内容简介
《电子工程师常用手册》系统地提供了电路设计、电子制作相关元器件(模块)的基本特性、使用方法、典型应用,主要内容包括电阻器与电容器基础元件、常用半导体器件,运算放大器、A/D与D/A转换器、电压比较器、时基电路、压控振荡器,传感技术中的温度传感器、湿度传感器、气体传感器、压力传感器、加速度传感器、霍尔位置传感器、电流传感器、光电传感器;电源技术中的线性集成稳压器、并联稳压器、TOPSwitch系列开关电源、TinySwitch系列微型单片开关电源、MC33370系列微型单片开关电源、UC5832有源高功率因数集成控制器,单片机技术中的80C51、AVR、PIC、ST、T1 ARM嵌入式处理器等系列;功率驱动与执行器件中的达林顿、晶闸管、继电器、IGBT,光电显示技术中的LED、液晶显示器;接口技术中RS232、RS485、ISA总线技术、PCI、IDE、USB;通信技术中的Modbus、过程现场总线Profibus、CAN;存储技术中的RAM、ROM、I2C:无线技术中的315MHz~2.4GHz无线收发器、IrDA红外传输;以及CPLD、FPGA等可编程逻辑器件等。
本手册适合从事电路开发、电路设计、电路制作、电子产品维修技术人员阅读,也适合电子/通信技术初学者学习,还可作为大中专在校学生、电子设计及技能竞赛的工具书。
内页插图
目录
前言
第1章 电子元器件型号命名方法和电气图形符号
1.1 型号命名方法
1.1.1 基础元件的型号命名方法
1.1.2 半导体器件的型号命名方法
1.1.3 集成电路(IC)的型号命名方法
1.2 图形符号的表示方法及含义
1.2.1 电工图形符号
1.2.2 电子元器件图形符号
第2章 基础元器件
2.1 电阻器
2.1.1 电阻器基本知识
2.1.2 电阻器的选用
2.2 电容器
2.2.1 电容器基础知识
2.2.2 电容器的选用
2.3 电感线圈和变压器
2.3.1 电感线圈基础知识
2.3.2 常用电感线圈的特点、作用及选用
2.3.3 变压器基础知识
2.4 半导体二极管
2.4.1 半导体二极管基础知识
2.4.2 半导体二极管的选用
2.5 晶体管
2.5.1 晶体管基础知识
2.5.2 晶体管的选用
2.6 晶闸管
2.6.1 晶闸管基本知识
2.6.2 晶闸管使用注意事项及典型应用电路
第3章 模拟技术
3.1 运算放大器
3.1.1 单运算放大器
3.1.2 双运算放大器
3.1.3 四运算放大器
3.2 A/D与D/A转换器
3.2.1 A/D转换芯片
3.2.2 D/A转换芯片
3.3 电压比较器
3.4 时基电路
3.5 压控振荡器
第4章 传感技术
4.1 温度传感器
4.1.1 热电阻
4.1.2 热电偶
4.1.3 DS1820集成温度传感器
4.1.4 AD22105温度开关
4.2 湿度传感器
4.2.1 湿敏电阻
4.2.2 湿敏电容
4.2.3 数字湿度传感器
4.3 气体传感器
4.3.1 半导体气体传感器
4.3.2 电化学型气体传感器
4.4 压力传感器
4.4.1 陶瓷压力传感器
4.4.2 压阻传感器
4.4.3 数字压力传感器
4.5 加速度传感器
4.6 霍尔位移传感器
4.6.1 开关型霍尔位置传感器
4.6.2 数字霍尔位置传感器
4.7 电流传感器
4.7.1 霍尔电流传感器
4.7.2 常用开环电流传感器
4.7.3 常用闭环电流传感器
4.8 光电传感器
4.8.1 常用反射式光电传感器
4.8.2 常用透射式光电传感器
第5章 电源技术
5.1 线性集成稳压器
5.1.1 LM78××系列稳压器
5.1.2 LM79××系列稳压器
5.1.3 LM317稳压器
5.1.4 LM337稳压器
5.2 TL431并联稳压器
5.3 TOP Switch系列开关电源
5.3.1 TOP Switch系列的性能特点
5.3.2 TOP Switch系列的引脚与参数
5.3.3 TOP Switch系列的典型应用
5.4 TOP Switch-FX系列开关电源
5.4.1 TOP Switch-FX系列的性能特点
5.4.2 TOP Switch-FX系列的引脚与参数
5.4.3 TOP Switch-FX系列的典型应用
5.5 Tiny Switch系列微型单片开关电源
5.5.1 Tiny Switch系列的性能特点
5.5.2 Tiny Switch系列的典型应用
5.6 MC33370系列微型单片开关电源
5.6.1 MC33370系列的性能特点
5.6.2 MC33370系列的引脚功能
5.6.3 MC33370系列的典型应用
5.7 UC3852有源高功率因数集成控制器
5.7.1 UC3852的性能特点
5.7.2 UC3852的引脚功能与参数
5.7.3 UC3852的典型应用
第6章 单片机技术
6.1 80C51系列单片机
6.1.1 51系列单片机
6.1.2 C8051F系列单片机
6.2 AVR系列单片机
6.3 PIC系列单片机
6.3.1 PIC单片机的特性描述
6.3.2 PIC12C508超小型单片机
6.4 μPSD3200系列单片机
6.5 TI单片机
6.6 ARM控制器
第7章 功率驱动与执行器件
7.1 ULN2003达林顿驱动器件
7.2 晶闸管
7.2.1 概述
7.2.2 单向晶闸管
7.2.3 双向晶闸管
7.3 固态继电器
7.3.1 概述
7.3.2 中功率固态继电器
7.3.3 大功率固态继电器
7.4 1GBT
7.4.1 1GBT原理及应用
7.4.2 常用IGBT型号及性能参数
第8章 光电显示技术
8.1 LED显示器
8.1.1 数码管
8.1.2 米字管
8.1.3平面发光二极管
8.1.4 LED点阵式显示器
8.2 液晶显示器
8.2.1 段码液晶显示器
8.2.2 字符型液晶显示器
8.2.3 图形点阵液晶显示器
8.2.4彩色液晶屏
第9章 接口技术
9.1 RS232接口技术
9.2 RS485接口技术
9.3 ISA总线技术
9.4 PCI技术
9.5 IDE接口技术
9.6 USB接口技术
第10章 通信技术
10.1 Modbus通信协议
10.1.1 Modbus协议概述
10.1.2 Modbus协议工作传输机制
10.1.3 Modbus两种工作传输模式
10.1.4 Modbus消息内各域解析
10.2 过程现场总线Prohbus
10.2.1 Pronbus协议概述
10.2.2 Profibus协议结构及工作传输模式
10.2.3 Profibus协议的应用
10.3 CAN总线
10.3.1 CAN总线协议概述
10.3.2 典型的CAN总线协议系统
第11章 存储技术
11.1 随机存取存储器(RAM)
11.1.1 基础知识
11.1.2 静态随机存取存储器(SRAM)
11.1.3 动态随机存取存储器(DRAM)
11.2 只读存储器(ROM)
11.2.1 ROM的分类
11.2.2 多次改写编程的ROM
11.3 I2C存储器
11.3.1 CAT24WC01/02/04/08/16(1K/2K/4K/8K/16K位串行E2PROM)
11.3.2 CAT24WC32/64(32K/64K位串行E2PROM)
第12章 无线技术
12.1 315MHz~2.4GHz无线收发器
12.1.1 315MHz~2.4GHz无线收发器简介
12.1.2 315MHz~2.4GHz无线收发器典型应用
12.2 IrDA红外数据传输
12.2.1 IrDA红外数据传输基础知识
12.2.2 常用IrDA红外传输IC简介
12.3 FM调谐器
第13章 可编程逻辑器件
13.1 CPLD
13.2 FPGA
13.2.1 FPGA概述
13.2.2 FPGA工作原理
13.2.3 FPGA配置模式
13.2.4 常用FPGA系列产品
13.2.5 FPGA的应用
13.3 FPGA与CPLD的辨别和分类
第14章 常用英文缩写略语
参考文献
前言/序言
当今世界,经济全球化与信息化相互促进,我国正在实施信息化发展道路,以信息化带动工业化,以工业化促进信息化,提高经济社会信息化水平。电子信息产业是高新技术的代表性产业,其技术依赖性和人才依赖性强,是知识和技术密集型产业,电子产业迅猛发展,在国民经济中的地位日益提升。随着信息产业发展壮大和传统产业的信息化改造带来的产业结构的变化,必将带来就业结构的转变,大量深谙电路设计、电子制作、维修技术的人才将会成为“香饽饽”。
大量新技术、新器件和新工艺的应用使电子产品的性能进一步提高,功能日趋完善。设计与制作中采用的技术手段也将更加复杂,所采用的元器件也将更加先进,这给电路设计、电子制作、维修技术人员提出了新的挑战。
为了帮助广大电路开发、电路设计、电子制作、电子产品维修技术人员,以及有志成为电子工程师的初学者、大中专在校学生了解产品设计制作中常用的元器件、电路,快速掌握和提高设计与制作技能,我们组织编写了《电子工程师常用手册》一书。
《电子工程师实用指南》 前言 在日新月异的电子技术领域,工程师们每天都面临着层出不穷的挑战与机遇。从基础理论的学习到复杂系统的设计,从元器件的选择到电路的调试,每一个环节都需要扎实的专业知识和丰富的实践经验。为了帮助广大电子工程师,尤其是初入职场或希望拓展技术视野的同仁们,更高效、更准确地掌握工程实践中的关键技能,我们组织编写了这本《电子工程师实用指南》。 本书并非对某一特定技术领域进行深入的理论探讨,也非罗列枯燥的公式和定理。相反,它以“实用”为核心,旨在为电子工程师在日常工作中遇到的实际问题提供解决方案、提供可靠的参考依据,并帮助他们建立起系统性的工程思维。我们深知,理论与实践之间存在着一条沟壑,而本书正是希望成为连接这条沟壑的桥梁,将抽象的概念转化为可执行的操作,将纸面的设计转化为可运行的产品。 本书的内容涵盖了电子工程设计、开发、测试和维护的各个关键环节。我们力求内容翔实、条理清晰,并辅以丰富的图表和实例,以便读者能够更直观地理解和掌握。本书的编写团队由一批在电子工程领域拥有多年丰富经验的资深工程师组成,他们将自己的实践心得、遇到的问题及其解决方案倾囊相授,希望能为年轻一代的工程师们提供宝贵的借鉴。 在编写过程中,我们始终坚持以问题为导向,以实用为目的。我们关注工程师在实际工作中经常会遇到的难点和痛点,并试图提供切实可行的应对方法。我们深信,一本真正有价值的实用指南,不应只是知识的搬运工,更应该是经验的传递者,是解决问题的助力者。 我们希望《电子工程师实用指南》能够成为您案头的常备工具书,在您攻克技术难题、提升工程能力的过程中,发挥积极的作用。愿本书能陪伴您在电子工程的广阔天地中,不断探索,勇攀高峰。 第一章 基础元器件的选型与应用 电子工程师的工作始于对基础元器件的深刻理解。本章将详细阐述各类常用电子元器件的特性、选型原则、以及在实际电路中的典型应用。 1.1 电阻器 分类与特性:介绍碳膜电阻、金属膜电阻、氧化膜电阻、绕线电阻等不同类型电阻的阻值精度、功率耗散、温度系数、噪声等特性。 选型原则:根据电路的功率需求、精度要求、工作环境(如温度、湿度、高频特性)来选择合适的电阻器。讨论了固定电阻与可调电阻(电位器、微调电阻)的应用场景。 典型应用:限流电阻、分压电阻、偏置电阻、匹配电阻、上拉/下拉电阻等。讲解如何在设计中计算电阻的阻值和功率。 1.2 电容器 分类与特性:详细介绍陶瓷电容器(C0G, X7R, Y5V等)、电解电容器(铝电解、钽电解)、薄膜电容器(聚酯、聚丙烯)、超级电容器等。关注其容值、耐压、ESR(等效串联电阻)、漏电流、频率响应、温度特性等参数。 选型原则:根据滤波、耦合、退耦、储能、振荡等电路功能,选择合适的电容器类型、容值、耐压和ESR。强调电解电容的极性以及在高频应用中的限制。 典型应用:电源滤波、信号耦合与隔直、高频退耦、储能元件、振荡电路、定时电路等。讨论了电容器的串联与并联使用。 1.3 电感器 分类与特性:介绍空心电感、磁芯电感(铁氧体、铁硅铝等)、绕线电感、贴片电感等。关注其电感量、允许电流、自谐频率、Q值(品质因数)、直流电阻等参数。 选型原则:根据滤波、储能、阻抗匹配、谐振等功能,选择合适的电感类型、电感量和额定电流。分析磁芯材料对电感性能的影响。 典型应用:LC滤波、EMI抑制、储能(DC-DC变换器)、射频扼流圈、振荡电路等。讨论了电感的串联与并联使用。 1.4 二极管 分类与特性:重点介绍整流二极管、稳压二极管(齐纳管)、肖特基二极管、变容二极管、发光二极管(LED)、光敏二极管等。分析其正向压降、反向击穿电压、最大正向电流、反向漏电流、开关速度等参数。 选型原则:根据整流、稳压、开关、发光、信号检测等应用需求,选择合适的二极管类型和参数。 典型应用:整流电路(半波、全波)、稳压电路、钳位电路、保护电路、信号检波、LED照明与指示等。 1.5 三极管(BJT)与场效应管(FET) BJT:介绍NPN和PNP型三极管的结构、工作原理、主要参数(如Ic、Vce、hFE、Vbe(sat))。讨论放大、开关两种工作模式。 FET:介绍JFET(结型场效应管)和MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管),包括N沟道和P沟道。分析其参数(如Idss、Vp、Vgs(th)、Rdson、Ciss、Coss、Crss)。 选型原则:根据电路的电流驱动能力、电压承受能力、开关速度、功耗、输入阻抗要求,选择合适的BJT或FET。 典型应用:放大电路、开关电路、驱动电路、电平转换电路、电压跟随器等。 1.6 集成电路(IC)基础 介绍:简单介绍通用模拟IC(如运算放大器、比较器、定时器)和通用数字IC(如逻辑门、触发器、计数器)的基本功能和应用。 选型要点:关注供电电压范围、工作温度范围、封装形式、封装尺寸、引脚功能、性能指标(如带宽、速度、功耗)。 第二章 电源设计与管理 稳定可靠的电源是电子系统的“心脏”。本章将深入探讨电源设计的关键技术与策略。 2.1 线性电源 原理与构成:介绍变压器、整流、滤波、稳压(如三端稳压器)等基本单元。 优缺点分析:低噪声、简单易用,但效率较低,发热量大。 设计要点:散热设计、纹波抑制、输入输出电压范围选择。 2.2 开关电源(SMPS) 原理与拓扑:介绍Buck(降压)、Boost(升压)、Buck-Boost(升降压)、Flyback(返驰)、Forward(推挽)等典型拓扑结构。 关键参数:开关频率、占空比、效率、纹波、瞬态响应、 EMI。 设计流程:根据输入输出电压、电流需求,选择合适的拓扑;计算主功率元件(开关管、变压器、电感、电容)的参数;选择控制芯片;设计PCB布局。 EMI/EMC考虑:开关电源产生的电磁干扰是设计中的重要挑战,介绍抑制EMI的常用方法。 2.3 电池供电系统 电池类型:介绍镍镉、镍氢、锂离子(Li-ion)、锂聚合物(Li-poly)等常用电池的特性(能量密度、电压、内阻、循环寿命、安全性)。 充放电管理:介绍充电控制电路(恒流/恒压)、保护电路(过充、过放、过流、短路保护)、电量计量(电量计IC)。 电源效率优化:在电池供电系统中,低功耗设计至关重要,介绍低功耗模式、高效DC-DC变换器等。 2.4 电源噪声抑制与EMI/EMC 噪声来源:分析电源线引入的外部噪声和电源自身产生的噪声。 滤波技术:介绍RC滤波、LC滤波、EMI滤波器等。 EMC设计:PCB布局、接地设计、屏蔽、滤波等在EMC设计中的作用。 第三章 信号处理与模拟电路基础 信号的产生、处理与分析是电子工程的核心内容之一。本章将介绍常用的模拟信号处理技术与电路。 3.1 放大器 基本概念:增益、带宽、输入阻抗、输出阻抗、线性度、失真。 典型放大电路:共射、共集、共基放大器(BJT);共源、共漏、共栅放大器(FET)。 运算放大器(Op-Amp):详细介绍运放的基本原理、理想运放模型、虚短/虚断概念。 Op-Amp应用电路:同相比例放大、反相比例放大、加法器、减法器、积分器、微分器、比较器、有源滤波器(低通、高通、带通、带阻)。 选型要点:根据应用需求选择合适的运放,关注其开环增益、带宽、压摆率、输入偏置电流、失调电压、噪声等参数。 3.2 滤波器 作用与分类:介绍滤波器的基本作用(抑制不需要的频率成分),以及按频率特性分的低通、高通、带通、带阻滤波器。 滤波器类型:无源滤波器、有源滤波器(利用运放实现)。 滤波器设计:介绍巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)、贝塞尔(Bessel)等滤波器类型及其特性。讨论滤波器阶数与性能的关系。 3.3 振荡器 振荡原理:正反馈、增益、相位。 典型振荡电路:LC振荡器(哈特莱、科尔皮茨)、RC振荡器(移相、文氏电桥)、晶体振荡器。 选型要点:频率稳定性、输出波形、幅度。 3.4 信号调理与衰减 衰减器:固定衰减器、可变衰减器。 信号整形:斜坡发生器、锯齿波发生器。 电平转换:逻辑电平转换、模拟信号范围转换。 第四章 数字电路与微控制器应用 数字电路是现代电子系统的基础,微控制器则将强大的处理能力集成到小巧的封装中。 4.1 数字逻辑基础 逻辑门:AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR。 布尔代数与逻辑化简:卡诺图、代数化简法。 组合逻辑电路:编码器、译码器、多路选择器、加法器、减法器。 时序逻辑电路:触发器(SR, D, JK, T)、寄存器、计数器。 4.2 微控制器(MCU) 基本结构:CPU、存储器(RAM, ROM/Flash)、I/O端口、定时器/计数器、中断控制器、通信接口(UART, SPI, I2C)。 指令集与编程:介绍汇编语言和高级语言(C/C++)在MCU开发中的应用。 常用MCU系列:简单介绍ARM Cortex-M系列、AVR、PIC等主流MCU家族的特点。 开发环境与工具:IDE(集成开发环境)、编译器、调试器、仿真器。 嵌入式系统设计:驱动程序编写、硬件抽象层(HAL)、实时操作系统(RTOS)简介。 4.3 常用通信接口 UART/USART:异步串行通信,用于设备间的点对点通信,如与PC通信。 SPI:同步串行外设接口,全双工通信,速度快,用于MCU与传感器、存储器等连接。 I2C:多主多从通信协议,速度适中,用于连接多个外设,如EEPROM、RTC、I/O扩展器。 USB:通用串行总线,用于连接各种外部设备。 CAN:控制器局域网络,常用于汽车电子和工业自动化。 4.4 模数转换(ADC)与数模转换(DAC) ADC:将模拟信号转换为数字信号,介绍不同类型的ADC(逐次逼近型、Σ-Δ型、SAR型)及其参数(分辨率、采样率、精度)。 DAC:将数字信号转换为模拟信号,介绍不同类型的DAC(R-2R、电压输出、电流输出)及其参数。 应用:数据采集、信号重构、音频/视频处理。 第五章 PCB设计与布线 PCB(Printed Circuit Board)是电子元器件的载体和电气连接的实现者。精良的PCB设计直接关系到电路的性能和稳定性。 5.1 PCB设计流程 原理图设计:元器件库、电气连接、网络标号。 PCB布局:元器件的摆放原则,考虑信号流向、散热、EMC、机械结构。 PCB布线:导线宽度、间距、过孔、电源/地线规划、差分信号布线、高频信号布线。 5.2 PCB设计中的关键考虑因素 信号完整性(SI):反射、串扰、损耗、阻抗匹配。 电源完整性(PI):电源噪声、去耦电容的放置。 电磁兼容性(EMC):地线规划、屏蔽、滤波、信号布线。 散热设计:散热片、铜箔散热、风扇。 元器件封装与尺寸:确保PCB尺寸与外壳匹配。 5.3 PCB的生产与测试 Gerber文件生成:PCB设计输出的标准格式。 PCB板材选择:FR-4、高频板材。 制板工艺:单面板、双面板、多层板、HDI板。 AOI(自动光学检测)、ICT(在线测试):PCB生产中的质量控制。 第六章 调试与故障排除 电子产品的成功交付离不开有效的调试与细致的故障排除。 6.1 调试方法与工具 万用表:电压、电流、电阻、导通性测量。 示波器:信号波形观察、时序分析、幅度测量。 逻辑分析仪:数字信号时序和状态分析。 信号发生器:产生各种测试信号。 频谱分析仪:分析信号的频率成分。 6.2 常见故障分析 电源故障:无输出、输出电压异常、噪声大。 信号异常:信号丢失、失真、幅度不对、相位错误。 数字逻辑错误:时序问题、数据错误。 元器件损坏:过压、过流、静电损伤。 6.3 调试策略与技巧 分而治之:将复杂系统分解为模块进行测试。 从简单到复杂:先验证基本功能,再进行高级功能测试。 对比法:与已知良好的系统进行对比。 排除法:逐步排除可能的故障原因。 文档记录:详细记录调试过程和发现的问题。 结语 电子工程是一个充满挑战与乐趣的领域。本书旨在为广大电子工程师提供一个实用、全面的参考平台。希望通过本书的学习,读者能够更自信地应对工程实践中的各种问题,不断提升自己的技术能力和职业素养。技术的发展永无止境,希望各位工程师保持终身学习的态度,与时俱进,为电子技术的进步贡献自己的力量。