电路原理图设计要点范文

导语：如何才能写好一篇电路原理图设计要点，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：任务驱动教学法；PROTEL DXP 2004；编辑器；任务设计

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）33-7525-03

《电子线路CAD》以讲授Protel软件为主体，Protel DXP 2004有“集成库”，使用时较Protel99 se操作方便， Altium Desiger 占用内存大，对硬件要求较高，因此Protel DXP 2004被广泛应用。本课程是高职高专电子信息类必修课，其特点是综合性强、实践性强，内容多、比较琐碎。若按教材进行系统的讲授，教学过程显得杂乱松散，缺乏逻辑性[1]，学生会感到枯燥无味，达不到预期的好的教学效果。

为了取得好的教学效果，将教材内容化繁为易，要求学生主要重点熟练掌握“电路原理图设计、原理图电气符号设计、电路板设计、器件封装设计”四个编辑器的流程和知识要点。采用“任务驱动”、“教学做”一体化的教学方式，将课程的教学目标、内容、知识、技能和能力通过完成具体的任务融合到教学过程中，设置任务时坚持“全面性、适宜性、渐进性、实用性”等原则。

在实施教学过程中，每个编辑器安排3～5个任务，每个任务的侧重点不同，“边讲边练”，让学生在“做中学”、“学中做”，在反复练习中构建知识、获得技能。教师做示范引导，强调容易出错的地方，引起学生高度注意，避免走弯路，学生学着轻松，学习积极性提高了，技能也提高了，取得了好的教学效果。具体做法如下：

电路原理图设计是PCB设计的第一步，对原理图设计的基本要求是“准确无误”、 “美观大方” [2]。

1.1 电路原理图设计流程

电路原理图设计流程为：创建PCB项目文件——启动Protel DXP 2004原理图设计编辑器——环境设置——加载库文件放置元器件——布局、布线——编译、保存、生成报表和原理图输出。

1.2.1 绘制单级放大电路

电路中器件都在Miscellaneous Devices.IntLib和Miscellaneous Connectors.IntLib两个库中，不需加载。重点掌握元器件设置、环境设置、连接方法、网络标号放置方法、电气规则检查、各种报表生成方法等知识和技能。

1.2.2 含有多套号器件的三人表决器电路设计

多套号器件的放置方法是绘制原理图难点、重点，也是考点。重点掌握查找元器件、加载元器件库、多套号器件的放置方法等知识和技能。

1.2.3 含有总线形式的单片机最小系统设计

重点掌握绘制总线形式电路方法、复制粘贴阵列操作等知识和技能。

1.2.4 层次电路设计

重点掌握绘制“由下而上”、“由上而下”层次电路形式等知识和技能，把前面三个任务，都可设计成层次电路，以小见大。

1.3 容易出错的地方

一是导线绘制问题，误用直线（line）当导线（wire）用，导线导电，直线不导电；二是网络标号问题，误用字符串当网络标号，字符串不导电，网络标号要放在导线上才导电；三是元器件序号问题，一个项目中序号绝对唯一。

学习此内容，主要因为：科技发展出现了新器件，软件更新不及时；符号图形大，占内存多，软件没有收录；软件有电气符号，但为了提高电路的可读性，需要将有些器件引脚相对位置重新排列等。

2.1 元件电气符号创建方法

元件电气符号主要由图形和引脚组成，其创建方法主要有两种，即手工创建和利用原有的进行修改创建。

2.1.1 手工创建法知识要点

启动原理图库文件并同时启动元件电气符号编辑器；绘制图形；放置引脚、并设置其属性；重新命名并保存。

2.1.2 修改法创建知识要点

启动原理图库文件并同时启动元件电气符号编辑器；执行[文件] ＼[打开]＼[ 选中安装路径下库文件]＼[抽取源]；双击Miscellaneous Devices.Schlib，点击SCH library；执行 [编辑]＼[复制]；点击Projects ＼ Schlib.Schlib，执行[编辑] ＼[粘贴]；修改参数为用户所需。

2.2.1 手工创建法任务

有正负极性的MIC电气符号，软件中虽有MIC符号，但无正负极性之分，给初学电子技术者带来误导。掌握手工绘制图形、放置引脚、设置引脚属性创建电气符号等知识和技能。

555电气符号，若用软件自带555符号构成多谐振荡器等电路，可读性差。重点掌握有“非号”的引脚绘制方法等知识和技能。

2.2.2 修改法创建任务

含多套号器件设计绘制是难点，是重点，也是考点。要求重点掌握多套号器件的子部件设计绘制方法、电源、地引脚处理方法等知识和技能。

2.2.3 引脚开关符号，软件自带2引脚开关符号，无4引脚的开关符号，但市场上现在只卖4引脚的。

2.3 注意事项

1）放置引脚时，具有电气连接关系“X”的一端必须放在相对于元件图形的外侧。

2）元器件电气符号属性中默认值“XX？”容易忘记设置。

3）注意库文件与元器件电气符号关系、各自重新名命方法。

4）不忘给新设计的器件符号加载合适的封装，否则日后做PCB调用时会丢失此器件。

学习原因：市场上有新器件出现；原有器件有了新的封装；封装图形大，占内存多；业余条件下制作PCB板，有些分离元件焊盘大小、间距不合适，需重新设计其封装等。

3.1 元件封装创建方法

元件封装主要由图形和焊盘组成，创建方法有手工创建和利用向导创建两种。

3.1.1 手工创建法知识要点

启动元件封装库文件并同时启动元件封装编辑器；切换到顶层丝印层、绘制元件图形；放置焊盘、并设置其属性；设置元件封装参考点；重新命名并保存。

3.1.2 利用向导创建法

关键弄清楚每个提示的含义，根据向导提示，修改其参数即可。

3.2.1 利用手工创建元件封装任务

设计四引脚开关、圆形硅桥、中频变压器、继电器等封装，是原因软件中无封装而且这四个封装为学习第四个编辑器奠定基础。重点掌握手工绘制外形轮廓、放置焊盘、设置焊盘属性、设置参考点等知识和技能。

3.2.2 利用向导创建元件封装任务

要求重点掌握利用软件提供向导，创建有极性MIC封装、集成电路封装等知识和技能。

3.3 注意事项

1）封装外形轮廓与实物大小应一致，焊盘间距至少与实物引脚间距离相等。

2）器件引脚序号与封装焊盘序号应对应。

3）元件封装参考点应设置。

学习本软件最终目的是设计PCB图形，设计PCB一定要正确。

PCB设计编辑器流程为：创建PCB项目文件——绘制原理图——启动PCB编辑器——规划电路板——环境设置——加载网络表和元器件封装——布局、布线——DRC、保存、输出。

4.2.1 单级放大器单面PCB图形设计与制作

要求重点掌握单面PCB图形设计、布局、手工布线、覆铜、业余条件下热转印法制作PCB方法，更改分离元件焊盘间距，用“查找相似对象”方法，更改分离元件焊盘大小等知识和技能。

4.2.2 声光控开关和超外差收音机单面PCB图形设计与制作

巩固设计电气符号及封装方法，巩固单面PCB图形设计方法、单面PCB制作方法，掌握行业规范和标准。

4.2.3 单片机最小系统双面PCB图形设计

重点掌握双面PCB元器件的放置、自动布局和手工布局、自动布线和手工布线、覆铜方法，掌握行业规范和标准，巩固设计电气符号及其封装。

说明：任务2、任务3，采用分组讨论，教师提供市面上几个版本的PCB样品，讨论每个版本有什么不足，有什么地方可取，确定最佳PCB图形设计，从中培养学生团队意识和协作精神。

4.3 注意事项

1）过孔宜放在铜膜线端头，不要放在中间。

2）IC退耦电容尽可能紧靠芯片电源引脚。

3）时钟电路元件可能紧靠芯片的时钟引脚。

4）大面积覆铜时，不能形成环路。

5）双面布线，底层信号和顶层信号布线方向尽可能垂直。

6）绘制PCB边界用 [放置] ＼ [直线]，绘制铜膜线用[放置] ＼ [交互线] 。

5 结束语

将《电子线路CAD》分为四个编辑器进行教学，通过任务驱动法，让学生在学习过程发现、思考和解决问题，变被动学习为主动学习，使学生熟悉了PCB设计的工作流程，掌握了电路原理图绘制、PCB设计技能和技巧，实际工作能力提高了，为将来从业打下坚实基础，取得了好的教学效果。但是PCB的设计对电子产品质量影响较大，好的设计需要一个经验积累的过程，尤其是在布局、布线和电磁兼容性等几个方面的设计上[3]。

参考文献：

[1] 李珍，李莹.Protel DXP 2004的教学探讨[J].电脑知识与技术，2011（3） ：1841.

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约定：一个完整的电路图应由电源、控制电路和测量电路三部分组成，由于本文旨在阐述电阻测量方法的原理，所以大部分电路图只给出了测量电路部分。

1 使用多用电表直接测量

多用电表的使用是高考考试说明明确要求的一个分组实验，其中欧姆档的使用方法是考查的重点。这种方法对电阻的测量是粗略的。具体的使用方法见教材。

2 替代法

这是一种原理非常简单的测量方法，原理图如图1所示：

这种方法使用的关键器材是单刀双掷开关、电阻箱和一个电表。当单刀双掷开关分掷RX和R两个支路时，调节控制电路，使电表示数相同，即可从电阻箱读出RX的值。这种方法的测量误差会受到电阻箱的精度影响。

3 电桥法

这种方法是大学普通物理中介绍的方法，但用中学的知识已经完全可以理解了，原理图见图2：

这种电路称为电桥电路，灵敏电流计所在的支路叫“桥”。当R1∶RX=R2∶R3时，a、b两点的电势相等，此时灵敏电流计示数为0，这种状态叫电桥平衡。实验时，反复调节三个电阻箱，使电桥处于平衡状态，读出三个电阻箱的阻值即可算出RX的值。

4 伏安法

狭义的伏安法是指教材上利用伏特表和安培表测量RX的电压和电流，用R=U/I计算RX电阻的方法。广义的伏安法是指利用R=U/I，我们只要在实验中得到RX的电压（不一定是用一个伏特表测量）和电流（不一定是用一个安培表测量），便可计算出RX的值的方法。

4.1 狭义的伏安法：

这种方法是教材讲述的基本方法，原理图见图3，分为内接法和外接法两种。这种方法简单有效，但如果电表内阻未知，就一定有系统误差。为减小系统误差就需要在两种接法中进行选择，详见教材。

4.2 伏伏法：这种方法是指使用两个伏特表测量电阻，原理图如图4：

这种方法的实质就是将其中的一个伏特表当成电流表使用。设两个伏特表的示数分别为U1、U2，甲图必须知道V2表的内阻RV2，则RX可表示为

乙图必须知道两个伏特表的内阻RV1、RV2，则RX可表示为

使用乙图时应根据题目所给两表的参数决定两表的位置。

4.3 安安法：

这种方法是指使用两个安培表测量电阻，原理图如图5：

这种方法的实质就是将其中的一个安培表当成伏特表使用。设两个安培表的示数分别为I1、I2，甲图必须知道两表的内阻RA1、RA2，则RX可表示为

乙图只须知道A1表的内阻RA1，则RX可表示为

用安安法测量电阻，一般题目所给的A1表量程是不合适的，往往偏小，这时可给A1表串联一个已知的定值电阻（或电阻箱），将它改装成一个伏特表。如图6：

RX的表达式大家可尝试自己给出。

5 电表内阻的测量

由于电表本身可以读出一个电学参量（电流或电压），因此电表内阻的测量有其自身的特点。常见的方法有半偏法和伏安法两种。

5.1 半偏法：这是教材上电表改装分组实验中使用的一种方法，原理图如图7：

甲图用于测量G表的内阻（内阻小），操作方法是：闭合S1，调节R1，使G表满偏；保持R1不变，闭合S2，调节R2，使G表半偏，则R2的读数就作为G表的内阻。本实验的要点是R1、E尽量用大些，保证在S2闭合后，电路中总电流基本不变（故这种方法称为恒流半偏法）。但由于S2闭合后，电路总电阻减小，总电流实际上是变大了，所以测量结果是偏小的。

乙图用于测量V表的内阻（内阻大），操作方法是：闭合S1、S2，调节R1，使V表满偏；保持R1不变，断开S2，调节R2，使V表半偏，则R2的读数就作为V表的内阻。本实验的要点是R1尽量用小些，保证在S2断开后，电路中aP间的电压基本不变（故这种方法称为恒压半偏法）。但由于S2断开后，aP间总电阻增大，aP间的电压实际上是变大了，所以测量结果是偏大的。

5.2 伏安法：

（1）电压表内阻的测量：

由于电压表可以读出自身的电压，所以只须测出它的电流就可计算出内阻。原理图如图8：

直接将一个安培表与之串联（甲图），两表示数分别为U、I，则电压表内阻R《》V=U/I 。不过安培表的在这种情况下使用，其量程往往过大，通常给V表并联一个已知的小电阻分流来解决（乙图），此时RV=U/（I-IR），其中IR=U/R。

（2）电流表内阻的测量：

由于电流表可以读出自身的电流，所以只须测出它的电压就可计算出内阻。原理图如图9：

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【关键词】PCB设计 布局原则 布线原则 布局布线要点

布局是PCB 设计中很关键的环节，布局的好坏会直接影响到产品性能的好坏，设计的时间等；同样布线也是整个PCB设计中最重要的工序，这将直接影响着PCB板的性能好坏。

1 布局原则

（1）遵照“先固后移，先大后小，先难后易”的原则，即有固定位置，重要的单元电路，核心元器件应当优先布局。对安装孔，接插件等需要定位的器件，赋予其不可移动的属性，对其进行尺寸标注。

（2） 温度敏感元件应远离发热元件；高热器件应考虑放于出风口或利于对流的位置，较高的元件应放于出风口，且不阻挡风道；散热器的放置应考虑利于对流。

（3） 去耦元件应在电源输入端就近放置。RF 芯片对电源的噪声非常敏感，通常每个芯片都要用几个电容和隔离电感来确保滤除所有的电源澡声，要求其滤波器件就近摆放，保证电源进去前有良好的滤波，否则噪声将辐射到整块单板上。

（4）参考原理图，根据重要（关键）信号流向安排主要元器件的布局。

（5）布局应尽量满足以下要求：总的连线尽可能短，关键信号线最短，过孔尽可能少；高电压，大电流信号与低电压，小电流弱信号完全分开；模拟与数字信号分开；高频与低频信号分开；高频元件的间隔要充分。

（6）晶振必须放在离芯片最近的地方，但不要放在靠近板边的地方。

（7）电感或磁珠不能并行靠在一起，这样将形成一个空芯变压器，相互感应产生干扰信号。它们之间的距离至少要大于其中一个器件的高度，或采取直角排列以将其互感减到最小。

（8）分压电路、差分电路、相同结构的电路部分等尽量采用对称式布局，相同电源的电路器件尽量摆放在一起。

（9）在满足电器性能的前提下按照均匀分布，重心平衡，美观整齐的标准优化布局。

2 布线原则

（1）关键信号优先：射频，高速信号，时钟信号和同步信号等关键信号优先布线。

（2）密度优先原则：从单板上连接关系最复杂的器件着手布线，从单板上密度最密集的区域开始布线。

（3）地线（信号）回路规则：即环路最小原则，要求信号线及其回路构成的环面积要尽可能小。环面积越小，对外的辐射就越少，接收外界的干扰也越小。

（4）走线的开环检查规则：一般不允许出现一端浮空的布线，主要是为了避免产生“天线效应”，减少不必要的辐射干扰和接收，否则可能带来不可预测的结果。

（5）阻抗匹配检查规则：同一网络的布线宽度应保持一致，线宽的变化会导致线路特性阻抗的不均匀，从而在传输速度较高时产生信号反射，在设计中应尽量避免这种情况。

（6）电源层和地层的完整性规则：对于导通孔密集的区域，要注意避免导通孔在电源和地层的挖空区域相互隐形连接，形成对平面层的实际分割，从而破坏平面层的完整性，进而导致信号在地层的回路面积增大。

（7）不同层的电源层在空间上要避免互相重叠，主要是为了减少不同电源时间的干扰，特别是一些电压相差很大的电源之间，难以避免时要考虑中间隔地层。

3 布局布线要点

3.1 滤波电路PCB走线方式

（1）旁路瓷片电容器的电容不能太大，而它的寄生串联电感应尽量小，多个电容器并联能改善电容的高频阻抗特性。

在一个PCB上输入电源（Vin）至负载（RL）的不同走线方式。为了降低滤波电容器（C）的ESL，其引线长度应尽量减短；而Vin正极至RL和Vin负极至RL的走线应尽量靠近，如图1。

（2）电感的寄生并联电容应尽量小，电感引脚焊盘之间的距离越远越好。

在一个PCB上Vin通过L至负载（RL）的不同走线方式。为了降低电感的CP，电感的二个引脚应尽量远离。而Vin正极至RL和Vin负极至RL的走线应尽量靠近，如图2。

3.2 高频环路的面积应尽可能减小

为了减小高频环路产生的电磁波噪音，该环路的面积应该控制得非常小。高频电流环路面积过大，就会在环路的内部和外部产生很强的电磁干扰。同样的高频电流，当环路面积设计得非常小时，环路内部和外部电磁场互相抵消，整个电路会变得非常安静，如图3所示。

3.3 过孔放置不应破坏高频电流在地层上的流经

如图4所示，在多层PCB上放置过孔时，必须避免在高频电流返回路径上放置过多过孔。否则，地层上高频电流走线会遭到破坏。如果必须在高频电流路径上放置一些过孔的话，过孔之间可以留出一些空间让高频电流顺利通过。

3.4 不同焊盘的形状会产生不同的串联电感

图5显示了几种焊盘形状的串联电感值。

3.5 旁路电容的放置

旁路电容的放置也要考虑到它的串联电感值。旁路电容必须是低阻抗和低ESL的瓷片电容。但如果一个高品质瓷片电容在PCB上放置的方式不对，它的高频滤波功能也就消失了。图6显示了旁路电容正确和错误的放置方式。

3.5 电源直流输出

许多开关电源的负载远离电源的输出端口。为了避免输出走线受电源自身或周边电子器件所产生的电磁干扰，输出电源走线必须靠得很近，使输出电流环路的面积尽可能减小，如图7。

4 结论

综上所述，由于我国电子设备行业的不断发展，我们面临日益激烈的市场竞争，在激烈的竞争中，我们就需要提高产品的品质，走精品化的道路，所以PCB的设计工作已经成为我们无法忽视的环节。以上是笔者在多年PCB设计工作中总结的一些经验、心得，希望能给大家带来帮助。

（通讯作者：陈泉梅）

参考文献

[1]王国舜.论PCB设计的常见问题[J].机械设计，2011（08）.

[2]高敬鹏，武超群.Altium Designer原理图与PCB设计教程[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3]电路原理图及PCB设计[M].北京：机械工业出版社，2005.

[4]刘文广，吴凡.基于APDL的PCB元件布局优化[J].电子工艺技术，2009.

作者单位

1.南瑞集团（国网电力科学研究院） 江苏省南京市 210000

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一、学生动手动脑能力的培养

1.在专业教学中，要特别注意学生动手能力的培养。例如，在讲授叠加定理前，先让学生组装一个简单的使用两节电池的手电筒电路，明确完成计算电路消耗电能的任务，引导学生发现线性电路的这种叠加性存在的教学过程，然后推而广之，要求学生记录下数据。

2.充分发挥实物认知的作用。中职学校的电子技术专业是技能应用性的专业，主要涉及电子元件和各种电路。例如，在电子技术基础教学中，要加强直观教学，采用实物教学手段，在实训台上让学生多看电路元件，让学生记下型号。这样，不但可以使学生初步认识元器件的外型、型号，了解元器件的应用情况，也使学生学得轻松愉快。

3.利用现代教育手段，提高学生的认知能力。在电子技术专业中，传感器原理及应用是一门研究非电量转化成电量以及测量系统的专业课程，是一门抽象的学科。在教学中，往往有许多情况难以用语言形容或是现实展现， 实验又无法进行，要学生理解就比较困难了。所以，我们就可以运用多媒体课件进行仿真演示，以便帮助学生摆脱认知障碍。例如：压电传感器中的压电效应，也就是说：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。我们用多媒体软件制作动画效果， 将整个过程通过仿真方法完成， 这样不仅将抽象的东西具体化了，学生也易于接受，更重要的是提高了学生学习的兴趣和积极性。

二、基于“行动导向”的实训教学方案设计

“行动导向”的教学法是将认知过程与职业活动结合在一起，强调“为了行动而学习”和“通过行动来学习”，让学生通过“独立地获取信息、独立地制定计划、独立地实施计划、独立地评估计划”，在自己“动手”的实践中，掌握职业技能、习得专业知识，从而构建属于自己的经验和知识体系。实践证明，“行动导向”教学更注重实训过程的引导和评价，有助于调动学生学习的自主性、积极性，变被动接收为主动探索，可以使学生更有效地形成必要的职业能力。“行动导向”教学法的应用要与当地的生产实践相联系，到用人企业实地调研，了解用人单位的能力需求，最好能将企业产品的生产过程导入教学实际，制定不同的教学任务和学习领域以代表不同的生产环节，使学生在实践学习中达到企业的能力要求。

行动导向教学法的教学环节主要是布置项目书，项目书的结构包括主标题、实训材料和工具、实训过程等。教师应根据本课程的特点及能力构成，打破传统学科体系的教学设计，将课程划分为由任务组成的结构模块，以行为任务的方式组织教学。如《电子产品装接与调试》课程，根据该课程涉及的能力构成，在制订任务时将其划分为几大任务：元件选择和测量；识图；焊接；检测电路；安装。在项目结构确定后，再针对每一项目的不同特点将其分解为多个具体的子任务。如实施“万用表组装与调试”项目时，项目书的设计大致分为六个子任务： 1、筛选电阻、电容、二极管和三极管；测量元件；3、读原理图，掌握元件排布；4、焊接元件；5、检测电路；6、安装产品。

同时，实训教学要注重过程的管理。教师的角色当然是注重对学生的引导。在学生的实训过程中，教师要不断给出反馈意见和启发，要求学生自己了解错误的原因，寻找解决问题的途径，这对于学生提高独立发现问题、分析问题和解决问题的能力尤为重要，长期便会使学生形成知识的迁移和能力的成长。对于基础较好的学生来说，如此培养其高层次的创新思维也是很有帮助的。

三、实训教学的考核

实训教学的考核是以技能考核为核心，也是促进学生掌握实践技能、提高就业竞争力的重要手段。技能考核的结果是实训教学质量的客观反映，所以技能考核一定要有同样客观的考核等级、内容、要求、标准等。技能考核方案中，一定要结合国家中级职业资格证书的标准，根据当地企业对人才的技能需求情况，确定考核内容。同时，要选择好符合规范和要求的考核工具和仪器仪表，确定考核的实施方案。根据考核内容，确定每个任务的考核要点、时间分配以及得分比例。以电子产品维修技能考核评价方法为例，考核内容一般包括三大部分：第一，彩屏手机的故障检修；第二，仪器仪表的使用以及测量；第三，根据原理图画PCB图。

1、故障检测。根据本专业中级工的国家职业标准，学生要掌握小型电子产品的故障分析、诊断、维修、调试等技能。因此，可以选择彩屏手机作为考核设备，否则技术含量将达不到中级工的技能要求。手机的故障分析、诊断、维修、调试是本专业的核心技能，需重点考核，要求学生完成故障的检修及对应的故障检修报告，检修报告内容应包括：故障现象、分析判断、检测方法及数据、排除方法及注意事项。这部分的分值比例为70%。

2、仪器仪表得使用与测量。对于仪器仪表的使用和测量考核，我们可以要求学生写出故障检测和维修过程中使用仪器仪表的情况。要求学生在15分钟内完成，所占分值比例为10%。

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关键词：电容；传感器；转换；测量

在生产科研活动中，经常要对温度、压力等非电量进行测量，使得现代传感器技术有了飞速的发展。电容式传感器的检测元件可将被测非电量变换为电容量，然后通过对电容值的测量得到相应的非电量的值。由此可见对电容值进行测量是有实际意义的。在数字化测量技术中，为实现对电容所测值进行数字显示，通常是将被测电容Cx先转换成与其成正比的直流电压信号（称C/U转换）或时间信号（称C/t转换）。这里介绍一些具体的转换方法，并详细讨论一个典型的C/U转换电路。

1、测量电容的几种转换方法

⑴ 充电法测电容

图1是这种方法的原理图。集成运放反向输入端所加的基准电压Ur经电阻R对被测电容Cx进行充电，当输出电压Uo达到预先设定的额定值时就停止充电。在Ur和R为定值的情况下，显然充电时间t的长短与Cx成正比。由图1可写出其关系式：

只要测出时间t的大小，就可得知Cx的值。利用这种C/t的转换方法测电容，其可测范围为10μf-999.9μf。

⑵ 充放电法测电容

图2是这种方法的原理图之一，它由窗口比较器对电容的充放电进行控制。基准Ur先对Cx进行充电，当两端电压达到额定值时就对地放电，当电容两端电压降低到一个额定值时再次充电。Cx如此反复的充放电，就形成一个周期为T的震荡电压波形，T值与Cx成正比，因此通过测量时间T的大小就可得知Cx的值。这种通过C/t转换测量电容若配上单片机电容量的分辩率可达（0.5-1）×10-3乘以电容满度值，可测范围为0-200μF。

和上述方法相似的另一种测量方式是称为换向式的测量法，它也是先充电后放电，但放电到-Ur为止通过测量放电的持续时间Td得知Cx的大小，这种方法的优点是对充电电源及放大器参数要求不严格，测量误差小，分辨力可达0.1pF，能满足电容传感器的要求。

⑶ 脉宽调制法测电容

图3是这种方法的原理图。它是在如图所示的单稳态触发器的触发端输入一个脉宽为tw，周期为T的矩形波，在阈值为TH加被测电容Cx。通过Cx充放电在输出端得到一个周期仍为T，但脉宽tw即占空比q=tw/T随Cx成比例变化的矩形波（所以称为脉宽调制）。如果能设法测出tw的值，则Cx也可得，这显然也属于用C/t转换法测电容。由于q随C/x改变是输出的矩形波电压平均值Uo值随之而变，即表明Cx与Uo成正比，所以只要能Uo并测出它的数值，就可以得出Cx的值，显然这属于通过C/U转换测电容。脉宽调制法测电容的范围为0-20μF，最高分辨别率为1μF，它的缺点是测量前都要手动调零，从而延长了测量时间。

⑷ 容抗法测电容

图4是这种方法的原理电路图。运放处于线性工作，Ui是幅度及频率fo均恒定的正弦测试信号。电容中通过正弦交流信号时，其容抗为Xc=1/（2πfoCx），当fo恒定时，Xc与Cx成反比。

2、按容抗法实现的C/U转换电路的设计与分析

根据容抗法测量原理，为实现C/U转换，必须有正弦信号发生器，C/ACU转换电路，AC/DC转换电路，滤波器及辅助电路等。

由集成运放N1，电阻R1-R5和C1-C2组成RC桥式振荡器，其中C1R1和C2R2组成RC串并联网络，R3R4R5组成负反馈网络，通过调整R3R4R5 的值使略大于3满足起振的条件，即R4+R5>2R3。运放N2是一级反向输入的缓冲放大器，其电压增益为A = -（R7+RP1）/R6其中RP1为校准电位器，调节RP1可改变N2的电压增益。由运放N3、电阻RS和电容Cx组成测量电容的主电路，其功能是实现C/ACU的转换。由运放N4、电阻R9- R11和电容C3- C4组成二阶有源带通滤波器，其中心频率fo = 400HZ因此有源带通滤波器只允许400HZ信号通过，这样就得到一个纯正的400HZ的正弦波。由集成运放N5、二极管VD3-VD5电阻R13- R16和，电位器RP2和电容C5- C8组成精密整流电路，电路中的R12是N5的同向端输入电阻，R13、 R14为负反馈电阻可将N5偏置在线性放大区并控制运放的增益。

3、电容式传感器的应用

电容式传感器的检测元件将被测非电量变换为电容量变化后，用测量线路（C/U转换电路）把电容容量的变化变换为电压，再通过电压与电容的关系得出非电量的值。可应用在测气体的浓度、油箱油量、导电液体液位等等。

这种电容式转换电路具有线性度好、准确度高、电路简单、成本小、功耗低等特点可应用于一些小型、便携式装置中。例如数字万用表就是利用容抗法实现C/U转换输出平均值电压再配以高分辩率的液晶A/D转换器把模拟量转换成数字量来测量电容的。

参考文献：

[1]沙占友等.数字万用表应用技巧 .北京：国防工业出版社，1997

篇6

设计要求

・能正确区分并机的取挂机状态。

・可以正确读出串行EEPROM定位置特定信义的数据。

・在并机挂机状态可以接收各种制式与时序的来电显示，根据若来电的号码头部部分与EEPROM中预先设定的“语音邮箱提示码”完全匹配(即指若EEPROM中存储的邮箱提示码为1234，则收到所有以1234开头的号码均算匹配)，则点亮一个LED(N口语音邮箱指示灯)，并使之按每2秒钟点100ms的规律闪烁。挂机时要有睡眠状态且打开line_det与IOC0中断唤醒，若需要点亮灯时可开2Hz中断唤醒，不须点亮灯时则不必。为安全起见不关32768晶振。收到的数据不必保存，比较完毕后就清除。

・在并机取机状态能正确解调并机拨号。也就是说，在并机取机的时候系统能够正确的解调每一个拨号，并保存到缓存里面以进行比较。若所拨号码前面几位与EEPROM中预先设定的“语音邮箱提示码”完全匹配，熄灭“语音邮箱指示灯”，并进入睡眠状态。若从中间的某位开始匹配不上，则立即进入睡眠，并关line_det与IOC0唤醒并保留2Hz唤醒，在2Hz子程序中判断是否挂机，若挂机再开line_det与IOC0唤醒。取机后若10s内未接收取DTMF的，也进入同样的睡眠模式。

・并机取挂机状态突变时要重新收CALL解调。比如系统正在收CALL状态下，并机的状态突然改变，系统要能够跳出本次的收CALL操作并清除缓存区进行下一次收CALL。

考虑到可靠性，EEPROM中的数据应该在需要比较的时候去读取并比较，而不建议采取一上电就先读进缓存的做法。

其中，SPT6603A是一款最近推出的针对来电显示和语音拨号产品而专门设计的微处理器。line_det与IOC0是SPT6603A单片机专门为来电显示系统而设置的中断唤醒源。line_det用来检测线上的信号，IOC0用来检测极性反转信号。

电路分析

语音邮箱指示盒系统的原理与电话机系统的部分电路原理基本相同，在硬件电路上都包括了Caller ID输入回路、并机检测线路、阻抗匹配线路、防雷击与极性保护线路、CPU控制线路、EEPROM，只是电话机系统多了振铃线路、键盘拨号线路、LCD显示、手柄通话线路、免提通话线路、电子开关线路等。由于电话机系统的电路已经是非常成熟的电路，在硬件设计上面无须花很多的时间去设计各个单元电路，只需要调整电路的参数和加上指示灯就可以在硬件上实现语音邮箱指示盒的功能，于是语音邮箱指示盒系统就可以由电话机系统简化得来。语音邮箱指示盒系统原理框图如图所示。

系统在设计的时候，修改EEPROM里面储存的号码如可以通过一台并机进行，如果不需要通过并机修改预存的号码，可以省去DTMF拨号部分。如果需要在指示盒上面修改EEPROM里面储存的号码，可以在这个系统上面加上键盘。阻抗匹配电路主要是针对一些特殊的交换机而设计的，如果语音邮箱指示盒并联了一台具有来电显示功能的电话机，也可以不考虑这部分电路。

Caller ID输入回路的原理与分析

Caller ID可以根据实际场合给出相应的理解，如果用Caller ID修饰产品或者系统的时候就理解为来电显示；当用来修饰信号的时候就理解为主叫识别信息。CallerI D输入回路与CPU内部硬件解码器的原理图如图所示。

信号流程：在解码器打开时，图中的OP被Enable工作在线性状态，线上的Caller ID信号可以经过OP-C3-AGC然后解码。

唤醒过程：解码器关闭后，图3中的OP被Disable，输入端与之并联的比较器CMP因Rl、R2、R3的存在而获得上低下高的偏置，CMP输出0。由于线路上极性保护电路的存在，T、R两端总有一脚处于交流低阻抗的状态，即可以认为交流信号是从其中某一端送来的。

对于有振铃触发的情况，在振铃期间，振铃的幅度足以使CMP发生反转，CMP输出1，程序上就做开解码器的动作。

对于直接送号的情况，比如R2上分得的电压是0．15V，若T或R上送来的信号的峰值超过了0．15V，则该信号也可以克服预加在CMP输入端的偏置电压，从而引起CMP反转，进而唤醒CPU解码。

对于有反极性触发的情况，若是从T-R+反转到T+R-，则相当于T端升高，R端降低。此一升一降加到CMP的输入脚以后，正好使CMP反转，从而可以唤醒CPU收CALL；若是从T+R-反转到T-R+，则相当于T端降低，R端升高。因为对于CMP而言本身T端对应的输入脚就较R端要低，所以本次反极性不能造成CMP的反转。C5、R6、R7组成的电路正是为解决这一问题而设置的。当T端迅速降低时，会有一个负向的脉冲在RIN引脚产生，此脉冲可以唤醒CPU收CALL。

并机检测线路的原理与分析

并机检测的意义如下。

・在系统收CALL的时候判断并机取挂机状态可以知道接收的信号是来自交换机还是并机的拨号；

・在并机取机的过程中，为了省电本机要跑相对低功耗的模式；

・为了实现防盗功能，系统必须加上并机检测线路。

并机检测的实现方法：在并机挂机的状态下，DM引脚为高，当并机取机的时候DM引脚变为低电平，由这种跳变系统就可以准确的区分并机的取挂机状态。值得注意的是当本机取机的时候，无论并机取机还是挂机，DM引脚始终为低，也就是说在本机取机的时候，并机检测是无效的。并机检测线路原理图如图所示。

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关键词：项目教学；设计；分析

项目教学的指导思想是将一个相对独立的任务项目交予学生独立完成，从信息的收集、方案的设计与实施，到完成后的评价，都由学生具体负责；通过项目的实施，使学生在活动中了解和把握完成项目的每一个环节的基本要求与整个过程的重点、难点，不断获取知识，增强技能，锻炼分析、解决问题的方法和策略，进而形成综合职业能力。

项目教学离不开项目设计与分析，项目设计是将基本的理论知识与实践技能要求融合在一个复杂的项目中，以使学生在完成项目的探索活动过程中逐步掌握知识、增强技能，提升职业能力；项目的设计要求贴近生产、生活实际，呈现较高的真实性和应用性，才能充分地激发学生的学习兴趣和解决问题的愿望；而项目分析是要从复杂的项目中将必备的基本知识和技能逐步分解开来，通过学生的探索和活动自我完善职业能力并达成项目的最终完成；项目的分析要求全面深刻，强调新旧知识的联系，而重点则在新知识的学习、技能的训练和综合职业能力的形成。

项目的设计与分析是一个双向可逆的过程，都需要学生自主参与探索活动。项目设计与分析是项目实践活动得以进行的理论支撑，是项目评价得以开展的基本依据，可以说，项目设计与分析是整个项目教学的基石。下面，以笔者执教的“日常照明电路”为例，来谈谈项目设计与分析的三个基本环节：项目情境的设置、信息的收集与处理、活动方案的设计。

一、项目情境的设置

项目教学法是以生产过程中的实际问题或任务为前提开展的，因而项目情境的设置非常重要，好的情境设置能从一开始就牢牢吸引学生学习兴趣，激发他们解决实际问题的兴致，唤起他们学习新知和锻炼培养技能的愿望，形成良好的教学氛围。

在“日常照明电路”项目教学中我创设了这样一个情境：假若你家院子里新建了一间平房想对外出租，现在房屋建成，但电路没安装，如果由你来完成，你能否胜任这项工作？

针对苏州地区不断涌入的外来劳动力，建房出租已成为当地百姓获得稳定经济收入的重要手段，基本上每个农村学生的家中都会涉及这一问题，这一项目的完成将彰显学生的职业能力，提升他们在家长心目中的地位，学生的兴趣一下子被挑起来，大家开始议论纷纷，跃跃欲试，形成了良好的教学氛围。

二、信息的收集与处理

信息的收集与处理主要从两个方面考虑：一是对项目功能的分析，即针对项目任务的具体分解，将项目按照一定功能或原理分解成基本的操作或控制要求；二是对所需知识技能的分析，即针对每一个操作要求分析所需的相应的知识技能以及获取知识技能的手段和途径。

1.功能分析

本项目中，提醒同学们首先要考虑房客对房间电路的基本要求，通过学生积极发言，不断补充，形成完整的功能分析：（1）要有照明设备（荧光灯或白炽灯）；（2）要对灯具实行双联控制；（3）要有插座扩展使用其他电器；（4）要有可靠的电路保护（短路、过载）；（5）要能对该房间用电单独计费（电度表）。

2.知识与技能分析

依据本项目功能分析，学生讨论得出完成项目所需的基本知识与技能，包括：（1）电器元器件（原理、构造、控制）；（2）电器原理图（识图与电路设计）；（3）布线图识图与布线要求；（4）布线技能训练；（5）电路调试与故障检测。

信息的收集与处理这一环节使学生对项目要求形成全面的理解，它有针对性地归纳出了学生完成项目所需的知识和技能，促进学生的主动学习，从实践上明确学习目的并避免了学习的盲目性，提高了学习效率。

三、活动方案的设计

活动方案设计是对整个项目实施步骤的综合阐述，既包括理论知识的学习，又包括实践技能的掌握，还包含了实施过程中出现问题的对策。

“日常照明电路”项目活动方案设计思路：

1.完成本项目所需的工具和设备准备，绘制元器件清单，领取实物

2.对电器元件、电器原理图、布线图与布线要求、电路调试与故障检测的理论学习

3.“日常照明电路”配电板制作实践活动

（1）元器件的固定；（2）线路的连接；（3）电路调试和故障检测

学生可根据这一思路设计具体的活动方案，包括理论学习的时机和顺序、实践活动的组织和分工、项目评价的开展等。

活动方案设计是项目设计与分析的最后成果，也是后续项目活动总的纲领性计划，是整个项目活动有条不紊进行的充分保障，是决定项目能否如期按质完成的关键环节。

项目教学过程中，要重视项目设计与分析，从项目情境的设置、信息的收集与处理、活动方案的设计三个环节着手，通过教师地积极引导，学生地主动探索，为项目教学活动做好充分的准备，才能使项目活动有序高效地开展，充分发挥项目教学的优势和教学效果。

参考文献：

[1]唐菊萍.项目教学中教师应当把握的三个要点[A].江苏省教育学会论文集，2006.

[2]李萍.浅谈项目教学法[J].企业导报，2011.

[3]李晓，朱迅.项目教学法在我校的应用[J].中国职业技术教育，2005（13）.

[4]朱丽梅.项目教学活动及其运用：项目教学活动概述[J].教育导刊，2002（6）.

[5]邓晨.浅议项目教学在中职教育中的作用[J].职业，2010（29）.

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【关键词】电工电子教学 多媒体技术 仿真软件 Protel软件

【中图分类号】G712 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）07-0239-02

引言

随着最近30年经济的飞速发展，出口贸易和内需驱动双重引擎的刺激，使得经过中等职业教育的学生成为就业市场的宠儿，甚至很多地方出现了用工荒。但是通过对中职生用工企业这几年的反馈来看，虽然我们的学生就业率很高，但是很多学校的学生很难做到“人尽其能，学以致用”，进入用工部门后需要重新培训才能工作，或者培训后也不能胜任综合性较强的工作，这些不仅影响了中职学校毕业生的收入水平，也影响了中国的制造业向高端的发展。对比欧洲制造业强国德国，瑞士，因为其非常重视职业教育，毕业生素质很高，成为其强大工业体系的核心竞争力。笔者认为，造成这种局面很大一部分原因在于学校缺乏与社会的沟通，没有处理好学生与就业的关系，不了解社会需要什么样的人才，以陈旧的教学方式来教育学生，从而既不能提高学生的积极性，也不能有效的进行知识传递，造成职业教育在市场导向的教育改革中落后于形势。

电工电子专业属于职业教育的热门专业，也是企业需求最大的部分。我们知道，职业教育属于行动体系，强调的是工作过程系统课程是基于知识应用， 所以电工电子专业课程主要是基于对是物理学中的电学的应用，然而对于进入中专学校的学生，一般来说物理基础很不扎实，因此，摸好学生的”底子”，进行因材施教显得非常重要。从这个角度来说，中职院校的电工电子教学，不仅要做到实用性，新颖性，更要做到差异性，区别于高等教育，从基础抓起。因此，本文本着转变思想，结合实际的出发点，对职业教育的电工电子专业教学提出了一些看法。

1.重实训，循序渐进培养技能，实训驱动基础知识学习，基础知识学习助力操作技能的提高

对于大多数中职学生来说，由于物理基础的薄弱，畏难和面对抽象理论的不知所措都是导致厌学情绪的诱因。因此，接触实训，实践电类装配工作的基本操作，让学生在具体真实的实物面前揭开电的神秘面纱，开启探索的兴趣。然后再开展理论教学会起到事半功倍的效果。

实际教学中，本着职业导向教学的目的，面对新生，首先带领学生接触导线，介绍导线的类型，导线的半径与额定电流的关系等，动力线与信号线的选型区别。在学生对导线有了具体认识后，也就不觉得电学是抽象的了。然后培训学生的焊接技能，反复练习导线的外皮的削剥，导线之间的连接，导线与接线柱和接插件的连接，二极管，三极管，表贴件和直插件等的焊接技巧，掌握好这些，就为连接一个完整电路打下了基础，也为学生学习电工电子提供了自信，可以在此时进行引导，强调理论学习的重要性和必要性[1]。由于学生之前已经接触过了普通元器件和导线，因此教学时对电路图中的符号和导线的认识生动起来，记忆比较快；同时因为学生具备了组装电路的能力，因此就有了设计电路系统的兴趣需求，对基础元器件的原理认识也变得迫切与渴求。当学生开始有了电路计算的能力时，可以设计几个简单的实验，让学生去实现。

以实现三相异步电动机的控制电路为例，该实验不仅是电工实验的基本案例，也是学生能力和工厂实际结合最近的地方。为了完成实验，学生需要学习低压电器和继电接触控制的有关知识，了解其规格、型号及使用方法，需要学习三相异步电动机直接起动、连续运转、停止的控制电路原理，还需要学习使用万用表排故的方法。这些都在学生掌握了相应的理论知识后才能完成，从这个角度来说，实训驱动知识学习，知识助力技能提高。

同时对实训来说，循序渐进，规范训练是中职教育需要注意的，早期介入实训固然可以让学生减轻高不可攀的心理负担，提高学习的兴趣。但是搭建电路系统时，不仅要求学生接对线这么简单，对焊点饱满度的要求，走线的美观，强弱电信号是否要分开布线等细节都必须要求到位[2]。这是由于中职教育的职业教育特性使然，更注重培养学生的职业习惯，以便将来快速的和工厂接轨。

2.开发兴趣，小设计缺陷驱动解决问题能力

对于工厂来说，需要的不仅是严格执行图纸的员工，更需要发现问题，排查解决问题的员工，由于硬件电路行业更注重调试经验的积累，这是一份个人价值与从业时间成正比的工作。因此，对于电工电子专业的学生来说，培养起基本的故障解决思路，将会为他们日后工作高度的提升，起到不可估量的助力。

我们也注意到，中职学生本身基础差，仅是知识的灌输和预设实验过程的复制也往往是差强人意，所以培养故障解决思想要从小做起，不能贪大求多，否则会使学生重新产生畏难情绪。为了实现这个目的，我们往往应在电路中加入一些小的设计缺陷或者比较明显的故障，引导学生去解决问题。在这个过程中，解决了问题的学生不仅获得了成就感，也因为故障的单一性便于去总结排故的方法。通过多次实践，从而形成独立的思路和习惯，在以后面对复杂问题可以保持思路清晰，灵活运行所学。

以制作前置音频放大电路为例，提供给学生一套示例电路图，并由学生进行电装完成。进行实验后发现，按照示例所组装的电路放大能力不够理想，引导学生从放大电路的原理出发，思考扩大方法倍数的方法，调整相关电阻电容，解决问题。问题本身并不复杂，但加深了学生对放大器的认识，为家电维修等课程开展也打下了基础。

3.多媒体详解技能过程，提高教学结果

中职教育着眼于培养专业熟练技术工人，所以更注重技能的传授，技术细节是否教授到位，可能影响的是学生一生的操作习惯。在课堂和实验室中，由于场地和视场的限制，学生不能有效掌握动作要领，这个时候，多媒体对动作进行剖析，让学生看清楚，学明白是非常必要的[3]。

在实训技能培训时，元器件排布，导线头的连接，表贴元件和直插元件是否虚焊，都是非常微小的操作，如果进行实焊演示，前排的同学即便能够看得清楚，也不一定记得住全部动作要领，更不用说靠后的学生。所以，使用相机等多媒体手段重新规划课程，把微小的局部按照动作顺序分解，制作成PPT或视频分享演示给学生，以形成最大的视觉冲击，加深记忆。此外，采用多媒体手段的另一个好处是便于分析实训成果，例如：布线规整有序的电箱和杂乱的电箱在图片对比下一目了然，也可通过放大功能对布线细节进行分析[3]。

此外，多媒体手段对诸多基本理论的动态演示也具有得天独厚的优势。

4.重视仿真技术理解电学过程，提高机理分析能力

由于经费原因，面对昂贵的实验仪器，中职院校的实验室建设往往并不完善，为学生提供完全的实验环境是不允许的。此外，由于课时和学生基础的限制，搭建完全的硬件电路不仅耗时，而且容易出现各种故障，排故的过程不仅耗费老师的时间，也消耗着学生的热情。

在进行正弦波振荡电路实验时，如果采用multisim7.0等软件进行仿真，将起到事半功倍的效果。由于电阻电容电感等元器件的生产工艺差异性，按照统一原理图搭建的电路的谐振频率都是有差异的，这将影响学生对原理的理解。使用multisim7.0进行仿真，不仅保证输入输出的稳定性，还可以通过任意调整RLC参数，改变谐振频率，也可以使用虚拟示波器获得稳态积分波形。这些都大大加深学生对电路的理解程度，提高学习兴趣[4]。

仿真实验并不能完全取代实际实验，在中职教育中，有选择让学生自己搭建一些简单电路，将大大提高学生对电工电子系统的认知能力，以便将来胜任其维修维护工作。但是在实际实验中，仿真试验的也有很重要的验证作用，在综合训练中，指导学生来搭建一套简易频率计电路，在设计完成，搭建电路之前，就可以让学生使用先进行仿真验证，以提高实验效率，帮助学生分析问题，解决问题。

5.关注行业动态，重视Protel等软件的教学，提高学生技能水平，融入产业链高端

当前的职业教育现状中，中职学生在用工初期只能胜任重复性工作，之后由于基础所限，导致学习意愿不强，无论是对电路调试还是简单设计，只能做到简单的模仿复制，很少做到举一反三，同时工作经验的积累，也均是落于口头的传承，很难达到原理清晰，落于图纸之上。对于教师而言，也只是满足于学生就业完成的数据，无心兼顾就业质量。这一点正是国内职业教育与国外职业教育的差距所在，仅这一点差距，就影响学生一生的职业高度。对中职生来说，不能仅仅只作为一个熟练操作工，处于产业链的下游部门。更需要掌握更多技能，胜任一些简单的设计工作，提高自身的竞争力，从执行者晋身创造者。

电工电子行业中，Protel作为一款EDA软件[5]，无论经典的Protel 99se，还是最新的Protel DXP，拥有最广泛的使用者。由于基础所限，并不是所有的学生的都能掌握Protel软件，但是在教学中加强对Protel的教学，将会对优秀的学生产生不可估量的影响。同时由于课时限制，Protel教学应该侧重规则的认知和熟练的规范性操作，而不是复杂电路的设计和应用。

Protel教学从以下两点入手：（1）原理图绘制和读图能力；（2）电路板绘制和调试能力。原理图绘制应从熟悉的电路系统开始，比如一个照明电路，简易频率计电路，主要是训练标准的绘图方式，这其中包括自定义元件库的建立，电线和连接线的区别，标准元件符号的识别等知识。这些知识点需要反复练习，其目的为将来的设计工作打下规范性的基础，同时提高学生对标准图册的读图能力。电路板绘制以简易频率计作为实例，在原理图基础上，设计或导入封装，从两层板开始，学习对不同信号走线的分区排布规范和测试点的设置，设计缺陷分析等技能要点。中职生的软件学习，应该出于两点考虑：（1）要保证足够的上机课时和足够多的简单实验设计；（2）每一个实验都必须辅以详细的书面操作示例。这两点措施首先避免了课程流于形式，注重基础技能培养，同时降低了课程难度，提高了学生实践的愿望，是切合中职教育的。

6.结束语

从笔者多年教学实践总结而言。我们的职业教育，在当前工业转型的驱动下，需要教育出基础牢固，学习能力强，职业素养高的劳动者，他们能胜任更复杂的操作和现场状况，能执行制造业的高端需求，有了这样的人力资源，我国才能转型成一个高端的制造业强国，职业教育也才算是满足了阶段性的社会需求。

参考文献：

[1]董启广，张玉民. 电工电子实训教学模式的研究与实践[J].北京工业职业技术学院学报，2006，6（1）： 44-48.

[2]黄艳芳，吴 波. 电工电子实习教学的现状与改革[J].实验室研究与探索，2011，30（3）： 147-149.

[3]谷曼.谈我校的电工电子实习[J].电气电子教学学报，2006，28（1）： 78-80

[4]刘彦鹂，周展怀. 电工电子实验中仿真实验的地位和作用[J].电气电子教学学报，2007，29（1）： 67-68.

[5]罗雪飞.基于 ProtelDXP在PCB实践教学中的应用与探索[J].福建电脑， 2008（10）：198，150.

篇9

高职高专的传感器与检测技术课程的教学通常安排在电子、机电等专业，通过研究相关的教材，发现大多数该课程教学内容的基本模式是：传感器原理介绍、传感器计算公式推导、传感器应用介绍几个步骤。有些教材上会多一些项目化教学方法，就会多出一个实训的环节[1]。这些实训环节当中采用了更多的成熟的传感器模块，学生的主要任务就是初步了解这些传感器模块或是前端的传感器敏感元件[2]。显然在这种教学方式下已经无法满足目前物联网已经成为主流技术的人才应用要求，这尤其体现在嵌入式/物联网这个行业，这种情况总结起来有几个主要的原因造成的：

1） 嵌入式与物联网行业的技术发展现状、要求传感器与检测技术课程的教学过程当中将教学重点放在传感器应用技术、传感器敏感元件组成的模块设计、传感器模块采集的数据到计算机之间的传递[3]。因为只有这样，才能将传感器技术作为应用技术直接提供到上位机，使得其能够作为物联网信息空间中的前端信息采集部分而使用。

2） 物联网的信息空间中的基本节点为计算元节点[4]，该节点作为信息空间中的终端节点构成了物联网前端网络组成的基础设施。需要看到的是异构型网络中的绝大多数计算元节点将是带有传感器的简单型网络，其基本通讯方式很多为传统的RS232、RS485通讯，因此传感器与检测技术课程教学当中已经不仅仅是单独的传感器部分，仍然需要引入通讯部分的介绍。

3） 目前的传感器与检测技术课程当中的开设专业对课程教学内容安排的影响很大。在机电类专业传感器课程当中，强调了对被测量的检测为目的的应用型传感器实践知识，这仅能体现在教材的改革上，尚无法体现在实际教学改革当中。在电子类专业传感器课程当中侧重于传感器原理、基本结构等内容的教学过程[5]。这种方式对于本科阶段学生而言是非常合适的，但是高等专科院校的学生难以接受理论为主的教学方式，况且这种教学方式对于以高职高专学生为培养对象的、获取技能为首要目标的教学任务没有起到推进作用。

4） 物联网行业的高速发展对传统行业造成了巨大冲击，原来的独立传感器功能已经无法满足物联网行业的需求，这种孤立点由于不具备通讯能力，故此无法作为信息采集前端加入到物联网的传感网络当中[6]。因此，在传感器与检测技术教学过程当中，从教材改革到课程改革都要求加入通讯部分与计算机部分的内容，作为其为物联网前端信息传感网络的能力而扩充。

5） 在高职高专计算机的嵌入式系统工程专业与物联网应用技术专业的传感器与检测技术课程的教学当中，传统的教学模式与教学方法都难以应用。隶属于电子工程专业的传感器与检测技术课程教学内容深度较大、技术孤立性强应用困难；而机电类专业的传感器与检测技术强调了独立传感器模块的应用，面向被测量的教学方式对于在计算机专业而言如果也采用类似做法，显然对于计算机专业的高职高专学生无法接受。

6） 在目前的课程实践教学当中，实际教学用具相当缺乏，很多技术较为先进的学校采用了软件仿真的方式进行传感器课程的教学工作。但是传感器模块是孤立的模块，最终需要一个相对比较大的硬件系统，作为对该课程中每个独立模块进行支持的载体[7]。

综上所述，在现在的高职高专计算机专业的传感器与检测技术课程开设过程当中，选择偏向计算机方向的教学方式与手段就是必要的。其中尤其是配套实验电路的设计与实现也成了一个需要重点关注的问题。针对此问题，本文就设计与实现了一套针对计算机方向的嵌入式与物联网专业的教学实验电路。

1总体架构设计

考虑到专科院校目前学生的总体层次，如果考虑了过于复杂的内容将会导致学生无所适从，如果太过简单学生又无法获取实际知识。这里需要考虑的两个典型的问题：第一个问题就是不能过于理论，但是也不能完全没有理论支持；第二个问题是实践不能过于复杂，但是又要兼顾到一定的实用性。综合这些因素，我们大致对实践电路系统的设计规划为：将传感器模块、自动控制技术、简单计算机通讯技术联合起来，设计与实现一个相对实用、相对简单的计算机干预测控系统。同时，考虑到该系统应当具有一定的实际应用功能，则我们设计了一个计算机干预室温自控系统，其大致的架构设计如下图示：

图1示意了一个室内恒温自动控制系统，照明系统当监控到室内有人的时候开启，当离开的时候关闭。室内恒温系统则利用温度传感器控制温度发生装置将温度恒定在一定范围之内。并且该系统的全部情况可以向计算机反馈，包含温度、是否有人、是否开启温度系统、是否开启照明系统等功能，计算机也可以实时通过远程调整温度范围的设定值。该系统的基本功能描述为：计算机能够随时干预该系统的开启工作状态、停止系统的工作状态、在系统的运行过程当中对系统的某些参数进行调节。

2模块设计与实现

依据总体架构的设计，下面逐个实现上述系统中的硬件部分。

1） 光电传感器模块

光电传感器模块的原理图设计如下图示：

这里这个模块的设计事实上并无必要，但是可以作为学生初步入门掌握的第一个模块，尤其是掌握DXP软件电路设计，并初步进行焊接与调试工作。

2） 继电器模块

继电器模块的原理图设计如下图示：

3） 温度传感器模块

温度传感器模块的原理图设计如图4示：

4） 通讯模块

通讯模块的原理图设计如下图示：

3算法设计

在考虑算法设计的时候，首先考虑前面提到的进程之间的通讯与互斥的问题。这里通讯是指进程之间的通讯，另外一个就是进程互斥的问题。那么这两个进程显然就是互斥的关系。下图就通过系统的应用功能行为来说明这些问题。

在图6中有两部分任务需要完成，左边部分为工作状态需要完成的任务，右边是非工作状态需要完成的任务。基于上述分析，给出参考算法如下：

算法1.1 主流程算法

算法：单片机端主流程

S1：系统初始化

S2：在无限循环中做如下事件

S2.1如果上位机有命令发来

若为启动工作过程命令

{

启动工作过程；

}

否则关闭工作过程；

S2.2如果数据收集完成

{

向上位机系统传递测到的系统状态数据 }

}

另外一个要点就是获取计算机发送过来的命令，参考第九章的方法即可，这里直接给出算法描述：

算法：单片机使用中断接收上位机一串符号的算法

输入：上位机发来的一个字节

输出：合法的字符串

S1：清除发送标志

S2：判断当前字符是否为包头

如果是包头，清缓冲准备从缓冲区起点开始存放数据

S3：如果当前是最后一个字节位置，则判断当前读入的字符是不是包尾

如果是则通知主函数可以读命令了

S4：存放该字节数据到当前缓冲位置

S5：缓冲区存放位置下移一个字节

S6：调节缓冲位置边界

算法1.2 接收计算机接命令与分析算法

3系统验证

硬件系统的设计思想基于模块化设计方法，只需要考虑如何实现图1的设计目标即可。在图1中，只需要明确考虑几个接口部分的连接方式、并采用确定的连接来练好这些接口线路即可，确定需要连接的几个部分如下：

1） 计算机与通讯模块的连接方式。

2） 单片机板与通讯模块的连接方式。

3） 单片机板与继电器模块的连接方式。

4） 单片机板与光电传感器模块的连接方式。

5） 单片机板与温度传感器模块的连接方式。

6） 继电器模块与外部受控的市电电路部分的连接方式。

7）继电器模块与外部受控的温度调节电路部分的连接方式。

下面就这几个方面的连接进行实际连接，并最终在实际线路连接完成之后，采用一定的方式进行简要测试，以确定这些线路连接均无问题。

连接好硬件之后需要对硬件进行测试工作，下面我们就列出这些步骤进行硬件测试工作：

第一步：连接好硬件核心板与硬件模块

第二步：新建一个工程，并编写代码

第三步：编译软件并生成hex文件

第四步：下载hex文件到核心板

第五步：观察模块的基本行为是否正确，若不正确则从第一步开始查找问题，并重复上述步骤。最终的实物硬件连接示意图如图：

篇10

低压差分信号LVDS（Low Voltage Differential Signal）是由ANSI/TIA/EIA-644-1995定义的用于高速数据传输的物理层接口标准。它具有超高速（1.4Gb/s）、低功耗及低电磁辐射的特性，是在铜介质上实现千兆位级高速通信的优先方案；可用于服务器、可堆垒集线器、无线基站、ATM交换机及高分辨率显示等等，也可用于通信系统的设计。BLVDS（Bus LVDS）是LVDS技术在多点通信领域的扩展，要求附加总线仲裁设计、更大的驱动电流（10mA）和更好的阻抗匹配设计。

通常是LVDS电路设计使用各种专用芯片，如美国国家半导体公司的DS92LV16等。我们用FPGA芯片自行设计BLVDS内核及扩展部分。相比之下，使用FPGA可大幅减少芯片数量，降低成本，提高系统可靠性，同时具有更大的灵活性和向后兼容性。由于目前尚无实用的16位VLVDS收发器芯片问世，本设计也填补了专用芯片（ASIC）的空白。

   我们最终选了Xilinx公司的XCV50E。此芯片属于Virtex-E系列，具有如下特性：

*0.18nm 6层金属工艺，具有5.8万个系统门；

*使用1.8V核心电压，低功耗设计；

*130MHz同部时钟；

*64KB的同步块同存（BlockRAM），可实现真正的双口操作；

*支持包括LVDS、BLVDS在内的20种高性能接口标准；

*8个全数字的延迟锁定环DLL（Delay Locked Loops），具有时钟移相和乘除功能；

*支持IEEE 1149.1边界扫描标准，具有基于SRAM的在系统配置功能。

我们使用Xilinx Foudation F3.1i软件开发XCV50E芯片。设计流程为：首先用编写VHDL语言程序、绘制原理图或设计状态机的方法生成网络表，功能仿真正确后，经过翻译、映射、放置和布线、时序优化及配置过程，生成比特流文件。然后，进行时序仿真，仿真通过后下载到PROM中。（我们用了Xilinx公司的XC18V01。）

1 结构及工作过程

1.1 系统结构和FPGA结构

本通信系统由背板和若干通信子卡组成。背板并更有8个插槽，并布有BLVDS总线和其它控制、地址总线。通信子卡由EP7211芯片（负责数据处理）、XCV50E及DRAM、PROM等外围芯片和元件组成，系统结构如图1所示。

    设计完成后的XCV50E由控制部分、发送FIFO、帧编码器、串化器、解串器、帧解码器、数据检出器、接收FIFO、时钟倍频器及输入输出单元等部分组成，结构如图2所示。

1.2 工作过程

在发送子卡中，EP7211将待发数据整理成多个长255字，字宽16位的数据帧，发至FPGA内的发送FIFO中。该FPGA得到总线控制权后，即发送同步帧（由同步字与填充字组成），待被寻址的接收子卡实现与自己的同步后，再发送数据帧。各帧数据经串化器转化为两对差分信号，并从中获得同步信息并实现同步，继而检出有效数据，写入接收FIFO，同时以快中断（FIQ）通知EP7211。

2 软件设计

2.1 EP7211程序设计

通信子卡内的EP7211为系统级芯片，用来预处理和接收数据。EP7211的内核为ARM7TDMI，使用32位精简指令。发送数据的流程如图3所示。接收较简单，只需在快中断（FIQ）服务程序中写入接收FIFO的读取代码即可。

2.2 FPGA设计

FPGA的设计中，发送及接收FIFO的设计用了双口快内存（Block RAM），时钟倍频器用了延迟锁定环（DLL）。帧解码器由30位并行数据产生器、同步字检测阵列和接收状态机组成。以下重点介绍帧编码器和串化器的设计。

    （1）帧编码器的VHDL语言设计

帧编码器包括一个长为256的计数器和一个四状态的单热点状态机，用以产生同步帧和数据帧。部分代码如下：

PROCESS（RESET，CLK） //产生长256的计数器

IF RESET='1'THEN COUNT<=0；

ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN COUNT<=（COUNT+1）MOD 256；

END PROCESS；

TC<='1'WHEN COUNT=255 ELSE '0';

TYPE STATE_TYPE IS（IDLE，PACK1，PACK2，TRANSMIT）；

SIGANL SREG：SETAT_TYPE；

RPOCESS（CLK，RESET） //状态机进程

IF CLK'EVENT AND CLK='1'THEN

IF RESET=1 TEHE SREG<=IDLE ELSE

CASE SREG IS

WHEN IDLE=>

IF SEND_UD='1'THEN SREG<=TRANSMIT； //空闲状态如有发送命令，即转入发送状态

ELSE SREG<=PACK1； //否则，发送填充字1

WHEN PACK1=>

（后略）

（2）串化器的原理设计

串化器由多级嵌套的子图和若干宏模块组成，原理图的顶层图如图4所示。四个四位并入串出寄存器将16位并行数据拆分为四组串行数据，其中的奇数位和偶数位分别通过一个双数据速率寄存器，得到两个差分信号，同时用另一个双数据速率寄存器产生与之同步的差分时钟。其中，双数据速率寄存器为时序敏感器件，其内部主要部分都加入了时序特性限制，如最大时滞（maxdelay）、最大抖动（maxskew），并用FMAP控件强制性地把相关信号放入同一个函数产生器中。

图4 串化器原理图

3 硬件设计要点

①BLVDS信号的偏置电压为1.25V，电压摆幅只有350mV，传输速率≥100Mb/s；因此，电路板制作至关重要，要求至少使用四层板。

②为使干扰信号只以供模方式加到差分线对上（不影响数据正确性），要求差分线对间的距离尽可能小。BLVDS标准要求差分阻抗为100Ω，由公式：

给出。其中，ZDIF为差分线对的差分阻抗，εR为印制板介电常数，δ为信号层到电源层的厚度，b为导线宽度。本电路选用的线距及线宽均为0.18mm。

③考虑到阻抗不匹配引起的信号反射和导线的电导效应，要求XCV50E芯片的差分引脚尽可能地靠近子卡的边缘连接器（≤1.52cm），并给每个差分引脚串联一个20Ω的贴片电阻。

④电源方面：Virtex芯片上电时要求有大于500mA的驱动电流，同时，由于多个输出引脚的电位快速变化，要求每对电源和地引脚都要良好旁路。