电子工程师需要掌握的若干知识.docx
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电子工程师需要掌握的若干知识
电子工程师需要掌握的若干知识
很多电子工程师在某个方面精深钻研,成为某一个特殊领域的专家,从一开始的养家糊口、慢慢小有收益、最后宝马豪宅,也是有的;这些电子工程师可能没有全面掌握这些知识,因为这些行业用不上,例如,液晶显示器,很多行业就不需要;但是,对于一个初学者,我认为,这个提纲是切合实际的,对于面向控制而言,已经基本够用了;对于初学者,全面地掌握这些知识是很有必要的,因为你不知道今后需要使用什么哪些知识,而这些知识,80%以上你会在今后的工作中使用上,因为这是都是最基本的。
熟练掌握这些知识和应用,根据不同的地区、行业和老板,月薪应该可以在3000元~5000元之间,甚至更高。
其实,可能有些你用不上,但是知道了也没有坏处;所谓书到用时方很少,又有谓艺不压身。
知识=月薪=年薪=金钱=香车宝马=……..,呵呵。
为什么要掌握这些知识?
实际上,电子工程师就是将一堆器件搭在一起,注入思想(程序),完成原来的这些器件分离时无法完成的功能,做成一个成品。
所需要的技能越高、功能越复杂、成本越低、市场上对相应的东东的需求越大,就越成功。
这就是电子工程师的自身的价值。
从成本到产品售出,之间的差价就是企业的追求。
作为企业的老板,是在市场上去寻找这样的应用;对电子工程师而言,是将老板提出的需求或者应用按照一定的构思原则(成本最低、可靠性最高、电路板最小、功能最强大等)在最短的时间内完成。
最短的时间,跟电子工程师的熟练程度、工作效率和工作时间直接有关。
这就是电子工程师的价值。
将电子产品抽象成一个硬件的模型,大约有以下组成:
1)输入
2)处理核心
3)输出
输入基本上有以下的可能:
1)键盘
2)串行接口(RS232/485/canbus/以太网/USB)
3)开关量(TTL,电流环路,干接点)
4)模拟量(4~20ma、0~10ma、0~5V(平衡和非平衡信号))
输出基本上有以下组成:
1)串行接口(RS232/485/canbus/以太网/USB)
2)开关量(TTL、电流环路、干接点、功率驱动)
3)模拟量(4~20ma,0~10ma,0~5V(平衡和非平衡信号))
4)LED显示:
发光管、八字
5)液晶显示器
6)蜂鸣器
处理核心主要有:
1)8位单片机,主要就是51系列
2)32位arm单片机,主要有atmel和三星系列
51系列单片机现在看来,只能做一些简单的应用,说白了,这个芯片也就是做单一的一件事情,做多了,不如使用arm来做;还可以在arm上加一个操作系统,程序既可靠又容易编写。
最近三星的arm受到追捧,价格便宜,以太网和USB的接口也有,周立功的开发系统也便宜,作为学习ARM的产品来说,应该是最好的;作为工业级的控制,是不是合适,在网友中有不同的看法和争议。
本公司使用atmelARM91系列开发的1个室外使用的产品,在北京室外使用,没有任何的通风和加热的措施,从去年的5月份到现在,运行情况良好。
已经有个成功应用的案例。
但对于初学者来说,应该从51着手,一方面,51还是入门级的芯片,作为初学者练手还是比较好的,可以将以上的概念走一遍;很多特殊的单片机也是在51的核的基础上增加了一些I/O和A/D、D/A;也为今后学习更高一级的单片机和ARM打下基础。
再说了,哪个老板会将ARM级别的开发放在连51也没有学过的新手手中?
在51上面去做复杂的并行扩展是没有必要的,比如,扩展I/O口和A/D、D/A等等,可以直接买带有A/D、D/A的单片机;或者直接使用ARM,它的I/O口线口多。
可以使用I2C接口的芯片,扩展I/O口和A/D、D/A,以及SPI接口扩展LED显示,例如:
MAX7219等芯片。
市面上一些比较古老的书籍中还有一些并行扩展的例子,如:
RAM、EPROM、A/D、D/A等,我觉得已经没有必要去看了,知道历史上有这些一回事就行了;
这些知识,是所有产品都具备的要素。
所以要学,再具体应用。
说一个小的故事:
野人献曝。
从前,有一个农民,冬天干了活后,休息晒太阳。
好舒服呀。
他想,这么舒服的享受,我要献给国王,让他也能得到享受。
于是他兴冲冲地到了王宫,将他的宝贵经验献给了国王。
我现在就象这个农民,把自己认为很宝贵的经验献给大家。
希望大家多提宝贵意见;拍板砖也可以,骂我也无所谓,呵呵,随便。
第一课:
51单片机最小系统
实际上,51单片机核心外围电路是很简单的,一个单片机+一个看门狗+一个晶振+2个磁片电容;
1.单片机:
atmel的89C51系列、winbond的78E52系列,还有philips的系列,都差不多;现在有一些有ISP(在线下载的),就更好用了;
2.看门狗:
种类很多,我常用的有max691/ca1161和DS1832等,具体看个人习惯、芯片工作电压、封装等。
Max系列和DS系列,还有IMP公司的,种类很多,一般只需要有最基本的功能就可以了;原来我使用max691,但是max691比较贵,因为它有电池切换功能,后来新设计电路板,就都采用ca1161了。
很早以前的电路设计中,现在可能还有人使用,使用一个电阻和一个电容达成的上电复位电路;但是,这样的复位电路一个是不可靠,为什么不可靠,网络上能找得到专门论述复位电路的文章;更重要的是,51系列的单片机比较容易受到干扰;没有看门狗电路是不行的,当程序跑飞时,回不来了,死在那里。
常规的做法是买一个专门的看门狗电路,完成复位电路和看门狗电路的功能。
这些芯片的资料很容易在网络上找到,通常使用XX搜索就可以了;看见有PDF的字样,就点击下载;使用网际快车flashget下载也是最好的;
这些资料通常是pdf格式的文件,所以,还需要一个pdf的阅读器。
XX网址:
网际快车下载网址:
PDF阅读器下载网址:
实际上,有了XX和其它的搜索引擎,很方便下载到这些芯片的资料,比光盘还方便,不需要去到处找。
单片机和单片机抗干扰能力是不一样的。
如果你的产品是工作在干扰比较大的环境,可以试试选用不同品牌的单片机;原来我在一个光电所,做YAG激光治疗机的控制部分,脉冲激光机的电源放电的时候,能量是很大的,在采取了所有能够想到的光电隔离等措施之后,还是不行;后来,选用了intel的8031,就可以了。
小声的说:
当时的philips的单片机抗干扰性能是最差的,可能跟Philips主要是用在民用领域有关。
现在不知道怎么样了,有人知道的话告诉我。
单片机的输入输出口线是最容易引进干扰的地方;在严重干扰的情况下,需要将所有的口线光电隔离。
3.晶振:
一般选用11.0592M,因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率;也可以使用36.864M,这个频率是1.8432M的20倍,看别人的电路板上用过,我也没有用到。
这2种晶振很容易买到,价钱跟12M的一样。
书上说,12M的晶振也能得到9600的波特率,但是,实际用的时候,会每隔一段时间就出错一次,好像累积误差一样,比较奇怪。
即使你的单片机系统不使用RS232接口,也可以做一个Rs232,留着做测试,或者预留等等,没有坏处。
除非你的单片机系统的口线不够用了。
4.磁片电容:
22pf~30pf,可以在有些书上找到什么晶振频率对应什么容量的磁片电容,但是,我都是随便拿来使用,反正在11.0592M下,都没有问题;如果你用到了更高的频率,最好还是找找资料看看。
参见以下电路图:
如果你的单片机系统没有工作,检查步骤如下:
1.查看门狗的复位输出,可能的话在电路板上加一个LED,下拉,这样看起来就更方便;要是看门狗复位信号有,往下;
2.查单片机,看看管脚有没有问题;一般编程器能够将程序写入,说明单片机是好的;最好手头上准备一个验证过的单片机,内部有一个简单的程序,比如,在某个口线上输出1个1秒占空比的方波等,可以使用万用表测量。
加一句:
设计产品时,要在关键的地方:
电源、串口、看门狗的输出和输入、I/O口等加不同颜色的LED指示,便于调试;作为批量大的产品,可以去掉部分LED,一方面是降低成本、一方面是流程保密;
3.再查磁片电容,有些瓷片电容质量不行,干脆换了;顺便说一下,换器件最好使用吸锡带,将焊盘内的锡吸干净,再将器件拔出,这样不会损伤焊盘内的过孔;再将新的瓷片电容焊接上去的时候,用万用表量量是好的再焊;
4.最后只有换晶振了;切记要买好的晶振,有些品牌质量比较好。
5.以上按照以上步骤检测时,将无关的外围芯片去掉;因为有一些是外围器件的故障导致单片机最小系统没有工作。
我准备写的有以下几课:
第二课基本的芯片和分立器件
2.1简述
2.274系列
2.3CD4000系列
2.4光耦与光电管
2.5三极管
2.6电容电阻
2.7固态继电器
2.8继电器
2.9变压器和三端稳压器
2.10开关电源芯片
2.11封装知识、芯片批号等
2.12接插件
2.13器件选购的知识
第三课数字量的输入输出
第四课单片机的通讯接口
第五课单片机系统设计的硬件构思
第六课单片机程序的框架(汇编版本)
第七课模拟量的输入输出
……
各位多提宝贵意见。
保证实用。
如果程序里面有一些例程,也是已经经过测试可以拿来就用的;实际上是我早年的一些产品的程序的一部分;不好意思,都是汇编的。
写的时间只有周末会多一些,可以保证做到一周一课;尽量能够提前,但是这要看看工作忙不忙了。
坊间有一些参考书,准备今天上午到北京中发市场转了一圈,我记得以下参考书目较好:
1.周航慈:
《单片机程序设计》
2.徐涵芳:
《MCS-51单片机结构与设计》
3.何立民:
《……》
有了这些就基本够用了;其它的很多都是资料的翻译;如果英文不好,可以看看;英文好的话,可以不必了,省电钱买开发系统和编程器、开发板什么的,需要什么资料直接下载PDF文件好了。
要想成为电子工程师,需要宽带,在家里安装包月的adsl或者长宽,绝对值得。
实际上,网络上什么都有了,就是一个网络数据库,要好好利用。
网上自有黄金屋,网上自有颜如玉……
第二课基本的芯片和分立器件
2.1简述
有必要对以下系列的芯片和分立器件进行介绍。
除了单片机作为控制器的核心外,作为一个产品,由很多东西构成;所以,在讲系统之前,先将这些零零碎碎的东西一并交待。
就好像一栋房子,有各种各样的构件组成,下面的这些东东就像砖瓦一样,没有不行。
2.274系列芯片
74系列的芯片的下载地址:
.tw/asp/class36_40.htm
74系列的芯片是古老的一族,大部分的芯片现在均已不用了,但是,实际上,在目前的系统中,还能看到一些芯片,有些芯片现在还在系统中使用,例如:
1、7404–6个反相门
下载地址:
将输入的TTL逻辑反相,如:
0->1,1->0
2、7407–6个集电极开路门
下载地址:
由于集电极开路门可以外接高电压,可以最高到DC30V,电流最大到39mA,通常我用它驱动8字数码管和继电器等大电流的负载;开路门内部结构是达林顿管的,输出的逻辑是正的;
与其类似的芯片是7406,只不过是反相开路门。
3、74LS573与74LS373–8数据锁存器
74LS373下载地址:
74LS573下载地址:
引入几个概念:
1.真值表
参见74LS373的PDF的第2页:
DnLEOEOn
HHLH
LHLL
XLLQo
XXHZ
这个就是真值表,表示这个芯片在输入和其它的情况下的输出情况。
每个芯片的数据手册(datasheet)中都有真值表。
布尔逻辑比较简单,在此不赘述;
2.高阻态
就是输出既不是高电平,也不是低电平,而是高阻抗的状态;在这种状态下,可以多个芯片并联输出;但是,这些芯片中只能有一个处于非高阻态状态,否则会将芯片烧毁;
高阻态的概念在RS232和RS422通讯中还可以用到。
3.数据锁存
当输入的数据消失时,在芯片的输出端,数据仍然保持;
这个概念在并行数据扩展中经常使用到。
4.数据缓冲
加强驱动能力。
74LS244/74LS245/74LS373/74LS573都具备数据缓冲的能力。
OE:
output_enable,输出使能;
LE:
latch_enable,数据锁存使能,latch是锁存的意思;
Dn:
第n路输入数据;
On:
第n路输出数据;
再看这个真值表,意思如下:
第四行:
当OE=1是,无论Dn、LE为何,输出端为高阻态;
第三行:
当OE=0、LE=0时,输出端保持不变;
第二行第一行:
当OE=0、LE=1时,输出端数据等于输入端数据;
结合下面的波形图,在实际应用的时候是这样做的:
a.OE=0;
b.先将数据从单片机的口线上输出到Dn;
c.再将LE从0->1->0
d.这时,你所需要输出的数据就锁存在On上了,输入的数据在变化也影响不到输出的数据了;实际上,单片机现在在忙着干别的事情,串行通信、扫描键盘……单片机的资源有限啊。
在单片机按照RAM方式进行并行数据的扩展时,使用movx@dptr,A这条指令时,这些时序是由单片机来实现的。
后面的表格中还有需要时间的参数,你不需要去管它,因为这些参数都是几十ns级别的,对于单片机在12M下的每个指令周期最小是1us的情况下,完全可以实现;如果是你自己来实现这个逻辑,类似的指令如下:
movP0,A将数据输出到并行数据端口
clrLE
setbLE
clrLE上面三条指令完成LE的波形从0->1->0的变化
74ls573跟74LS373逻辑上完全一样,只不过是管脚定义不一样,数据输入和输出端各在一侧,PCB容易走线;所以大家都喜欢使用这个芯片。
4、74LS244–数据缓冲器
下载地址:
数据输出能力比较强,输出电流可以到40mA以上;
4个缓冲器分成2组,具有高阻态控制端口
5、74LS245–总线缓冲器
双向数据接口,通常在ISA板卡上可以看到;
早期的51系统中,为了扩展RAM、eprom、A/D、D/A、I/O等经常可以看到这个片子;
为了增强驱动能力,有时是为了隔离输入和输出,主要是布线方便,象74LS573一样,输入、输出在一侧,经常用到这个片子
6、74LS138–三-八译码器
在早期的51系统的扩展中,作为地址选通的片子,可以经常看到。
另外一个类似的芯片是74LS154,是4-16译码器,现在更是少见了。
有兴趣的可以研究一下何立民的经典著作中的有关章节。
知道有这么一个芯片就可以了。
2.3CD4000系列
CD4000系列的芯片,除了跟74系列的电气特性有所区别外,例如:
1)电压范围宽,应该可以工作在3V~15V,输入阻抗高,驱动能力差外,跟74系列的功能基本没有区别;
2)输入时,1/2工作电压以下为0,1/2工作电压以上为1;
3)输出时,1=工作电压;0=0V
4)驱动能力奇差,在设计时最多只能带1个TTL负载;
5)如果加上拉电阻的话,至少要100K电阻;
6)唯一现在使用的可能就是计数器,CD4060的计数器可以到14级二进制串行计数/分频器,这个74系列的做不到这么高;
下载地址:
.tw/asp/class36_40.htm
.tw/pdf_file/CD4060.PDF
2.4ULN2003/ULN2008
它的内部结构也是达林顿的,专门用来驱动继电器的芯片,甚至在芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。
ULN2003的输出端允许通过IC电流200mA,饱和压降VCE约1V左右,耐压BVCEO约为36V。
用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。
采用集电极开路输出,输出电流大,故可以直接驱动继电器或固体继电器(SSR)等外接控制器件,也可直接驱动低压灯泡。
经常在工控的板卡中见到这个芯片。
有个完全一样的型号:
MC1413,不过现在好像不怎么见到这个型号了,但是管脚与2003完全兼容。
ULN2003可以驱动7个继电器;ULN2008驱动8个继电器。
ULN2003下载地址:
ULN2008下载地址:
没有找到。
奇怪啊。
2.5光耦
光耦是做什么用的?
光耦是用来隔离输入输出的,主要是隔离输入的信号。
在各种应用中,往往有一些远距离的开关量信号需要传送到控制器,如果直接将这些信号接到单片机的I/O上,有以下的问题:
1)信号不匹配,输入的信号可能是交流信号、高压信号、按键等干接点信号;
2)比较长的连接线路容易引进干扰、雷击、感应电等,不经过隔离不可靠
所以,需要光耦进行隔离,接入单片机系统。
常见的光耦有:
1)TLP521-1/TLP521-2/TLP521-4,分别是1个光耦、2个光耦和4个光耦,HP公司和日本的东芝公司生产。
下载地址:
.tw/pdf_file/TLP521-1-2,4.PDF
发光管的工作电流要在10mA时,具有较高的转换速率;
在5V工作时,上拉电阻不小于5K,一般是10K;太小容易损坏光耦;
2)4N25/4N35,motorola公司生产
下载地址:
.tw/pdf_file/4N25-8,35-7,H11A1-5.PDF
隔离电压高达5000V;
3)6N136,HP公司生产
下载地址:
.tw/pdf_file/6N135-6.PDF
要想打开6N136,需要比较大的电流,大概在15~20mA左右,才能发挥高速传输数据的作用。
如果对速率要求不高,其实TLP521-1也可以用,实际传输速率可以到19200波特率。
选择光耦看使用场合,tlp521-1是最常用的,也便宜,大概0.7~1元;
要求隔离电压高的,选用4N25/4N35,大概在3元左右;
要求在通讯中高速传输数据的,选用6N136,大概在4元左右。
光耦应用的原理框图如下所示:
1.输入干接点隔离
2.输入TTL电平隔离
3.输入交流信号隔离
4.输出RS232信号隔离
5.输出RS422信号隔离
光耦除了隔离数字量外,还可以用来隔离模拟量。
将在今后的章节中描述。
2.6三极管
2.7光电管
2.8电容
2.9电阻
2.10固态继电器
2.11继电器
2.12变压器与整流桥
2.13三端稳压器
2.14开关电源芯片
2.15封装知识、芯片批号等
2.16接插件
2.17器件选购的知识
2.6三极管
2.6.1三极管的4种工作状态
1)饱和导通状态
饱和导通=0
2)截止状态
饱和导通=1
3)线性放大状态
作为低频放大器时使用,具体的可参见有关电子线路的书籍;
4)非线性工作状态
在无线电通信系统中,作为混频器等使用。
具体的可参见有关电子线路的书籍;
愚记得南京工学院也就是现在的东南大学在80年代初期有一套《电子线路》5本,是电子专业的书籍,比较难懂;现在,即使是在电子专业的学生中,也应该降低了对三极管的哪些复杂的参数的要求了吧;在实际使用时,即使是模拟电路、非线性电路,也都是集成电路了,谁还使用三极管自己做呢?
如果万一需要,现学也来得及。
这套书很强的。
编写人在那个年代肯定都是牛人。
学三极管这些参数很繁琐的,要是现在的非电子类的大学生或者大专生们还学这些玩意,我只能说是学校在误人子弟了。
好多学校都在扩招,很多学生念了4年下来,学了一堆过时的理论,跟实际的东西一点没有接轨,不知道7407是干什么用得,不知道三极管的几个状态;我只能无话可说。
所以,念了4年下来,跟企业的需求还有一段距离,还需要从头来过;聪明的学生赶紧抓住机会去学习,去实习,这样,还可以赶紧补上实际应用的这一课。
言归正传。
参见下图:
当单片机的口线输出电平为1时,三极管的be结导通,ce结导通,输出的电压值为0V;
当单片机的口线输出电平为0时,三极管的be结不导通,ce结截止,输出的电压值为5V;
在这种数字电路的应用中,相当于三极管是一个反相开路门。
计算是否导通,公式如下:
I=B(放大倍数,希腊字母的贝塔)×Ibe
当Ice
相差越大,饱和程度越深,Vce越小,三极管的输出内阻越小;
这个概念要用到光电管中。
设计使用时大概算算,心里有个数;在电路板上试试,行的通,那就是它了。
可以测量Vce值,至少要小于0.1V就可以了。
常用的PNP三极管是2N5551,驱动40mA的LED(电压在24V)、蜂鸣器等均没有问题。
2.6.2三极管的具体应用
实际上,已经有象7407、ULN2003可以取代三极管在数字电路中的作用;但是,有时是受到PCB面积的制约,有时是为了降低成本,有时是因为布局方便,在1~2个输出点时,还是可以使用三极管来做驱动的。
例如:
驱动一个蜂鸣器;往往系统中的蜂鸣器跟其它驱动设备,继电器等,距离较远;这时,没有必要使用一片7407,或者ULN2003来驱动;驱动的接口如下:
上午赶紧到中发去转了一圈,看了看单片机方面的书,让我失望。
这些书的大部分内容还都是将51的技术资料美捶胍幌拢由弦恍┎⑿薪涌诘男酒?
255/8155/8253/AD0809/DAC0832等等,就是一本单片机的书籍了。
还挺贵。
可怜的学生花了几十大元买来,学到的是