4材料層線路的殘銅率
① 低 0.43 0.15
② 高 0.6 0.85
設(shè)計L23全因子試驗。
2 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析
1）全因子試驗的結(jié)果，見表2。
2）各因子主效應(yīng)分析。
FR-4材料Tg值的效應(yīng)為0.1033，F(xiàn)R-4材料芯板厚度的效應(yīng)為-0.6138，F(xiàn)R-4材料層的殘銅率的效應(yīng)為-0.8372，這說明：材料Tg值對翹曲無明顯影響；R-4材料層的殘銅率、芯板厚度對翹曲有明顯影響，且均為負相關(guān)性。
表2試驗
編號 FR-4板料Tg/℃ FR-4材料芯板厚度/mm FR-4材料層的殘銅率 翹曲度/mm
A ① ① ① 2.183
B ② ② ① 2.1
C ② ① ② 1.905
D ① ① ② 1.778
E ① ② ② 1.041
F ① ② ① 2.03
G ② ② ② 0.84
H ② ① ① 2.6
圖1
圖2
芯板厚度影響翹曲度的原因在于0.43 mm芯板使用2張7628型玻璃纖維布，0.60 mm芯板使用3張7628型玻璃纖維布，2張7628的收縮比3張7628大，因而翹曲度更大。殘銅率影響翹曲度的原因在于銅面對芯板的具有束縛作用，減少FR-4材料芯板的收縮，使得FR-4材料的收縮程度與陶瓷基材料接近，從而減少兩種芯板的應(yīng)力差，達到降低翹曲度的效果。（圖1）
3）各因子交互效應(yīng)分析。
通過計算，F(xiàn)R-4材料Tg值*FR-4材料芯板厚度的交互效應(yīng)為-0.1687，F(xiàn)R-4材料Tg值*FR-4材料層的殘銅率的交互效應(yīng)為-0.1403，F(xiàn)R-4材料芯板厚度*FR-4材料層的殘銅率的交互效應(yīng)為-0.2872，F(xiàn)R-4材料Tg值*FR-4材料芯板厚度*FR-4材料層的殘銅率的交互效應(yīng)為0.0048，且交互作用P值未出現(xiàn)，這說明：三個因子之間無明顯的交互作用。
交互作用圖顯示：在低殘銅率情況下，普通Tg的翹曲度比高Tg的小；在高殘銅率的情況下，兩者的無明顯區(qū)別；無論在何種情況下，用厚芯板的翹曲比薄芯板的小，在高TG材料方面更加明顯。（圖2）
3 結(jié)論
本文通過對殘銅率、芯板厚度、材料Tg值三個因素進行全因子設(shè)計試驗，確定殘銅率、FR-4材料芯板厚度對于碳氫化合物/陶瓷基材料（HydraCarbon/Ceramic）+FR-4混壓板件的翹曲具有明顯的影響作用，此類板件在資料設(shè)計時可根據(jù)本文的試驗結(jié)論進行優(yōu)化設(shè)計，以避免翹曲影響板件的焊接使用。
【P鍵詞】PCB設(shè)計；設(shè)置；布局；布線
0 引言
PCB是電子產(chǎn)品中不可缺少的重要組成部件，支撐著電子元器件，并對電子元器件提供必要的電氣連接，影響著電子產(chǎn)品的工作、使用安全及壽命。因此PCB設(shè)計至關(guān)重要。本文以數(shù)字網(wǎng)線測試儀PCB的設(shè)計為例，介紹單片機控制電路PCB設(shè)計的一般原則和要求，提高電子產(chǎn)品的使用可靠性、安全性，延長電子產(chǎn)品的使用壽命，為企業(yè)提高經(jīng)濟效益。
數(shù)字網(wǎng)線測試儀是一款常用的網(wǎng)線質(zhì)量測試工具，可以測量網(wǎng)線的通斷、芯線順序是否正確及是否短路等。電路包括電源電路、單片機控制電路、網(wǎng)線連接電路，程序下載接口電路、雙色數(shù)碼管顯示電路等，具有典型性、代表性。
所設(shè)計的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)測試儀電路有一個PQFP-44封裝的STC89C58RD+單片機芯片，體積小，重量輕；二個RJ45網(wǎng)線插座；一個RS232串行通訊接口；16個0.56英寸的一位雙色數(shù)碼管；6個SOP16封裝的集成8位移位寄存器74HC595和4個SOP18封裝的集成反相驅(qū)動器UL2803APG等。在本電路里面大部分元器件采用貼片安裝，旨在在減小電路板的體積和重量，方便攜帶使用。
1 影響PCB設(shè)計質(zhì)量的主要因素
很多技術(shù)人員可能感覺PCB設(shè)計容易上手，但要設(shè)計出高水平的PCB，還是會感覺到存在一定的難度，無法滿足電子產(chǎn)品的實用性、可靠性和安全性等性能要求，這需要技術(shù)人員長期的實踐及不斷地學(xué)習(xí)來積累經(jīng)驗。
筆者從事電子產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)多年，根據(jù)工作經(jīng)驗，在進行PCB設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)電路的特點和使用要求，首先要考慮的主要因素是元器件的布局。合理布局是PCB設(shè)計的關(guān)鍵，如數(shù)控機床的電腦控制主板，由于當(dāng)初PCB設(shè)計鈕扣電池太靠近微處理器，工作時間一長，電池失效漏液，漏出的液體腐蝕元器件和銅箔導(dǎo)線，造成電路板的損壞，并且很難維修，從而大大縮短了電路板的使用壽命。后經(jīng)改進，將電池安裝位置引出電路板，解決了此問題，延長了電路板的使用壽命，受到了用戶的好評。其次是要對PCB布線的優(yōu)化設(shè)計。在PCB布線時要考慮導(dǎo)線流過的電流、導(dǎo)線之間承受的電壓、導(dǎo)線之間的相互干擾及導(dǎo)線連接的拓撲結(jié)構(gòu)等。如在高電壓的電源電路里面，如果某條導(dǎo)線要流過大電流，除了按要求加寬銅箔的截面積，可能還要求銅箔并上焊錫，使導(dǎo)線有足夠大的截面積來承受流過它的電流，保證不燒壞銅箔導(dǎo)線。
2 PCB元器件布局設(shè)計
數(shù)字網(wǎng)絡(luò)測試儀的PCB布局設(shè)計包括確定電路板尺寸、功能分區(qū)及各元器件位置，我們要遵照印制版設(shè)計通用標(biāo)準(zhǔn)IPC-2221A，這樣才能設(shè)計出符合要求、性能優(yōu)良的電路板。數(shù)字網(wǎng)線測試的PCB布局如圖1（a）、（b）所示。
2.1 確定PCB的形狀及尺寸
根據(jù)所有元器件實際尺寸及工藝要求等來確定PCB的形狀及尺寸。PCB的長寬比例一般設(shè)計為3：2或4：3的長方形，也可以根據(jù)實際的需要來確定PCB的形狀。尺寸選用方面，若過大，既浪費材料，又使電子產(chǎn)品的重量和體積增大，不方便攜帶使用；若過小，元器件布局困難，嚴重影響電路的安裝調(diào)試、維修及電氣安全等。如果是采用機器（波峰焊、回流焊）來裝配焊接電路板的，還要考慮機器使用的極限尺寸。數(shù)字網(wǎng)線測試儀由于有16個數(shù)碼管、一個RS232串行通訊接口等元器件，數(shù)量多且封裝絲印面積較大，所以設(shè)計此PCB尺寸為175mm×110mm。
（a） 頂層元器件布局圖
（b） 底層元器件布局圖
2.2 確定PCB的元器件布局層數(shù)
PCB元器件布局的層數(shù)與電路的復(fù)雜性、電路板的尺寸要求和電氣性能等有關(guān)，一些比較簡單的電路可以將元器件單層布局，而一些比較復(fù)雜的電路的元器件進行雙層布局。數(shù)字網(wǎng)線測試雖然元件多，PCB尺寸要求較小，在此元器件進行雙層布局，大部分元器件在PCB的頂層布局，如顯示用的雙色數(shù)碼管，布在頂層方便觀看。其它一些元器件布在底層，如二個RJ45網(wǎng)線插座，底層布局，用于連接測試用的網(wǎng)線，影響不大。
2.3 確定單元電路分區(qū)的布局
單元電路合理分區(qū)，有利于電路可靠、穩(wěn)定地工作，方便電路的檢查和維修。單元電路的分區(qū)布局一般按信號流程，從左到右，從上到下，同一功能的電路元器件盡量放在一起。各分區(qū)電路盡量相互獨立，互不干擾。數(shù)字網(wǎng)線測試儀按電路的結(jié)構(gòu)、功能進行PCB分區(qū)，分成：電源電路區(qū)，單片機控制電路區(qū)，數(shù)碼管驅(qū)動和顯示電路區(qū)，程序下載電路區(qū)和網(wǎng)線插座電路區(qū)等。
2.3.1 電源電路盡量與單片機控制電路、存儲器電路分開，越遠越好，以防電源電路的大電壓、大電流電磁干擾單片機、存儲器電路的正常工作，提高電路工作的可靠性。
2.3.2 晶體振蕩器和二個負載電容盡量靠近單片機，避免單片機工作用的時鐘振蕩脈沖受干擾，影響單片機的正常工作。
2.3.3 相同結(jié)構(gòu)的電路，盡量采用對稱的結(jié)構(gòu)進行元器件的布局，如數(shù)字網(wǎng)線測試儀發(fā)射數(shù)據(jù)用的8個雙色數(shù)碼管顯示電路與接收數(shù)據(jù)用的8個雙色數(shù)碼管顯示電路采用上下對稱布局。
2.4 確定各元器件的具置
確定了單元電路的布局后，還要確定各元器件的具體擺放位置。原則是先將體積較大的核心元器件先擺放好，后根據(jù)核心元器件來合理放置體積較小的元器件，并要根據(jù)電路信號流程和元器件引腳的連接關(guān)系等來擺放。
2.4.1 同一單元電路的同一類元器件（如0805封裝的貼片電阻）盡量在X或Y方向按順序放在一起，方便安裝和使用，如R3-R4、R6-R7、R9-R10這幾個電阻采用Y的方向擺放并按順序排列。
2.4.2 元器件之間在X或Y方向上對齊及均勻分布，疏密有序，多采用左右對齊或上下對齊、水平分布或垂直分布，使各元器件的排列有規(guī)律。
2.4.3 各N連接端口（如RJ45網(wǎng)線插座、RS232串行通訊接口）一般擺放在電路板的邊緣，方便連接使用。
3 PCB元器件的布線設(shè)計
布線是PCB設(shè)計重要的一環(huán)。布線要根據(jù)工藝要求來確定布線的層數(shù)、導(dǎo)線的寬度、安全間距等。數(shù)字網(wǎng)線測試的PCB布線如圖2（a）、（b）所示。
（a）元器件頂層布線圖
（b）元器件底層布線圖
3.1 確定PCB布線的層數(shù)
PCB布線的層數(shù)與電路的復(fù)雜性、電路板的尺寸要求和電氣性能等有關(guān)。數(shù)字網(wǎng)線測試雖然元件多，元器件封裝的絲面積較大，但電路要求不高，在此進行雙層布線。
3.2 確定導(dǎo)線的寬度
導(dǎo)線的寬度設(shè)置一定要考慮導(dǎo)線中流過的最大電流，如果導(dǎo)線寬度過小會燒掉線路板；導(dǎo)線過寬會影響布線，使布線困難，甚至布不了線。在條件允許的情況下，電源線、地線盡量寬，最好地線比電源線寬，以保證電氣性能。它們之間的關(guān)系為：地線>電源線>信號線。如有可能，地線的寬度最好大于3mm；電源線的寬度一般為1.2-2.5mm；信號線為0.2-0.3mm，最細寬度可達0.05-0.07mm。數(shù)字電路PCB地線可用粗導(dǎo)線來構(gòu)成一個回路，即組成一個地網(wǎng)絡(luò)來使用，但模擬電路不可以使用這樣的地。
3.3 確定導(dǎo)線之間的安全間距
導(dǎo)線的安全間距（即導(dǎo)線最小間距）與導(dǎo)線間的電壓有密切關(guān)系，可根據(jù)IPC-2221標(biāo)準(zhǔn)推算出。安全間距過小，有可能導(dǎo)線間擊穿短路；安全間距過大，也會造成PCB布線困難。要計算導(dǎo)線之間的電壓比較困難，在實際應(yīng)用時，導(dǎo)線之間的安全間距可采用“3W規(guī)則”來確定，即兩相鄰導(dǎo)線的中心間距要大于3倍的導(dǎo)線寬度。要使電路達到優(yōu)良的抗干擾性能，相鄰導(dǎo)線間距要大于10W。
3.4 導(dǎo)線與過孔的設(shè)置
布線不要采用90°，盡可能采用45°折線，以減小高頻信號的干擾，必要時，我們還可以采用弧形布線。過孔大小和數(shù)量的合理設(shè)置，提高布線效率。過孔的大小一般設(shè)置為0.7-1.27mm，如果布線的密度較高時，可適當(dāng)減小過孔的大小，但不要太小，一般可采用0.6-1.0mm。信號線的過孔要盡量少，以減少對信號的干擾。
3.5 電氣規(guī)則檢查
PCB布完線后要進行DRC電氣規(guī)則檢查，以保證PCB布線的電氣性能。主要檢查PCB有無漏掉布線、安全間距違規(guī)等，發(fā)現(xiàn)有違規(guī)，需要及時排除，保證PCB的質(zhì)量。
3.6 覆銅
在DRC電氣規(guī)則檢查沒有問題后，可以進行覆銅，以減少地線阻抗，提高電路的抗干擾能力；降低壓降，提高電源效率；以及覆銅與地線相連，減小環(huán)路面積。
4 結(jié)束語
本文通過介紹了數(shù)字網(wǎng)絡(luò)測試儀的PCB布局和布線設(shè)計過程、要求和規(guī)則，并經(jīng)過實際的制板、元器件安裝、調(diào)試、測試及使用，完全可以達到實際產(chǎn)品使用的要求。PCB設(shè)計合理，符合工藝規(guī)范，為其它技術(shù)人員設(shè)計PCB提供了一定的參考價值。
【參考文獻】
關(guān)鍵詞：鉆井 隨鉆儀器 防震 液壓減震器
LWD instrument shock and vibration isolation method research
Huang Lin
（101149 China Oilfield Services Limited Beijing ）
Abstract： Introduces the anti-shock design which LWD instrument commonly used， and according to the actual demand， put forward a new method of seismic isolation - hydraulic shock absorber. Provides a new method and train of thought for LWD instrument precision components in the seismic design.
Keywords： Drilling LWD instrument shockproof Hydraulic shock absorber
一、前言
鉆井是石油生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)中投入最大、難度最大的。在鉆井過程中，保證鉆柱安全工作對減少鉆井事故、提高經(jīng)濟效益有著巨大的作用。鉆柱振動作為導(dǎo)致鉆柱失效的原因之一，其危害是不可忽視的。
鉆柱的振動形式有：縱向振動、橫向振動和扭轉(zhuǎn)振動。其中，縱向振動和橫向振動對鉆柱的危害最為嚴重。也是研究的重點。[1]
近幾年，隨鉆測量MWD、隨鉆測井LWD開始廣泛應(yīng)用。對于這些隨鉆儀器，同樣也面對鉆柱振動這個問題。為了保證隨鉆儀器的可靠使用，所有的隨鉆儀器在下井之前必須經(jīng)過振動、沖擊實驗。
以下幾幅圖是振動實驗的基本內(nèi)容。包括振動和沖擊2大實驗內(nèi)容，每個實驗內(nèi)容包括橫向和縱向兩個方向。
國內(nèi)外的幾大油田服務(wù)公司均制定了自己的振動、沖擊試驗標(biāo)準(zhǔn)。只有達到試驗標(biāo)準(zhǔn)的儀器才允許下井作業(yè)。
隨鉆儀器是井下精密的探測設(shè)備，其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度要遠遠高于普通的鉆柱。隨鉆儀器的防震設(shè)計不僅要考慮到零部件的緊固和防松，對于一些重點的零件還要加強保護。
首先，隨鉆儀器中裝有大量的電子器件，對電子器件的防震保護不可忽視；其次，隨鉆儀器還經(jīng)常有一些極為精密的關(guān)鍵部件，如一些光學(xué)、聲學(xué)傳感器，這些相對脆弱的部件出現(xiàn)微小的變化，則測出的數(shù)據(jù)將有巨大偏差；最后。隨鉆儀器中還有一個對振動較為敏感的“危險品”，就是井下高溫鋰電池，鋰電池如果在振動和沖擊下外殼破損或短路，則極易引起爆炸。
因此，隨鉆儀器的防震隔振較一般的鉆桿、鉆鋌有更高的要求。減震隔振的設(shè)計也有較大的難度。
二、隨鉆儀器的防震方法
根據(jù)防震的對象和目的，防震的方法有所不同：
1.對于金屬零件或非精密零件，其防震目的主要是防松、防脫落，防震方法主要是卡環(huán)結(jié)構(gòu)。如圖5，卡環(huán)將零件限位，即使螺紋有所松動也不會造成零件脫落。
圖5卡環(huán)防震示意圖
另外，隨鉆儀器上還大量使用了一種防松螺紋。其通過對三角螺紋進行優(yōu)化設(shè)計，使得所有道螺紋均可受到緊固力，而普通三角螺紋，其80%的緊固力在最外側(cè)的2道螺紋上。這樣使得螺釘緊固效果大大增強。
還有一種方法就是使用螺紋緊固膠水。根據(jù)使用要求可選擇不同強度的膠水。
2.對于一些對防震有較高要求的零部件其防震目的是減少沖擊、隔離振動。則防震設(shè)計上較多應(yīng)用了彈性零部件，如彈簧、橡膠墊、橡膠減震環(huán)等等。這與常規(guī)設(shè)備的減震方法基本相同。
隨鉆儀器中最具有特色的減震方法是對電路板的防震保護――注膠防震法。.
圖6電路板注膠防震
如圖6，電路完全被具有彈性的膠體包裹，僅留接口與外部連接。膠體如同一層厚厚的彈性鎧甲，不僅將外界的振動隔離開，而且對電路板上的元器件進行可靠固定。對電路板進行了充分的保護。在實際的應(yīng)用中，每個注膠的電路板也要進行振動實驗，以保證電路板的可靠使用。
三、井下液壓減震器
以上介紹了隨鉆儀器中常用的減震方法。其中最令設(shè)計者關(guān)注的是對隨鉆儀器中關(guān)鍵零部件的隔振保護。注膠方法效果很好，但適用范圍有限；在通常的隔振理論中減震系統(tǒng)固有頻率要小于振源頻率1.5倍以上才有較好的隔振效果[2]，由于井下振動情況十分復(fù)雜，既包括三種振動方式，而且隨著鉆進的增加，鉆柱的固有頻率會不斷變化[3]。振源的頻率將在一個相當(dāng)大大頻率范圍內(nèi)。簡單的彈簧橡膠零件的隔振方法，由于其彈性及阻尼系數(shù)均已固定，很難在寬頻內(nèi)隔離振動。其隔振效果難以令人滿意。
另外，要有較好的沖擊隔離效果，必須要有足夠的位移量。而且減震部件需要有較大的阻尼來吸收沖擊的能量，并使沖擊產(chǎn)生的自由振動迅速衰減[3]。橡膠墊有一定的阻尼但位移量小，彈簧有足夠的位移量但阻尼不夠，兩者的隔沖效果均不理想。
隨鉆儀器需要一種可在寬頻范圍內(nèi)隔振，具有較大阻尼，對沖擊又有良好隔離效果的減震器。
圖7汽車液壓減震器
如圖7，液壓減震器是一種可調(diào)節(jié)阻尼，且具有較大位移量的減震器，在汽車領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用。所謂他山之石，可以攻玉，液壓減震器完全可以應(yīng)用在隨鉆儀器中。
圖8井下液壓減震器
如圖8所示，這是典型的液壓減震器結(jié)構(gòu)。其中彈簧兩端與活塞和端蓋固定，起復(fù)位作用，保證活塞處于活塞缸中部；活塞移動時油缸內(nèi)液壓油流經(jīng)阻尼調(diào)節(jié)閥時產(chǎn)生阻力，通過阻尼調(diào)節(jié)閥便可對減震器的阻尼進行調(diào)節(jié)。在井下可將手動阻尼調(diào)節(jié)閥改為可遠程控制的節(jié)流閥。這樣可隨鉆柱固有頻率變化而調(diào)節(jié)減震系統(tǒng)的固有頻率，以達到最佳的隔振效果。
鉆柱的縱向振動的固有頻率一般為十幾赫茲，并隨著鉆柱加長其固有頻率逐漸減小[4]。但由于實際的振動情況復(fù)雜，通常的振動試驗取2～100Hz的隨機振動作為實驗的激勵源[5]。
圖9液壓減震器原理模型
如圖9，m為減震目標(biāo)零件和減震器的質(zhì)量和；k為彈簧的彈性模量；取減震系統(tǒng)的固有頻率τ為振動實驗最小頻率的1/2，則τ=1Hz，根據(jù)公式（1）可計算出k值。
由于阻尼的計算對實際阻尼調(diào)節(jié)閥的指導(dǎo)意義不大。所以阻尼的大小無需計算，而是通過試驗方法獲得阻尼調(diào)節(jié)閥的最佳位置。
四、結(jié)論
隨鉆儀器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高精度測量對儀器本身的減震隔振提出了更高的要求。本文參照在汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用的液壓減震器，提出了隨鉆井下液壓減震器的設(shè)計方案。為隨鉆儀器減振隔振設(shè)計提出一種新的思路。
參考文獻
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【關(guān)鍵詞】多層印制板；反鉆孔
一、前言
在國外軍事電子技術(shù)發(fā)達的國家中，相控陣雷達用微波印制基板的制造技術(shù)處于領(lǐng)先地位。其中多層微波印制板的制造研究，都是在技術(shù)相對保密的情況下開展的。在多層微波印制板的制造方面，美國同行已掌握并實現(xiàn)了多種型號雙面微波層壓板基材的多層微波印制板制造技術(shù)。其中包括微波介質(zhì)基板多層化層壓制造、金屬化孔互連及埋/盲孔制造、多層微波印制板電裝及耐環(huán)境保護性阻焊膜制造、多層微波線路表面電鍍鎳金以及多層微波印制基板的三維數(shù)控銑加工等制造技術(shù)。
目前，國內(nèi)廣大印制電路板制造企業(yè)所開展的工作僅局限于高速邏輯信號傳輸類電子產(chǎn)品所需的低、中頻多層印制電路板的研究、開發(fā)與制造。其所選用的主要印制基板材料，大多為適合低、中頻信號傳輸用環(huán)氧樹脂類絕緣介質(zhì)材料。
鑒于高頻信號傳輸?shù)奶厥庑裕渲饕獙⑸婕暗礁黝愇⒉üδ芑宥鄬踊圃旒夹g(shù)、平面埋電阻制造技術(shù)、層間絕緣介質(zhì)厚度控制技術(shù)、多層微波印制板各層間圖形高重合度技術(shù)、各類微波介質(zhì)材料孔金屬化互連制造技術(shù)以及三維數(shù)控加工技術(shù)。這些，都是目前國內(nèi)印制電路行業(yè)尚未實現(xiàn)的技術(shù)，因此與國外同行存在著較大差距。
此次課題研究，選用Rogers公司提供的RT/duroid-6002微波層壓板材料和Arlon公司提供的CLTE-XT平面電阻微波層壓板材料，將開展埋電阻多層微波印制板的制造工藝技術(shù)研究，其中將不可避免的面臨多層印制板各層間的金屬化孔互連，鑒于設(shè)計需求之獨特性，需解決金屬化孔互連之反鉆孔技術(shù)。對此，下面將進行較為詳細的論述。
二、多層印制板金屬化孔互連技術(shù)簡介
2.1 設(shè)計需求金屬化孔互連簡介
有源饋電網(wǎng)絡(luò)綜合了高性能、多功能、高可靠、低損耗、幅相一致性以及小型化、輕量化的要求，給多層微波印制板的設(shè)計和制造帶來了很大難度。為此，將不同的功能分別設(shè)計在不同的層上，如將微帶線、帶狀線、低頻控制線等混合信號線組合在同一個多層結(jié)構(gòu)中，通過多種類型金屬化孔的制造，實現(xiàn)直流互連。
垂直互連是微波多層電路中實現(xiàn)不同層電路之間連接的主要方式。由圖1可見垂直互連主要由金屬化盲孔和埋孔實現(xiàn)，由于工作在X波段，且?guī)捄軐挘越饘倩椎碾娐穬?yōu)化設(shè)計非常重要。
此項技術(shù)的運用，尚屬本所印制板加工之首次。鑒于設(shè)計互連之要求，通過傳統(tǒng)的金屬化孔制作，結(jié)合多次層壓技術(shù)，無法實現(xiàn)設(shè)計互連功能。因此，反鉆孔技術(shù)的運用便成為此次課題成功與否之必然。屬于關(guān)鍵技術(shù)當(dāng)之無愧。（見圖2、3）
2.2 各類金屬化孔互連制造
此次課題研究，根據(jù)設(shè)計層間互連要求，需進行多次金屬化孔的制造，其中還涉及到盲孔、背靠背互連盲孔的金屬化孔制作。具體措施如下：
2.2.1 金屬化孔制作
鑒于RT/duroid6002微波介質(zhì)多層板的特點（含有PTFE），采用等離子處理新技術(shù)，隨后進行孔金屬化處理。
評判：可通過多層板制作的附連板圖形，制作金相切片，進行可靠性測試，檢驗其可靠性。
2.2.2 盲孔制作
鑒于此次課題設(shè)計中，提出了金屬化盲孔制造的要求，必須通過多次層壓制作才能實現(xiàn)。具體為：
（1）通孔金屬化孔制作；（2）多次層壓制作。
2.2.3 背靠背互連盲孔制作
鑒于此次課題設(shè)計中，提出了背靠背互連盲孔制造的要求，必須通過設(shè)計層次的層壓制作、金屬化孔制作、反鉆孔制作才能實現(xiàn)。具體為：
（1） 層壓制作；
（2） 通孔金屬化孔制作；
（3） 反鉆孔制作：
反鉆孔制作，是借鑒于國外先進印制板制造技術(shù)。“反鉆孔技術(shù)”的運用，是在前期金屬化孔制造的基礎(chǔ)上，通過反鉆孔控制深度的技術(shù)，來實現(xiàn)局部盲孔互聯(lián)。具體措施如下：
① 選用可控制鉆深的數(shù)控鉆床進行反鉆孔制作。
② 模版制作時，設(shè)計出3-Φ30+0.03定位孔，中心對稱；印制板正反面設(shè)計出反鉆孔定位零位直角座標(biāo)；生成反鉆孔位置座標(biāo)。
③ 利用FR-4多層板進行初步反鉆孔試驗。
④ 利用RT/duroid6002非電阻微波介質(zhì)板制作多層板，進行進一步反鉆孔試驗。
⑤ 制作金相切片，評判反鉆深度。
三、多層印制板反鉆孔技術(shù)研究
3.1 試驗過程簡述
（1） 借助FR-4單片（0.5mm）四張，層壓成8層板；
（2） 數(shù)控鉆孔；
（3） 等離子處理、化學(xué)沉銅、全板加厚；
（4） 外層圖形轉(zhuǎn)移；
（5） 工藝部705室反鉆孔（其中，一種座標(biāo)孔僅為正面8-1-1反鉆；另一種座標(biāo)孔為正8-1-1反8-8-1兩面反鉆。）（原金屬化孔孔徑為Φ0.4mm，反鉆孔為平頭Φ0.6mm）；
（6） 對反鉆孔板進行箭嘴反鉆孔位置標(biāo)識（其中，兩面反鉆孔位置采用原版紅箭嘴進行指位；僅正面反鉆孔位置采用紅箭嘴涂黑進行指位）；
（7） 數(shù)銑取樣（兩面反鉆孔和單面反鉆孔，均采用五位置取樣法，依次為：左上部、左下部、右上部、右下部和中心部）；
（8） 灌模，制作金相切片；
（9） 金相顯微鏡拍像并采集數(shù)據(jù)。
3.2 圖像采集單位換算
（1） 此次，F(xiàn)R-4單片，介質(zhì)厚度為0.5mm，外層銅箔厚度為0.035mm；
（2） 電腦圖像采集測量，內(nèi)層銅厚度為14單位；
（3） 換算如下：
1單位=0.035mm / 14 =0.0025mm
3.3 反鉆孔情況測量
3.3.1 單面反鉆孔（正面8-1-1） （見圖4、表1）
3.3.2 兩面反鉆孔（正面8-1-1、反面8-8-1） （見圖5、6）
3.3.2.1 正面反鉆孔（8-1-1）（見表2）
3.3.2.2 反面反鉆孔（8-8-1）（見表3）
四、討論
4.1 反鉆孔深度一致性
4.1.1 單面反鉆孔（正面8-1-1）（見表4）
4.1.2 兩面反鉆孔（正面8-1-1、反面8-8-1）
4.1.2.1 正面反鉆孔（8-1-1）（見表5）
4.1.2.2 反面反鉆孔（8-8-1）（見表6）
4.2 介質(zhì)厚度一致性
4.2.1 單面反鉆孔（正面8-1-1）（見表7）
4.2.2 兩面反鉆孔（反面8-8-1）（見表8）
4.3 反鉆孔深度控制反思
根據(jù)705反鉆孔后板的取樣，制作金相切片及觀測后，對反鉆孔深度的控制反思總結(jié)如下：
（1） 從此次試驗結(jié)果分析，出現(xiàn)了下述各種情況：
① 反鉆深度未至內(nèi)層銅，距離為一個內(nèi)層銅厚度； （見圖7）
② 反鉆深度剛好至內(nèi)層銅；（見圖8）
③ 反鉆深度超過內(nèi)層銅，達至一半銅厚度；（見圖9）
④ 反鉆深度超過內(nèi)層銅。（見圖10）
（2） 部分反鉆孔深度超要求主要原因：
按照設(shè)計要求（0.1mm），結(jié)合多層板各介質(zhì)層厚度統(tǒng)計，反鉆孔深度需控制范圍為：0.46～0.56mm。但實際操作過程中，反鉆孔深度為0.51mm，最終導(dǎo)致了實物部分位置反鉆超差。
（3） 反鉆孔深度誤差范圍：
兩個內(nèi)層銅厚度（0.07 mm）。
（4） 數(shù)控反鉆孔設(shè)備：
名稱：HAAS VF-3
產(chǎn)地：美國HAAS公司
精度：定位精度±0.005mm，重復(fù)定位精度±0.0025mm
【關(guān)鍵詞】電子工程設(shè)計 EDA技術(shù) 研究分析
隨著電子技術(shù)的發(fā)展革新，應(yīng)用系統(tǒng)逐步朝向大容量、小型化、快速化的方向發(fā)展。數(shù)字化的設(shè)計系統(tǒng)也逐步由組合芯片向單片系統(tǒng)發(fā)展。EDA技術(shù)不僅帶來了電子產(chǎn)品領(lǐng)域和系統(tǒng)開發(fā)的革命性變革，這也是科技發(fā)展與提高的必然產(chǎn)物。對于EDA技術(shù)的了解和對其在電子工程設(shè)計中的關(guān)鍵性分析都是十分有意義的。
1 EDA技術(shù)概述
所謂EDA技術(shù)，就是電子設(shè)計自動化，由CAE、CAD、CAM等計算機概念發(fā)展出現(xiàn)。EDA技術(shù)以計算機為主要工具，集合了圖形學(xué)、數(shù)據(jù)庫、拓撲邏輯、優(yōu)化理論、計算數(shù)學(xué)、圖論等學(xué)科，形成最新的理論體系，是微電子技術(shù)、計算機信息技術(shù)、電路理論、信號處理和信號分析的結(jié)晶。現(xiàn)代化的EDA技術(shù)具備很多特點，普遍采用了“自頂向下”的程序進行設(shè)計，保證了設(shè)計方案的整體優(yōu)化，EDA技術(shù)的自動化程度更高，在設(shè)計過程中能夠進行各類級別的調(diào)試、糾錯和仿真，設(shè)計者能夠及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計的錯誤，避免了設(shè)計上的工作浪費，設(shè)計人員也能拋開細枝末節(jié)的問題，將更多精力集中于系統(tǒng)開發(fā)，保證了設(shè)計的低成本、高效率、循環(huán)快、周期短。EDA技術(shù)還能實現(xiàn)并行操作，建立起并行工程框架的結(jié)構(gòu)環(huán)境，支持更多人同時并行電子工程的技術(shù)開發(fā)和設(shè)計。
2 EDA技術(shù)發(fā)展
電子工程設(shè)計的EDA技術(shù)自出現(xiàn)以來，大致可以分為三個歷史時期：
2.1 初級階段
大約在二十世紀的七十年代，早期的EDA技術(shù)處于CAD階段，出現(xiàn)了小規(guī)模的集成電路，由于傳統(tǒng)手工在制圖設(shè)計中的集成電路和集成電路板的花費大、效率低、周期長，借助于計算機技術(shù)的設(shè)計印刷，采取了CAD工具實現(xiàn)布圖布線的二維平面編輯和分析，取代了高重復(fù)性的傳統(tǒng)工藝。
2.2 發(fā)展階段
到了二十世紀八十年代，EDA技術(shù)進入了發(fā)展完善的階段。集成電路的規(guī)模逐漸擴大，電子系統(tǒng)日益復(fù)雜化，人們深入研究軟件開發(fā)，將CAD集成為系統(tǒng)，加強了電路的機構(gòu)設(shè)計和功能設(shè)計，這一時期的EDA技術(shù)已經(jīng)開始延伸到半導(dǎo)體芯片設(shè)計的領(lǐng)域。
2.3 成熟階段
經(jīng)過了長期的發(fā)展，直至二十世紀九十年代，微電子技術(shù)的發(fā)展突飛猛進，單個芯片的集成就能夠達到幾百萬或是幾千萬甚至上億的晶體管，這種科技現(xiàn)狀對EDA技術(shù)提出更高的要求，推動了EDA技術(shù)的發(fā)展。各類技術(shù)公司陸續(xù)開發(fā)出大規(guī)模EDA軟件系統(tǒng)，出現(xiàn)了系統(tǒng)級仿真、高級語言描述和綜合技術(shù)的EDA技術(shù)。
3 EDA技術(shù)軟件
3.1 EWB軟件
所謂EWB是一種基于PC的電子設(shè)計軟件，具備了集成化工具、仿真器、原理圖輸入、分析、設(shè)計文件夾、接口等六大特點。
3.2 PROTEL軟件
該技術(shù)軟件廣泛應(yīng)用了Prote199，主要由電路原理圖的設(shè)計系統(tǒng)和印刷電路板的設(shè)計系統(tǒng)兩大部分組成。高層次的設(shè)計技術(shù)在近年的國際EDA技術(shù)領(lǐng)域開發(fā)、研究、應(yīng)用中成為熱門課題，并且迅速發(fā)展，成果顯著。該領(lǐng)域主要包括了硬件語言描述、高層次模擬、高層次的綜合技術(shù)等，伴隨著科技水平的提升，EDA技術(shù)也必然會朝向更高層次的自動化設(shè)計技術(shù)不斷發(fā)展。
4 EDA在電子工程設(shè)計中的應(yīng)用技術(shù)流程
近年來的EDA技術(shù)深入到了各個領(lǐng)域，包括了通信、醫(yī)藥、化工、生物、航空航天等等，但是在電子工程設(shè)計的領(lǐng)域中應(yīng)用的最為突出，主要利用了EDA技術(shù)為虛擬儀器的測試產(chǎn)品提供了技術(shù)支持。EDA技術(shù)在電子工程設(shè)計的領(lǐng)域中，主要應(yīng)用于了電路設(shè)計仿真分析、電路特性優(yōu)化設(shè)計等方面。主要的技術(shù)流程如下：
4.1 源程序
通常情況下，電子工程設(shè)計首要的步驟就是通過EDA技術(shù)領(lǐng)域中的器件軟件，利用了文本或者是圖形編輯器的方式來進行展示。不管是圖形編輯器或者是文本編輯器的使用，都需要應(yīng)用EDA工具進行排錯和編譯的工作，文件能夠?qū)崿F(xiàn)格式的轉(zhuǎn)化，為邏輯綜合分析提供了準(zhǔn)備工作。只要輸入了源程序，就能夠?qū)崿F(xiàn)仿真器的仿真。
4.2 邏輯綜合
在源程序中應(yīng)用了實現(xiàn)了VHDL的格式轉(zhuǎn)化之后，就進入了邏輯綜合分析的環(huán)節(jié)。運用綜合器就能夠?qū)㈦娐吩O(shè)計過程中使用的高級指令轉(zhuǎn)換成層次較低的設(shè)計語言，這就是邏輯綜合。通過邏輯綜合的過程，這可以看作是電子設(shè)計的目標(biāo)優(yōu)化過程，將文件輸入仿真器，實施仿真操作，保持功效和結(jié)果的一致性。
4.3 時序仿真
在實現(xiàn)了邏輯綜合透配之后，就可以進行時序仿真的環(huán)節(jié)了，所謂的時序仿真指的就是將基于布線器和適配器出現(xiàn)的VHDL文件運用適當(dāng)?shù)氖侄蝹鬟_到仿真器中，開始部分仿真。VHDL仿真器考慮到了器件特性，所以適配后的時序仿真結(jié)果較為精確。
4.4 仿真分析
在確定了電子工程設(shè)計方案之后，利用系統(tǒng)仿真或者是結(jié)構(gòu)模擬的方法進行方案的合理性和可行性研究分析。利用EDA技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)環(huán)節(jié)的函數(shù)傳遞，選取相關(guān)的數(shù)學(xué)模型進行仿真分析。這一系統(tǒng)的仿真技術(shù)同樣可以運用到其他非電子工程專業(yè)設(shè)計的工作中，能夠應(yīng)用到方案構(gòu)思和理論驗證等方面。
5 結(jié)束語
伴隨著科學(xué)的發(fā)展，技術(shù)的革新，EDA技術(shù)的領(lǐng)域也在向高層次的技術(shù)推廣和開發(fā)，成效十分顯著。本篇論文我們對EDA技術(shù)的相關(guān)信息進行了詳細的分析很研究，研究表明，EDA技術(shù)對于我國的電子工程設(shè)計改革具有巨大的推動力，基于EDA技術(shù)領(lǐng)域的電子產(chǎn)品在專業(yè)化程度和使用性能上都要比傳統(tǒng)的設(shè)計方案制造的產(chǎn)品更加優(yōu)化。將EDA技術(shù)應(yīng)用到電子工程設(shè)計的領(lǐng)域當(dāng)中，對于電子產(chǎn)品的優(yōu)化和工作效率的提高以及產(chǎn)品附加值的拓展都有很大的作用。
參考文獻
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【關(guān)鍵詞】液晶玻璃;整體模組;一體化結(jié)構(gòu)
1.發(fā)展歷程以及研究意義
隨著電視由最初的CRT到之后的平板再到如今的LED平板，電視機由最初的小而厚向目前的大而薄發(fā)展。2008年以來，我國為了經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，進一步實行擴大內(nèi)需的政策，以利國、利企、利民為原則，實行了惠農(nóng)政策，財政部開展家電下鄉(xiāng)，并在國家的“十二五”規(guī)劃中把電視機的研發(fā)作為國家信息產(chǎn)業(yè)的重點項目。因此，本文以電視一體化結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計來加以研究，不僅對我國企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新有重要作用，而且對我國的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略性調(diào)整，與世界經(jīng)濟發(fā)展接軌有促進作用。CRT于2009年全面退出我國的主流市場，之后液晶電視開始在我國電視市場得到全面普及，各大電視企業(yè)要想在目前的市場競爭中占據(jù)不敗之地，必須積極地進行創(chuàng)新，實現(xiàn)電視機在提高產(chǎn)品性能的同時降低成本。否則就會被市場所淘汰。電視如果要達到輕薄、低成本，那么就必須攻破目前平板電視的工業(yè)設(shè)計，而由于面板技術(shù)、電路技術(shù)、注塑技術(shù)的限制，液晶電視要突破再薄1mm都相當(dāng)困難，對電視一體化結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，可以使液晶模組的成本降低20%以上，從而達到了節(jié)時、節(jié)材、節(jié)能的設(shè)計理念，為企業(yè)創(chuàng)造更多的價值，提高企業(yè)的效益，使得企業(yè)在市場競爭中立于不敗之地。
2.整機模組一體化結(jié)構(gòu)的概念
整機模組一體化結(jié)構(gòu)，也就是說，把整機結(jié)構(gòu)與模組結(jié)構(gòu)整合在一起，實現(xiàn)一體化設(shè)計生產(chǎn)。與新的一體化結(jié)構(gòu)的液晶電視相比，傳統(tǒng)的液晶電視結(jié)構(gòu)通常以顯示屏與其他結(jié)構(gòu)件相結(jié)合的組成方式，顯示屏是其中的一個整體組件，采購模組生產(chǎn)線主要生產(chǎn)顯示屏，然后整機生產(chǎn)線用剛生產(chǎn)的顯示屏通過組裝的方式生產(chǎn)出電視整機。其中，顯示屏的主要部件包括：液晶玻璃、背光模組（功能是為液晶玻璃提供背光源和支撐）。而新的一體化結(jié)構(gòu)對驅(qū)動電路、液體模組結(jié)構(gòu)以及一體化電源進行了深入的研究。具備了傳統(tǒng)技術(shù)所不具備的優(yōu)點。第一，一體化結(jié)構(gòu)可以達到結(jié)構(gòu)件復(fù)用，使得結(jié)構(gòu)件數(shù)量減少，從而把物料的成本降到很低。第二，一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計可以最大限度的壓縮整機的邊框厚度和寬度，使電視在造型上達到目前人們的審美。第三，改進后的生產(chǎn)線使得整機組裝和模組組裝結(jié)合在同一個生產(chǎn)流水線上，減少了人力，避免了以往屏體的運輸或周轉(zhuǎn)等帶來的用費，節(jié)約了時間，減少了用費。提高了生產(chǎn)效率，從而降低了產(chǎn)品成本，增加了收益。
3.一體化結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計
3.1 普通液晶模組的構(gòu)成
一般意義上液晶模組結(jié)構(gòu)的核心是由以下幾部分組成，如下圖2所標(biāo)示。
3.1.1 背光部分
要想使液晶電視變得輕薄，背光部分是開發(fā)的重要區(qū)域，它是電視機的發(fā)光源，主導(dǎo)液晶模組的發(fā)光裝置，它的重量和厚度在液晶模組中占相當(dāng)大的比例。它主要含有以下部分：
背板（cover bottom）：是連接電視機后殼、信號主板PCB、液晶模組、電源等等，對其強度額要求很高;
反射片（reflector）：主要功能是反射光線，以免光流失;
擴散板（diffuserplate）：使得燈管發(fā)出的光均勻擴散;
擴散片（diffuser sheet）：對均勻擴散光起到進一步的促進作用;
增光片（prism）：主要功能使光線聚集，提高電視機的亮度50%;
膠框（guide panel）：固定光源和面板，起支撐作用;
絕緣片（insulator）：主要裝配在electrode PCB和cover bottom中間，避免有高壓電場的PCB與cover bottom導(dǎo)電，從而造成事故;
3.1.2 前框case Top
這包括兩部分：分離式與一體式。一體式易于組裝，但其造價成本高;分離式與此相反。主要功能使液晶面板得以固定。
3.1.3 液晶面板open Cell
這是液晶顯示屏的關(guān)鍵部件，也即所稱的玻璃，無論是原材料的選擇，還是制造工藝、制造設(shè)備的要求都很高。
3.2 通常液晶電視結(jié)構(gòu)邊緣的局部剖面由以下構(gòu)成
如圖1所示：虛線部分是顯示屏構(gòu)件，實線部分是整機結(jié)構(gòu)件。整機部分的核心結(jié)構(gòu)件包含后殼、面板以及固定顯示屏的壓條等等。安裝的時候，先把顯示屏固定在面殼力，用壓條等固定顯示屏，然后安裝其他部件，最后一步固定后殼即可。
圖1 普通液晶電視結(jié)構(gòu)邊緣局部剖面圖
3.3 一體化結(jié)構(gòu)技術(shù)方案（如圖2所示）
整機模組的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如下：分拆原來的顯示屏背光模組結(jié)構(gòu)，之后結(jié)合整機的前殼和后殼進行整體設(shè)計。面殼，也即前框和大后殼，也即背板，可以共同供模組和整機使用，其中原來電視顯示屏的背光部分的關(guān)鍵部件和玻璃都安裝在背板與面殼形成的封閉空間的內(nèi)側(cè)，和原來的顯示屏體大致相同。這樣原來整機的后殼就可以減少到只遮蓋電路板的小后殼即可。
普通電視的整機結(jié)構(gòu)和通常整機模組的一體化結(jié)構(gòu)的安裝方式差不多相近：首先把液晶玻璃安在面殼里，接下來安裝背光部分，之后把背板蓋上，最后安裝整機模組的其他部件并把小后殼蓋上。
圖2 一體化結(jié)構(gòu)電視邊緣局部剖面圖
如圖3所示：這為一般模組的一體化結(jié)構(gòu)邊角的局部剖視圖和基本的安裝流程。這一過程是在原有的整機結(jié)構(gòu)形式上發(fā)展而來的一種新型的一體化結(jié)構(gòu)形式。從前部分依次向后部分安裝，安裝的過程中不需要翻轉(zhuǎn)。首先仍是把玻璃安裝到面殼里，之后把模組的面殼和中框連在一起，把液晶玻璃固定在中框和面殼中間，之后依著中框按順序安裝光學(xué)膜片、導(dǎo)光板，之后蓋上反射膜，接下來蓋上背板，然后在背板上安裝其余的部件，這樣就完成了整機的安裝。
圖3 常規(guī)一體化結(jié)構(gòu)局部剖視圖及裝配流程
如上所述的安裝過程看起來簡單而且易于操作，實際在后續(xù)實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了一系列的問題。第一，這種結(jié)構(gòu)的安裝是以面殼為基準(zhǔn)，而面殼一般采用的是塑膠件，塑膠件的特點是尺寸精度要求相對低，但其熱膨脹系數(shù)比較大。和面殼相比，面殼一般為框式結(jié)構(gòu)，如果用塑膠件，就會出現(xiàn)裝配變形的問題。因此，一方面，在組裝光學(xué)膜片和液晶玻璃得利用工裝等輔助加以定形，這樣對裝配的效率造成影響。另一方面，光學(xué)部件的安裝一般以中框為基準(zhǔn)，而中框又以面殼為安裝標(biāo)準(zhǔn)，這樣使得精度達不到，整機背光的光學(xué)性能得不到控制。總之，這樣的工藝使得生產(chǎn)一臺電視機所需的勞動時間增加，成本增加，勞動生產(chǎn)率降低，不能達到目前發(fā)展的要求。
3.4 一體化結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計
鑒于上述論述中原有的模組結(jié)構(gòu)的弊端，以下將以原來的模組結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對電視的一體化結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。
如圖4所示：我們對電視的裝配方式進行調(diào)整：首先把背板作為基準(zhǔn)，安裝背光部分于背板內(nèi)，然后再安裝液晶玻璃，之后安裝前框，也即面殼，通過翻轉(zhuǎn)，再安裝整機模組的其他部分。這種安裝順序?qū)τ谏a(chǎn)檢測有利，從而提高生產(chǎn)率。
如圖4所示：這是電視一體化結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計之后的局部剖面圖和簡單的安裝流程圖。這一安裝流程為：首先把背板作為基準(zhǔn)，先安裝燈條，放入反射膜、導(dǎo)光板、光學(xué)膜片，之后在背板上安裝模組的中框，使得背光部分被壓住，之后才可以把液晶玻璃安裝在中框上，蓋面殼，用卡鉤結(jié)構(gòu)固定，翻轉(zhuǎn)，連接背板與面殼。必須依這樣的順序來。這樣安裝的好處是使得整機模組中邊框的寬度變大，實現(xiàn)審美大的要求。
圖4 一體化優(yōu)化結(jié)構(gòu)的局部剖視圖及裝配流程
對比兩種安裝方式可發(fā)覺：電視一體化優(yōu)化設(shè)計后的安裝方式與傳統(tǒng)的安裝方式完全相反，而且在安裝的過程中需要翻轉(zhuǎn)，這樣的安裝方式看起來很繁瑣，但卻在實際的生產(chǎn)中發(fā)揮著很大的作用。這樣的安裝以背板為基準(zhǔn)，背板要求的材料一般為鈑金件，這樣尺寸精度就會提高，更主要的是背板是整個的一個大結(jié)構(gòu)，在安裝過程中不易產(chǎn)生變形，這與面殼的框式結(jié)構(gòu)截然不同。
4.結(jié)語
通過對液晶電視一體化結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，改變了原來的安裝程序，攻破了原有的難題，降低了企業(yè)的成本。實現(xiàn)了目前消費者對于電視性能和審美的要求。相信通過不斷地創(chuàng)新，電視會越來越滿足人們的需求。
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關(guān)鍵詞：綜合實訓(xùn) 綜合素質(zhì) 制作 電子產(chǎn)品
寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院《應(yīng)用電子》專業(yè)的前身是原寧夏商業(yè)學(xué)校中職層次的家用電器維修專業(yè)。該專業(yè)創(chuàng)辦于1980年，是寧夏第一個培養(yǎng)家用電器維修人才的基地。2003年，隨著學(xué)院的合并、重組，更名為《應(yīng)用電子》專業(yè)，并升格為高職。經(jīng)過二十多年不斷地建設(shè)與發(fā)展，本專業(yè)不僅為寧夏本地區(qū)乃至周邊地區(qū)培養(yǎng)了一大批應(yīng)用電子專業(yè)技術(shù)方面的專門人才，搭建起了設(shè)備較完善的教學(xué)平臺，也造就了一批高素質(zhì)的師資隊伍。
《綜合實訓(xùn)》課是我們在總結(jié)過去教學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上于2004年專門針對高職學(xué)生開設(shè)的一門具有獨創(chuàng)性的實踐性教學(xué)課程。
《綜合實訓(xùn)》課的設(shè)計思想是：因材施教，充分發(fā)揮每個學(xué)生的潛能，強調(diào)發(fā)展學(xué)生的個性；強調(diào)培養(yǎng)具有創(chuàng)新激情、想象能力的人才；強調(diào)在著力培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的基礎(chǔ)上，突出創(chuàng)新意識，以及收集和處理信息、獲取新知識、提出問題、分析問題與解決問題的能力。
《綜合實訓(xùn)》課的教學(xué)方法，采用開放式教學(xué)形式，沒有教材、沒有大綱、沒有實訓(xùn)指導(dǎo)書，只有一個總的時間安排和一個總的教學(xué)目標(biāo)。即：在規(guī)定的時間內(nèi)，要求每個學(xué)生根據(jù)自己學(xué)過的知識及自己掌握的程度，獨立設(shè)計并制作出一個具有一定使用價值的電子小產(chǎn)品，并寫出較為詳細的設(shè)計和制作報告。
《綜合實訓(xùn)》課的先修課程是《電路分析》、《模擬電子線路》、《數(shù)字電路》、《高頻電路》。
《綜合實訓(xùn)》課的總體要求是，電子小產(chǎn)品的功能構(gòu)想、電路原理圖的設(shè)計、所用元器件的選擇、印刷電路板的設(shè)計與制作、原件的焊接與組裝、整機參數(shù)的調(diào)試，所有環(huán)節(jié)都由學(xué)生自己獨立完成。指導(dǎo)教師只起輔導(dǎo)、解疑的作用。
《綜合實訓(xùn)》課的技術(shù)要求是：每個學(xué)生最后制作出來的作品，必須是一個具有一定使用價值的電子小產(chǎn)品，而不是單元電路，制作產(chǎn)品時使用的電子元件必須是常用的通用元件，而不能使用具有某種特殊功能的模塊。
《綜合實訓(xùn)》課的評價體系是：根據(jù)每個學(xué)生制作出來的電子產(chǎn)品的復(fù)雜程度，涉及知識面的廣度，電路設(shè)計的科學(xué)性，選用元件的合理性及產(chǎn)品制作的工藝性來評定。分優(yōu)、良、合格、不合格四個等級。
《綜合實訓(xùn)》課學(xué)生成績的評定方法是，產(chǎn)品制作出來之后，首先在全班展覽，并由制作者本人演示其功能，講述其工作原理，然后由指導(dǎo)教師組織全班學(xué)生集體研討，并依據(jù)評價體系中規(guī)定的五個方面進行評價，給出評語，最后由指導(dǎo)教師在學(xué)生評價的基礎(chǔ)上打出一個合理的成績。
2005年第2學(xué)期，我們在04級應(yīng)用電子專業(yè)開設(shè)了《綜合實訓(xùn)》課，每周4課，全學(xué)期共72學(xué)時，共分為四個階段。第一階段為構(gòu)思、選項階段，大約用了兩周時間。這一階段的主要任務(wù)是：查資料、選項目，并進行可行性論證。第二階段為電路的設(shè)計與修改階段，大約用8周時間。這一階段的主要任務(wù)是：根據(jù)選定的項目，設(shè)計電路圖，在指導(dǎo)教師的幫助下，改進和優(yōu)化設(shè)計。在實驗臺上進行可行性實驗。第三階段為產(chǎn)品的制作、調(diào)試階段，大約用4周的時間。這一階段的主要任務(wù)是：設(shè)計并制作印刷電路板、焊接電子原件、調(diào)試設(shè)計參數(shù)。第四階段為總結(jié)、驗收階段，大約用4周時間。這一階段的主要任務(wù)有三項：一是寫實訓(xùn)報告，二是作品的展示、研討，三是評定成績、總結(jié)經(jīng)驗。
《綜合實訓(xùn)》課采用了開放式的教學(xué)方法，取得了比預(yù)想還要好的結(jié)果。每個學(xué)生都能按照自己選定的目標(biāo)，積極主動地完成任務(wù)。由于目標(biāo)的難易程度不同，從而為不同層次的學(xué)生充分展示自己的才能提供了廣闊的空間。平時學(xué)得稍微差些的學(xué)生，設(shè)計并制作了比較簡單的電子小產(chǎn)品，如充電器、音樂門鈴、嬰兒尿濕報警器、聲控照明燈、光控照明燈等。平時學(xué)得稍微好的學(xué)生設(shè)計并制作了比較復(fù)雜的電子小產(chǎn)品，如紅外線報警器、頻率計、電子時鐘等。學(xué)生的部分作品還參加了當(dāng)年學(xué)院舉辦的教學(xué)成果展覽，受到自治區(qū)教育廳及學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的高度贊揚。
通過《綜合實訓(xùn)》課的教學(xué)，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，更重要的是使不同層次的學(xué)生都獲得了成就感，增強了自信心，提高了學(xué)習(xí)興趣，為進一步學(xué)好專業(yè)課打下了良好的基礎(chǔ)。這一教學(xué)成果在以后的專業(yè)課教學(xué)中得到了充分的印證。
組裝黑白電視機是我們的傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容，過去學(xué)生由于對各種電子元件的理解只停留在符號上，對實物不熟悉，對印刷電路板和原理圖的對應(yīng)關(guān)系不熟悉，焊接電子元件的功夫不到位等原因，裝機時經(jīng)常出現(xiàn)元件插錯，電路板損壞，接焊搭橋、虛焊等錯誤，一個班派2―3名教師還忙不過來，裝機一次成功率達不到70％。2006年《綜合實訓(xùn)》課的第一次組裝黑白電視機實訓(xùn)教學(xué)，由于學(xué)生已有了較扎實的基本功，大部分學(xué)生具備了獨立完成組裝的能力，我們只派了1名指導(dǎo)教師，該教師也只起監(jiān)督進度的作用，結(jié)果提前完成了裝機任務(wù)，一次成功率達100％。
2006年7月份，實施開放式教學(xué)后的第一批畢業(yè)生，參加國家技術(shù)等級考核，全部拿到了相應(yīng)的等級證書，經(jīng)用人單位考核面試，均按本人意愿實現(xiàn)了對口就業(yè)。2006年10月份，我們對大部分畢業(yè)生和用人單位進行了回訪。企業(yè)普遍反映，這批學(xué)生與往屆學(xué)生相比基本功更扎實，一到崗就能勝任工作，企業(yè)需要的就是這樣的人才，目前畢業(yè)生供不應(yīng)求。
經(jīng)過幾年的實踐與探索，我們總結(jié)出了一下幾點體會：
1. 實施開放式教學(xué)，改變傳統(tǒng)的實訓(xùn)模式，變固定的產(chǎn)品組裝、調(diào)試為學(xué)生自主設(shè)計、組裝、調(diào)試，提高了學(xué)生的自主性，有助于學(xué)生全面運用所學(xué)知識，培養(yǎng)觀察問題、分析問題、解決問題的能力，是對學(xué)生綜合素質(zhì)的極好鍛煉。
2. 實現(xiàn)開放式教學(xué)，充分體現(xiàn)了因材施教的原則，使不同層次的學(xué)生都能在原有的基礎(chǔ)上得到提高。打破了傳統(tǒng)的評價體系，變橫向比較為縱向比較，強調(diào)結(jié)果，更注重過程，使每個學(xué)生都獲得了成就感，增強了自信心，提高了學(xué)習(xí)興趣。
3. 《綜合實訓(xùn)》課只是整個實踐性教學(xué)鏈條上的一個環(huán)節(jié)，它只強調(diào)學(xué)生個性的發(fā)展，而不能取代具有共性的課程實驗、課程設(shè)計、專業(yè)實訓(xùn)和畢業(yè)實習(xí)。只有全面加強實踐性教學(xué)，才能凸顯職業(yè)技術(shù)教育的特點，培養(yǎng)出合格的人才。
4. 學(xué)生自己設(shè)計電子小產(chǎn)品，其結(jié)果必然是五花八門，由于有些電子元器件在市場上很難買到或買到后的元件與要求不一致，在調(diào)試過程中會遇到問題，會有反復(fù)，這樣一來，學(xué)生在這方面花費大量的時間和精力，做不好就會虎頭蛇尾。
5. 實施開放式教學(xué)，對指導(dǎo)教師提出了更高的要求，教師既要對學(xué)生進行理論設(shè)計的指導(dǎo)、把關(guān)，又要指導(dǎo)學(xué)生進行實際的組裝與調(diào)試，隨時解決出現(xiàn)的問題，因此，對指導(dǎo)教師的業(yè)務(wù)水平有了更高的要求。
6. 實施開放式教學(xué)，要求學(xué)生做出電子產(chǎn)品，必然會消耗大量的電子元件，加大了教學(xué)成本，如何以最小的代價取得最大的效益是必須考慮的問題。
經(jīng)過幾年的實踐探索，我們深深地體會到，在應(yīng)用電子專業(yè)開設(shè)《綜合實訓(xùn)》課，并采用開放式的教學(xué)方法，對提高學(xué)生的動手能力，增強學(xué)生的創(chuàng)新意識，進而提高學(xué)生的綜合素質(zhì)是非常必要的，也是切實可行的。我們將繼續(xù)努力，不斷探索、完善教學(xué)方法，以達到更好的效果，為社會培養(yǎng)出高素質(zhì)的應(yīng)用性人才。
參考文獻：
[1] 郭靜.高等職業(yè)教育人才培養(yǎng)模式――北京發(fā)展高等職業(yè)教育的探索與實踐.北京:高等教育出版社，2000，5.
關(guān)鍵詞 船舶；密閉艙室；爬壁機器人；檢測；結(jié)構(gòu)設(shè)計；有限元分析
中圖分類號：TP242 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0019-02
船舶上布置著較多的密閉艙室，對于船員來說最大危險來自于其中的有毒有害氣體，但是由于工作需要必須安排人員進入其中。即使有文獻[1]所述的安全做法，但也可能因人失誤、因設(shè)備故障等造成重大傷亡事故。為避免此類事故的發(fā)生，文獻[2]提出了利用機器人代替人來進行船上危險環(huán)境檢測的思想。文獻[3]～[5]設(shè)計研究了船舶外表面作業(yè)機器人，為船舶密閉艙室探測機器人的設(shè)計研究提供了可借鑒的方式方法。本文根據(jù)船舶艙室鋼架結(jié)構(gòu)特點設(shè)計了新型永磁吸附爬壁機器人，其可應(yīng)用在如壓載艙、貨艙等船舶密閉艙室。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計使機器人具有一定的越障能力，利用吸附力使自身能夠吸附在鐵磁避面上，如搭載相關(guān)設(shè)備（氣體檢測器、攝像頭等）即可完成相應(yīng)的作業(yè)，可實現(xiàn)機器人代替人來完成危險作業(yè)的
功能。
1 爬壁機器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計
1.1 關(guān)鍵技術(shù)選擇
1）吸附方式的選擇。
真空吸附式往往需要攜帶真空泵，體積過大，而本機器人設(shè)計應(yīng)用于船舶鐵磁壁面，因此選用永磁吸附方式比較簡單經(jīng)濟，同時通過合理的設(shè)計安裝磁鐵的結(jié)構(gòu)，根據(jù)搭載設(shè)備的負載大小增減磁鐵數(shù)量，這樣即可保證增減吸附力又能靈活地適應(yīng)壁面。
2）移動方式選擇。
通過表2的比較分析，本設(shè)計選用雙履帶的移動方式，雖然結(jié)構(gòu)上復(fù)雜，但其接觸面積達、重心低、穩(wěn)定性好，可增加負重且便于攜帶作業(yè)工具。另外，履帶是鉸鏈連接的，具有一定的柔性，能夠適應(yīng)壁面的曲率變化，且可越過焊縫等壁面上可能存在的障礙。
綜上所述本文最終設(shè)計了永磁吸附雙履帶驅(qū)動式爬壁機
器人。
1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計
利用Solidworks對機器人底盤結(jié)構(gòu)進行建模，如圖1。1是本體前部結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一定斜度的爬坡角度；2是本體后部安裝配重的位置；3是安裝磁鐵的位置。在建模中以及后期配重時應(yīng)盡量保證機器人重心靠后且貼近壁面。
圖1 機器人本體結(jié)構(gòu)solidworks建模
2 爬壁機器人的磁吸附設(shè)計
2.1 永磁材料的選擇
當(dāng)機器人在垂直于壁面或倒貼在墻壁上爬行時，永磁鐵所提供的吸附力應(yīng)能保證能夠克服磁鐵本身和機器人的重力，緊貼在壁面上。
釹鐵硼三元系永磁材料是目前發(fā)現(xiàn)商品化性能最高的磁鐵，機械加工性能相當(dāng)好。本作品選用釹鐵硼永磁材料的型號為N35[6]。
本文設(shè)計選用尺寸規(guī)格為20*10*2的長方體結(jié)構(gòu)釹鐵硼永磁鐵。這樣在保證機器人具有足夠吸附力的同時也大大減小了磁鐵所占用的空間和磁鐵增加的重量。
2.2 永磁吸附優(yōu)化設(shè)計
在實際設(shè)計過程中，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，最后選取8塊永磁鐵以兩兩一對并排一行的布局，吸附效果最佳。因此，在機器人底部設(shè)置4個孔槽，長11 mm，寬4.2 mm，深度25 mm，將8塊永磁鐵兩兩的裝入4個槽中，與鐵磁性墻壁存在一段約4 mm的間隙。永磁鐵的極性方向為垂直壁面，在磁鐵、墻壁和之間的氣隙中形成閉合的磁場，向機器人提供爬壁的磁吸附力。
2.3 磁吸附力的有限元分析
無論是設(shè)計以提供磁場為目的還是以產(chǎn)生指定的力學(xué)行為為目標(biāo)的永磁結(jié)構(gòu)，首先都要必須對由永磁體作為磁源的磁場進行計算。本文采用有限元方法，仿真計算磁吸附力的大小。另外，由于爬壁機器人的速度低，可以近似的看作靜態(tài)磁場。
本文在簡化的物理模型、數(shù)學(xué)模型以及求解方法[7]基礎(chǔ)上，采用基于麥克斯韋方程組求解的Ansoft Maxwell 14.0軟件對磁吸附力進行仿真求解。
首先建立模型，對模型中的磁鐵、墻壁和空氣三種材料進行定義。由于Ansoft Maxwell 14.0軟件中自帶有N35型釹鐵硼永磁材料、鐵以及空氣，所以只需選擇相應(yīng)的介質(zhì)材料即可。然后進行相應(yīng)邊界條件設(shè)置、網(wǎng)格劃分、參數(shù)選擇和求解設(shè)置等，最后求解運算，計算后的磁場分布如圖2所示。
通過計算分析，磁鐵和墻壁之間的吸附力為13.992N，當(dāng)機器人質(zhì)量為1kg時，橡膠履帶和鐵質(zhì)墻壁間的摩擦系數(shù)為0.75，因此履帶和墻壁間的摩擦力10.494N大于機器人重量9.8N，所以機器人在爬墻過程中能夠牢牢的吸附在墻壁上，保證了機器人的正常工作。
3 爬壁機器人的控制系統(tǒng)
爬壁機器人由主動輪運動帶動前進、后退以及轉(zhuǎn)向。一對主動輪通過減速裝置各與一個直流電機相連，當(dāng)兩個電機以相同的轉(zhuǎn)速向相同方向轉(zhuǎn)動時，機器人完成前進、后退。當(dāng)左邊的電機轉(zhuǎn)動，右邊的電機停止時，機器人右轉(zhuǎn)；反之，左轉(zhuǎn)。
控制系統(tǒng)采用兩級控制結(jié)構(gòu)，保證爬壁機器人的實用性和可靠性。上位機可根據(jù)實際作業(yè)需要安裝在易操縱位置，下位機安裝于機器人本體，控制系統(tǒng)包含了伺服電機驅(qū)動模塊、無線收發(fā)模塊、直流電源模塊和控制電路板等。而控制電路板以STC89C52單片機為核心，控制機器人的運動。
4 結(jié)束語
通過在船舶模擬艙室試驗，機器人可達到預(yù)期的要求，能夠完成從水平到豎直面的過渡爬行以及垂直壁面上的爬行，同時能夠適應(yīng)壁面一定程度的突起與凹陷，具有一定的越障能力。另外，通過調(diào)試，實現(xiàn)了上位機與動力控制模塊之間良好的通訊，機器人搭載無線模塊，可以通過配套設(shè)計的遙控裝置實現(xiàn)遠程操作，控制機器人前進、后退以及轉(zhuǎn)向。因此根據(jù)船舶作業(yè)任務(wù)要求，通過簡單改造并搭載檢測設(shè)備，便可實現(xiàn)此爬壁機器人代替船員完成相應(yīng)作業(yè)任務(wù)。
參考文獻
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1電源設(shè)計要點
1．1電池的選擇
便攜式電源主要有鋰電池和鎳氫電池這兩種選擇［1］，兩者相比各有優(yōu)勢，鋰電池和鎳氫電池在實際應(yīng)用中主要有以下區(qū)別：（1）鋰電池單體電壓為3．2V或3．7V，鎳氫電池單體電壓為1．2V。（2）鋰電池沒有記憶效應(yīng)［2－3］，鎳氫電池有記憶效應(yīng)。（3）鋰電池的比容量（單位體積、重量蘊藏的電能）更高。鋰電池與鎳氫電池相比還具有體積小、重量輕、自放電率低等優(yōu)點，而鎳氫電池較鋰電池在大電流輸出這部分略勝一籌。由于煤礦井下便攜式移動電子設(shè)備對電池體積、能量密度要求更高一些，因此，選擇鋰電池作為后備電池較為理想。《煤礦安全儀器儀表用鋰離子蓄電池安全標(biāo)志管理方案》停止了對采用鈷酸鋰電池的煤礦安全儀器儀表產(chǎn)品的安全標(biāo)志的審核發(fā)放，可以使用錳酸鋰電池或磷酸鐵鋰電池，且電池組總?cè)萘坎淮笥?A•h。
1．2安全柵保護方式設(shè)計
煤礦井下的電源首先需要考慮本質(zhì)安全電路的設(shè)計。本質(zhì)安全電路是指正常工作和規(guī)定的故障條件下，產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路［4］。本質(zhì)安全輸出的過流保護分為限流式和截止式2種方式。截止式保護方式屬于觸發(fā)式保護，當(dāng)出現(xiàn)過流現(xiàn)象時，可以通過采樣電阻、比較器很快地關(guān)斷開關(guān)管，實現(xiàn)本質(zhì)安全保護［5－6］。這種方式有利于通過火花實驗，但其最大的缺點是過于靈敏，電源或負載干擾可能會導(dǎo)致設(shè)備重啟，抗干擾能力較差。限流式保護方式是指負載電流達到限流值，保護電路進入恒流狀態(tài)，限制負載電流在限流值。這種方式的最大優(yōu)點是可以實現(xiàn)全載啟動，缺點是限流時開關(guān)管會承受限流值電流與輸入電壓所產(chǎn)生的較大損耗。理想的安全柵保護方式是負載短路時先限流后截止，電流增大到保護值時，安全柵先進入限流式保護方式，如果是瞬間干擾（如電壓尖峰等），安全柵不會截止，如果過流情況持續(xù)超過一定時間，則會進入截止式保護方式。這種方式既能滿足本質(zhì)安全性能要求，與截止式保護方式相比又顯著提高了抗干擾能力。先限流后截止的保護方式的保護電路及輸出特性曲線如圖1所示，當(dāng)流經(jīng)R0的電流超過限定值，三極管T2由飽和導(dǎo)通區(qū)進入放大區(qū)，超過調(diào)節(jié)設(shè)定的時間，則來自比較放大電路的控制信號將三極管T2或MOS管T1關(guān)閉。（a）保護電路（b）輸出特性曲線
1．3電池升壓電路優(yōu)化設(shè)計
通常便攜式電子設(shè)備需要用到5V電源，電池電壓需要經(jīng)過升壓才能達到5V，即要用到Boost變換器。本文以TPS61070應(yīng)用電路為例進行分析。圖2為TPS61070應(yīng)用電路，電池電壓由升壓電路變換至5V、200mA輸出。圖2TPS61070應(yīng)用電路TPS61070是TI公司為便攜式電子設(shè)備應(yīng)用提供的采用同步整流和脈寬調(diào)制技術(shù)的控制器，旨在實現(xiàn)電源最高效率。TPS61070具有過熱保護和省電模式。在低負載電流條件下，如果儲能電感上的電流為零，TPS61070可進入省電模式，此時，變換器只有在輸出電壓低于設(shè)定值時才開始動作，在幾個開關(guān)周期之后，如果輸出電壓超過設(shè)定值，變換器又進入省電模式。省電模式通過調(diào)整開關(guān)頻率減少了MOS管的開關(guān)損耗，以在寬負載電流范圍內(nèi)保持高效率，利于提高電池的續(xù)航能力。
圖3為由寄生電感及電容所構(gòu)成的Boost變換器關(guān)鍵環(huán)路，LPAR和CPAR分別為寄生電感及電容。便攜式電子設(shè)備長時間運行，電源不穩(wěn)定，TPS61070易損壞，損壞之后TPS61070呈現(xiàn)電源和地之間短路的狀態(tài)。由于布局和器件原因，調(diào)試時發(fā)現(xiàn)在開關(guān)變換器與電感交匯的開關(guān)節(jié)點處有高頻振蕩。通常電路中伴生的寄生電感和寄生電容會產(chǎn)生互感，并導(dǎo)致電流環(huán)路開關(guān)節(jié)點上的高頻振蕩［7－8］。如果該高頻振蕩，也就是振鈴［5］的幅值超過低壓開關(guān)額定電壓的最大絕對值，將會損壞MOS管，而Boost變換器電路的MOS管集成在TPS61070內(nèi)部，所以會出現(xiàn)TPS61070損壞之后電源和地短路的現(xiàn)象。因此，設(shè)計時需要采用多種方法實現(xiàn)振鈴的最小化來保護MOS管。
分析圖3：首先整流二極管D1的寄生電容要小，由于D1亦集成在TPS61070內(nèi)部，TPS61070應(yīng)用電路不需要調(diào)整；其次需要優(yōu)化電路板走線使回路中寄生電感最小化。例如，減小MOS管與儲能電感L1之間的距離可以使寄生電感LPAR2和LPAR3變小，縮短TPS61070與電源接地點之間的距離可以使寄生電感LPAR1變小，將輸出電容Cout盡可能靠近D1的陰極，可以使寄生電感LPAR4和LPAR5最小化。另外，在電源輸出和地之間放置高頻旁路電容Cout－BYP也能最小化開關(guān)節(jié)點處的振鈴幅值。如果振鈴幅值還是會超過MOS管的承受范圍，可以設(shè)計一個RC緩沖電路（圖3中的RSNUB和CSNUB）來消除開關(guān)閉合時寄生電感所產(chǎn)生的電壓毛刺。當(dāng)開關(guān)閉合時，RC緩沖電路為流經(jīng)寄生電感的電流提供一條接地通道，從而抑制電壓瞬間變化并降低了MOS管的應(yīng)力。圖4為未加RC緩沖電路和加了RC緩沖電路（R＝10Ω，C＝10nF）后Boost變換器開關(guān)節(jié)點上的振鈴波形，從中可看出，有了緩沖電路后振鈴峰值得到有效抑制，電源長時間穩(wěn)定運行，TPS61070也不再損壞。
教學(xué)改革實驗平臺理論教學(xué)實踐教學(xué)分層次教學(xué)
一、引言
教育部和財政部等單位于2012年2月了《關(guān)于進一步加強高校實踐育人工作的若干意見》，文中針對加強實踐教學(xué)提出了明確的要求和具體的措施。其中第5條指出，深化實踐教學(xué)方法改革，加強實踐教學(xué)方法是專業(yè)建設(shè)的重要內(nèi)容。因此， 在實驗教學(xué)上加大改革力度，成為新形勢下社會發(fā)展要求的實用和創(chuàng)新型人才是教學(xué)中亟待解決的問題。
《電路理論》課程在電子信息類專業(yè)中是一門非常重要的基礎(chǔ)課，其實驗教學(xué)是培養(yǎng)高校電類專業(yè)人才的有效且重要的途徑。在歐美等發(fā)達國家，理論與實踐教學(xué)的學(xué)時比一般為1U2或1U3，遠高于大部分國內(nèi)的理工科高校。長期以來，國內(nèi)理工類高校實驗占教學(xué)之比重較低，普遍存在重理論輕實踐的傾向，在一定程度上限制了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性，難以激發(fā)學(xué)生獨立思考的興趣和激情，這樣不利于人才的培養(yǎng)。
我校電子信息工程學(xué)院《電路理論》是校級精品課程，13版教學(xué)大綱規(guī)定，電氣類專業(yè)的《電路理論》課程在大一的下學(xué)期開設(shè)，教學(xué)共計劃84學(xué)時，其中理論課時占72個（含8個習(xí)題課時），實驗課時占12個，共安排6次。為了培養(yǎng)社會急需的人才，有效合理的進行實驗教學(xué)改革十分必要，為此我們改造了原有的實驗平臺，并對實驗教學(xué)內(nèi)容進行了整合。
二、實驗平臺的改造
我校《電路理論》試驗教學(xué)改造前，主要是依托計算與試驗中心的電工實驗室來完成的。該實驗室使用的KHDG-1電工試驗平臺其設(shè)計理念已經(jīng)完全過時，根本不能滿足我校2013版《電路理論》或者《電路分析基礎(chǔ)》相關(guān)課程的教學(xué)要求，以及由此課程展開的培養(yǎng)學(xué)生實踐技能和創(chuàng)新活動能力的需要，難以適應(yīng)新形式下的教學(xué)改革和實踐教學(xué)的要求，主要表現(xiàn)及改造必要性在如下幾個方面：
（1）由于KHDG-1電工試驗臺使用年限過長，設(shè)備老化嚴重，再加上維護維修不方便，嚴重影響了教學(xué)計劃和教學(xué)質(zhì)量。
（2）試驗臺試驗?zāi)K的固化，只能完成驗證性的試驗，無法進行綜合設(shè)計型的試驗。
（3）采用現(xiàn)有的KHDG-1電工試驗臺，只能進行驗證型試驗，學(xué)生無法接觸到實際的元器件，更談不上進行綜合設(shè)計試驗，無法提高學(xué)生的試驗技能和實踐能力，也限制了學(xué)生的想象力以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提高。
根據(jù)我校2013版《電路基本理論》或者《電路分析基礎(chǔ)》相關(guān)課程的教學(xué)大綱，結(jié)合新形式下培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的要求對舊的實驗平臺進行了改造，徹底掘棄老的電工實驗臺，自制了新的試驗臺（箱），其功能如下：
（1）提供DC±5V、DC±25V、±0～30V連續(xù)可調(diào)直流電源，0～16V可調(diào)交流電源；
（2）提供多波形的信號發(fā)生器；
（3）測量用的數(shù)字電壓表、電流表表頭；
（4）常用的電阻、電容等元器件，IC插座和面包板；
（5）可以固定安裝進行驗證性試驗用的實驗電路模板。
另外，配套數(shù)字示波器、多功能信號發(fā)生器和數(shù)字萬用表，制作進行少量驗證性實驗的電路板模塊（可固定在實驗箱上），改造后的實驗平臺通過面包板可以靈活搭建各種實驗電路，并能夠滿足多種形式的創(chuàng)新實踐需求。
引入該電路實驗平臺后，使得《電路理論》實踐教學(xué)在實用性、新穎性、創(chuàng)新性、教師培養(yǎng)、促進理論教學(xué)和資源共享等幾個方面得到了提高。
三、實驗內(nèi)容的完善
電路理論課程實驗平臺的改造，可以使實驗的內(nèi)容和形式多樣化。改造后的實驗包括計算機仿真實驗和硬件實驗兩個部分。對多個教學(xué)對象，采取因材施教，實行分層次教學(xué)的方法。
將計算機仿真技術(shù)引入《電路理論》實驗。在實驗前給學(xué)生介紹仿真軟件并進行演示，學(xué)生根據(jù)實驗?zāi)康模约菏紫壬蠙C實踐，一方面，能夠提高學(xué)生運用計算機分析和解決問題的能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；另一方面，學(xué)生在實物操作時對實驗中出現(xiàn)的一些數(shù)據(jù)和現(xiàn)象能夠完全了解，實驗的目的性更加明確。計算機仿真實驗安排兩次實驗。其中，將硬件實驗分成基本實驗、綜合性實驗和設(shè)計性實驗三個層次。
1.基本實驗
基本實驗均為驗證性實驗，改造后的實踐教學(xué)平臺將保留少量1～2個驗證性的電路實驗，這部分實驗的電路已做好在電路板上，實現(xiàn)了模塊化。另外，安排1～2個自搭建電路的實驗，由學(xué)生根據(jù)實驗要求，用給定的元器件在面包板上搭建實驗電路。基本實驗要求所有的學(xué)生一人一組獨立完成。基本實驗項目要求學(xué)生在完成指定實驗內(nèi)容的同時，熟悉各種常規(guī)電子儀器儀表的使用及其對電路基本物理量的測量方法，熟練掌握常用元器件的識別方法，掌握搭建電路的基本技能，以及學(xué)會對實驗數(shù)據(jù)的分析和處理方法。
2.綜合性實驗
綜合實驗安排1～2個實驗內(nèi)容。老師先提出實驗任務(wù)和設(shè)計要求， 再由學(xué)生擬好實驗電路、實驗步驟、并估算各元件參數(shù)。這些實驗可有目的地讓不同層次的學(xué)生進行組合，不局限于一人一組，原則上是理論知識好與動手能力強互相組合，再搭配一至二個成績較差的學(xué)生。也可以將實驗項目分解成單元電路，由不同組的學(xué)生設(shè)計相應(yīng)的單元電路，并在面包板上搭建實驗電路。
3.設(shè)計性實驗
設(shè)計性實驗主要著重培養(yǎng)學(xué)生的靈活運用理論知識的想象力和創(chuàng)新能力，為社會的發(fā)展輸送高素質(zhì)的專業(yè)人才。設(shè)計性實驗不再要求所有學(xué)生參加，對有潛力、學(xué)有余力的學(xué)生，可分成興趣小組，由任課教師專門指導(dǎo)其完成設(shè)計性和自定項目實驗，在開放性實驗室用課外業(yè)余時間完成。
四、改造后的教學(xué)效果
改造后的實驗平臺可實現(xiàn)一人一組，在實驗課學(xué)時普遍偏少的情況下， 一人一組方式上課是非常必要的。一人一組就必須人人動手做實驗，杜絕多人一組部分學(xué)生只能旁觀的現(xiàn)象， 學(xué)生普遍反映效果好。教學(xué)效果主要體現(xiàn)在以下方面：
1.規(guī)范和完善了教學(xué)體系和教材建設(shè)
為了適應(yīng)面向新世紀的人才培養(yǎng)的目標(biāo)， 根據(jù)教育部對課程總體要求， 對《電路理論》和《電工電子學(xué)》的教學(xué)內(nèi)容和實驗項目設(shè)置進行了合理的選擇和規(guī)范，重新編寫了完整的實驗教材， 加強了基礎(chǔ)性內(nèi)容，增加了綜合性、設(shè)計性的實驗內(nèi)容， 特別強調(diào)學(xué)生的實驗預(yù)習(xí)與設(shè)計環(huán)節(jié)，以適應(yīng)不同層次的需要。
2.學(xué)生的獨立性、自信心和學(xué)習(xí)積極性得到了鍛煉和提高
對基本實驗，將以往兩人一組的方式采用一人一組的方式，并要求他們在實驗前充分預(yù)習(xí)，實驗過程中不準(zhǔn)互相串臺，
極大地提高他們的獨立性。
3.基本技能和理論水平明顯提高
通過改造后的實驗平臺實行分層次教學(xué)，充分激發(fā)了各層次學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，最大限度提高了對理論知識的掌握和實踐能力，使他們真正牢固記憶并透徹理解電路的基本概念，切實掌握實驗的基本技能和基本方法，為后續(xù)課程服務(wù)，為完成專業(yè)培養(yǎng)方案服務(wù)。
4.創(chuàng)新能力提高
綜合提高型實驗教學(xué)的實施是實驗教學(xué)的延伸，通過自定設(shè)計實驗項目實驗，培養(yǎng)了學(xué)生的知識運用能力和創(chuàng)新意識，為大學(xué)生創(chuàng)新活動和競賽活動輸送了越來越多的人才。
5.計算機仿真及其應(yīng)用能力的提高
將EWB計算機仿真技術(shù)引入電路實驗， 一方面，能夠提高學(xué)生運用計算機分析和解決問題的能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而大大地激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力；另一方面，學(xué)生可以對一個實驗嘗試多種電路實現(xiàn)，比較優(yōu)缺點，優(yōu)化設(shè)計方案，比較仿真軟件的分析方法，在實物操作時對實驗中出現(xiàn)的一些數(shù)據(jù)和現(xiàn)象能夠完全了解，實驗的目的性更加明確。
作為民族院校，我校的工科專業(yè)起步較晚，師資力量相對較弱，電子信息工程學(xué)院由物理系改建的時間不長，但在近幾年的本科創(chuàng)新競賽中都取得可喜的成績，其中在飛思卡爾智能車競賽和全國電子設(shè)計大賽中均取得了包括一等獎的多項獎項。學(xué)院組織參加省部級以上創(chuàng)新活動情況一覽表如表1所示。五、結(jié)束語
通過對我院電氣類13級學(xué)生使用新實驗平臺的實踐教學(xué)情況來看，實驗教學(xué)質(zhì)量較之以前得到顯著的提高。無論是學(xué)生的實踐能力、思維判斷能力培養(yǎng)，還是實驗設(shè)計創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，都取得良好的效果，為后續(xù)課程的教學(xué)打下了良好的實踐基礎(chǔ)。社會的發(fā)展對人才的需求提出了更高的要求，作為直接輸送人才的高等院校，需要進一步轉(zhuǎn)變觀念，積極探索新形勢下的實踐教學(xué)規(guī)律，包括對實驗教學(xué)內(nèi)容、方法、手段等進行一定的改革與探索，才能適應(yīng)社會發(fā)展對人才的需求。
參考文獻：
[1]《實驗室研究與探索》編輯部.教育部等部門關(guān)于進一步加強高校實踐育人工作的若干意見（摘錄）.實驗室研究與探索，2012，（6）.
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