合格的电子工程师需要掌握的知识和技能
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 输入基本上有以下的可能： 1) 键盘 输出基本上有以下组成： 1) 串行接口（RS232/485/can bus/以太网/USB） 处理核心主要有： 1) 8位单片机，主要就是51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atmel ARM91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。 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。 这些资料通常是pdf格式的文件，所以，还需要一个pdf的阅读器。 网际快车下载网址：http://www.skycn.com/soft/879.html PDF阅读器下载网址：http://www.chinapdf.com/download.htm 实际上，有了百度和其它的搜索引擎，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。 二课 基本的芯片和分立器件 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。 第二课 基本的芯片和分立器件 2.2 74系列芯片 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： 2、 7407 – 6个集电极开路门 下载地址： 3、 74LS573与74LS373 – 8 数据锁存器 74LS373下载地址： 引入几个概念： 参见74LS373的PDF的第2页： 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。 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； 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； 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； 再看这个真值表，意思如下： mov P0,A ;将数据输出到并行数据端口 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； 5、 74LS245 – 总线缓冲器 http://www.mcu51.com/download/digitpdf/74xx/74F245.pdf 双向数据接口，通常在ISA板卡上可以看到； 6、 74LS138 – 三－八译码器 http://www.mcu51.com/download/digitpdf/74xx/74F138.pdf 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。 2.3 CD4000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：
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。 ULN2003可以驱动7个继电器；ULN2008驱动8个继电器。 ULN2003下载地址： 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。 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； 所以，需要光耦进行隔离，接入单片机系统。 常见的光耦有： 下载地址： 发光管的工作电流要在10mA时，具有较高的转换速率； 2) 4N25/4N35，motorola公司生产 http://www.100y.com.tw/pdf_file/4N25-8,35-7,H11A1-5.PDF 3) 6N136，HP公司生产 下载地址： 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； 光耦应用的原理框图如下所示： 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； 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； 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： 2. 输入TTL电平隔离
4. 输出RS232信号隔离
2.6 三极管
1) 反射型光电管 这2种产品在市场上又可分为调理好的和没有调理好的； 这2种光电管在电子产品世界和电子技术应用杂志上都有大量的广告。随便找一本都有。 我所说的调理好的指的是内部已经加了限流电阻和输出的放大驱动电路了。它的特点是只有3根线，电源2根，输出信号一根，TTL电平的；但是，有时受到某种限制，需要使用没有调理好的，怎么办呢？ 参见下图：光电管原理框图 这种没有调理好的光电管在使用时，需要做一块小的电路板，在发光管加限流电阻，在光电三极管的集电极加上拉电阻到5V，如下图所示：光电管工作框图1。 但是，在使用中我发现，输出的信号不稳定，尤其是在使用比较长的电缆传输到单片机的时候；究其原因，我认为是由于反射或者对射的红外光落在光电三极管的靶面上，光强未能导致光电三极管深度饱和，使得输出的内阻偏大，环境的噪声和电缆的干扰信号容易在线路上叠加的缘故； 为了可靠工作，仿照达林顿管的结构，在光电三极管的输出端加一个限流电阻接到NPN的B结，当无光的时候，2N5551饱和导通，输出电压为0V；实际测量小于0.1V；当有光，甚至是弱光时，2N5551截至，输出电压为5V。将3K电阻换成更大或更小的电阻，可以调整光电三极管的输出的灵敏度。 具体工作过程可以自行分析，做个实验。
2.6.1 电容的主要种类 电容有以下几大类： 1) 电解电容 电容的指标是：耐压值和电容容量。例如：220u/50V，就是说，这个电解电容耐压值为50V，容量为220u。 电容的容量跟电容的介质有关。 顾名思义： 电解电容为电解质作为介质的，铝作为电极； 独石电容是使用石头作为介质的； 磁片电容是磁片作为介质的； 胆（左金右旦）电解电容使用电解质作为介质，但是，电极采用胆（左金右旦）金属。 有兴趣的网友可以拆一个电容看看。 |
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