時間：2023-12-20 15:18:47
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，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篇電路板優化設計，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞:聯合測試行動組;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
聯合測試行動組于1987 年提出了邊界掃描技術, 并于1990 年被IEEE接納, 形成了IEEE1149. 1 標準。邊界掃描技術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,未能實現它應有的作用。
1 使用誤區
過去形成的一些誤解妨礙了邊界掃描技術在測試中的應用,主要有以下幾個方面需要注意 [1]。
1.1 成本
人們對于產品成本的增加非常敏感。實際上,為了實現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時間的縮短彌補回來。支持邊界掃描的數字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,設計人員仍可利用邊界掃描有效地完成對PCB的測試。只要設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,因此設計人員在電路板上已經擁有了數百個測試點。工具供應商提供的參考資料都給出了如何利用CPLD和FPGA實現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),并花費數周的時間將設計轉換為邊界掃描測試向量。現在,測試開發工具可利用原理圖和網表,再結合IC供應商提供的BSDL文件,即可快速生成測試向量。測試開發時間的縮短,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可大量減少測試點,由此所節約的空間遠遠超過邊界掃描器件所需要的空間。最終效果是設計所需要的空間減小,從而使電路板尺寸更小,層數更少。
2 邊界掃描的硬件結構
JTAG標準的核心思想是在芯片管腳和芯片內部邏輯之間, 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指令的作用下讀出輸出引腳或輸入引腳的狀態,可進行芯片級、板級互聯甚至系統級的測試。
JTAG為邊界掃描結構定義了測試存取口TAP(test acess port)、TAP 控制器、測試數據寄存器和指令寄存器4個基本的硬件單元。其中,測試數據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構[2]。
2.1 測試存取口( TAP)
JTAG規定了4 條測試總線,也稱為測試存取口( TAP) ,分別是:測試數據輸入總線( TDI) ,用來接收測試數據和測試指令; 測試數據輸出總線( TDO) ,用來測試數據的輸出; 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、數據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用的。TAP 控制器實際上是包含16 態的狀態機,產生時鐘信號和各種控制信號(即產生測試、移位、捕獲和更新等信號),從而使指令或測試數據移入相應的寄存器,并控制邊界掃描測試的各種工作狀態。并在指令寄存器的配合下產生復位、測試、輸出緩沖器允許等信號。測試數據的捕獲、移位、更新都必須在TAP 控制器進入到相應的狀態下才能進行。圖2 為TAP 控制器的狀態機,左邊是數據寄存器(DR) 分支,右邊是指令寄存器( IR) 分支,狀態轉換的條件就是TMS 的值。TAP 控制器被初始化為Test_Logic_Reset 狀態,發出復位信號,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 進入數據寄存器掃描選擇狀態( Select _DR_Scan) 或者指令寄存器掃描選擇狀態(Select_ IR_Scan)。在Capture 狀態,捕獲指令信息或者數據;在Shif t狀態,數據進行移位操作;在Pause 狀態,移位停止,對寄存器重新加載測試向量;在Update 狀態,移入掃描通道的數據將被輸出。
2.3測試數據寄存器
邊界掃描寄存器(boundary scan register)構成邊界掃描路徑,它的每一個單元由存儲器、發送/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 加入的數據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據寄存器的數據旁路掉以減少不必要的掃描時間。
2.4 指令寄存器
為了執行不同的測試和選擇實際的數據寄存器,除了TAP 控制器和數據寄存器之外,還需要有指令寄存器IR。指令寄存器進行指令的譯碼,向各數據寄存器發出各種操作碼,并確定邊界掃描工作方式。J TAG標準中定義了大量指令,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點
利用邊界掃描測試技術,可以比較全面地了解集成電路芯片的內部故障、電路板的互連以及相互間影響。有效地克服了傳統測試方式的不足,節約了測試時間和測試成本,極大地方便了系統電路的調試。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指令到指令寄存器來選擇。
3.1 內部測試 ( INTEST)
內部測試方式用于測試電路板上集成電路芯片的內部故障,可以通過INTEST指令來選擇執行。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圖形。根據輸入圖形和輸出響應,可以對電路板上各芯片的內部工作狀態做出測試分析。
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)
流過器件管腳的數據被截取,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據,而輸出單元并行裝載輸出引腳的數據。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、輸出引腳的數據流。
4 優化建議
邊界掃描測試能準確地定位芯片的故障,迅速準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,仍需要對其進行優化設計,以利于更好的普及應用。針對它的優化問題提出幾點建議[3]。
4.1 掃描鏈路優化
邊界掃描技術中,邊界掃描鏈路的串行移位使得單條邊界掃描鏈路會導致很長的測試應用時間,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,則可以實現測試的最好性能。如何對掃描鏈路進行動態配置是一個重要問題。
4.2 測試流序列優化
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。通過適當地縮減串行測試流,可以減少測試施加時間。這個方面值得研究。
4.3 測試向量集優化生成方法研究
在邊界掃描測試中,合理優化地生成測試向量集是進行有效測試的關鍵。
4.4 板級可測性設計優化方法研究
基于邊界掃描的電路板測試性設計方法在改善電路板測試性的同時,也增加了電路板設計的復雜性。因此,必須進行設計復雜性和測試性改善的綜合權衡,實現二者的折衷,即進行電路板的測試性優化設計。
5 結束語
J TAG提出的邊界掃描機制提供了一套完整的、標準化的測性設計方法,是測試技術的一次飛躍。它不僅能測試集成電路芯片的輸入、輸出管腳的狀態,而且能夠測試芯片內部工作情況以及引線級的斷路和短路故障,且能實現高精度的故障定位。考慮到邊界掃描測試技術和TAP體系結構所提供的諸多優點,應當認真考慮應用IEEE1149.1標準來解決數字ASIC的測試問題。
參考文獻:
[1] 蔚英輝. 測試技術的飛躍――邊界掃描技術[J]. 電信技術, 2002, (2): 75-77.
關鍵詞：EDA技術 電子工程 作用
EDA是電子設計自動化(Electronic Design Automation)的縮寫,是從CAD(計算機輔助設計)、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)的概念發展而來的。EDA技術是以計算機為工具,集數據庫、圖形學、圖論與拓撲邏輯、計算數學、優化理論等多學科最新理論于一體,是計算機信息技術、微電子技術、電路理論、信息分析與信號處理的結晶。
一、EDA技術的特點
1.現代化EDA技術大多采用“自頂向下(Top-Down)”的設計程序,從而確保設計方案整體的合理和優化,避免“自底向上(Bottom-up)”設計過程使局部優化,整體結構較差的缺陷。
2.HDL給設計帶來很多優點:①語言公開可利用；②語言描述范圍寬廣；③使設計與工藝無關；④可以系統編程和現場編程,使設計便于交流、保存、修改和重復使用,能夠實現在線升級。
3.自動化程度高,設計過程中隨時可以進行各級的仿真、糾錯和調試,使設計者能早期發現結構設計上的錯誤,避免設計工作的浪費,同時設計人員可以拋開一些具體細節問題,從而把主要精力集中在系統的開發上,保證設計的高效率、低成本,且產品開發周期短、循環快。
4.可以并行操作,現代EDA技術建立了并行工程框架結構的工作環境。從而保證和支持多人同時并行地進行電子系統的設計和開發。
二、EDA技術的發展過程
EDA技術的發展過程反映了近代電子產品設計技術的一段歷史進程,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,當時中小規模集成電路已經出現,傳統的手工制圖設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設計,將產品設計過程中高重復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,設計規則檢查,解決晶體管級版圖設計、PCB布局布線、門級電路模擬和測試。
2.發展階段:20世紀80年代是EDA技術的發展和完善階段,即進入到CAE階段。由于集成電路規模的逐步擴大和電子系統的日趨復雜,人們進一步開發設計軟件,將各個CAD工具集成為系統,從而加強了電路功能設計和結構設計,該時期的EDA技術已經延伸到半導體芯片的設計,生產出可編程半導體芯片。
3.成熟階段:20世紀90年代以后微電子技術突飛猛進,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技術提出了更高的要求,也促進了EDA技術的大發展。各公司相繼開發出了大規模的EDA軟件系統,這時出現了以高級語言描述、系統級仿真和綜合技術為特征的EDA技術。
三、EDA技術的作用
EDA技術在電子工程設計中發揮著不可替代的作用,主要表現在以下幾個方面:
1.驗證電路設計方案的正確性
設計方案確定之后,首先采用系統仿真或結構模擬的方法驗證設計方案的可行性,這只要確定系統各個環節的傳遞函數(數學模型)便可實現。這種系統仿真技術可推廣應用于非電專業的系統設計,或某種新理論、新構思的設計方案。仿真之后對構成系統的各電路結構進行模擬分析,以判斷電路結構設計的正確性及性能指標的可實現性。這種量化分析方法對于提高工程設計水平和產品質量,具有重要的指導意義。
2.電路特性的優化設計
元器件的容差和工作環境溫度將對電路的穩定性產生影響。傳統的設計方法很難對這種影響進行全面的分析,也就很難實現整體的優化設計。EDA技術中的溫度分析和統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、最佳電路結構以及適當的系統穩定裕度,真正做到優化設計。
3.實現電路特性的模擬測試
電子電路設計過程中,大量的工作是數據測試和特性分析。但是受測試手段和儀器精度所限,測試問題很多。采用EDA技術后,可以方便地實現全功能測試。
四、EDA技術的軟件
1.EWB(Electronics Workbench)軟件。EWB是基于PC平臺的電子設計軟件,由加拿大Interactive Image Technologies Ltd.公司研制開發,該軟件具有以下特點:①集成化工具:一體化設計環境可將原理圖編輯、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種分析工具輸出結果等操作在一個集成系統中完成。②仿真器:交互式32位SPICE強化支持自然方式的模擬、數字和數/模混合元件。自動插入信號轉換界面,支持多級層次化元件的嵌套,對電路的大小和復雜沒有限制。只有提供原理圖網絡表和輸入信號,打開仿真開關就會在一定的時間內將仿真結果輸出。③原理圖輸入:鼠標點擊一拖動界面,點一點自動連線。分層的工作環境,手工調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:虛擬測試設備能提供快捷、簡單的分析。主要包括直流工作點、瞬態、交流頻率掃描、付立葉、噪聲、失真度、參數掃描、零極點、傳遞函數、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設計文件夾:同時儲存所有的設計電路信息,包括電路結構、SHCE參數、所有使用模型的設置和拷貝。全部存放在一個設計文件中,便于設計數據共享以及丟失或損壞的數據恢復。⑥接口:標準的SPICE網表,既可以輸入其他CAD生成的SHCE網絡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。廣泛應用的Protel99主要分為兩大部分:用于電路原理圖的設計原理圖設計系統(Advanced Schematic)和用于印刷電路板設計的印刷電路板設計系統(Advanced PCB)。
關鍵詞 碳氫化合物/陶瓷基材料；高頻；混壓；翹曲
中圖分類號：TN41 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）09-0057-01
隨著電子通信技術的發展，通訊頻率越來越高，而高頻信號傳輸，需要采用低介電常數（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品競爭力的一種重要手段，因此，客戶在PCB結構設計上采用混合材料的疊層結構，即必要的信號層采用高頻材料以滿足信號傳輸的需要，其他線路層采用常規玻璃纖維環氧樹脂FR-4材料，我們稱之為混合材料壓合電路板。這樣的設計對成本控制極為有利，但也給電路板的生產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翹曲，造成虛焊、漏焊、無法繼續裝配等問題。
引起混壓結構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 實驗設計
1）疊層結構。
############### 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
設計L23全因子試驗。
2 試驗結果及數據分析
1）全因子試驗的結果，見表2。
2）各因子主效應分析。
FR-4材料Tg值的效應為0.1033，FR-4材料芯板厚度的效應為-0.6138，FR-4材料層的殘銅率的效應為-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力差，達到降低翹曲度的效果。（圖1）
3）各因子交互效應分析。
通過計算，FR-4材料Tg值*FR-4材料芯板厚度的交互效應為-0.1687，FR-4材料Tg值*FR-4材料層的殘銅率的交互效應為-0.1403，FR-4材料芯板厚度*FR-4材料層的殘銅率的交互效應為-0.2872，FR-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為0.0048，且交互作用P值未出現，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，此類板件在資料設計時可根據本文的試驗結論進行優化設計，以避免翹曲影響板件的焊接使用。
【P鍵詞】PCB設計；設置；布局；布線
0 引言
PCB是電子產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，影響著電子產品的工作、使用安全及壽命。因此PCB設計至關重要。本文以數字網線測試儀PCB的設計為例，介紹單片機控制電路PCB設計的一般原則和要求，提高電子產品的使用可靠性、安全性，延長電子產品的使用壽命，為企業提高經濟效益。
數字網線測試儀是一款常用的網線質量測試工具，可以測量網線的通斷、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、網線連接電路，程序下載接口電路、雙色數碼管顯示電路等，具有典型性、代表性。
所設計的數字網絡測試儀電路有一個PQFP-44封裝的STC89C58RD+單片機芯片，體積小，重量輕；二個RJ45網線插座；一個RS232串行通訊接口；16個0.56英寸的一位雙色數碼管；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設計質量的主要因素
很多技術人員可能感覺PCB設計容易上手，但要設計出高水平的PCB，還是會感覺到存在一定的難度，無法滿足電子產品的實用性、可靠性和安全性等性能要求，這需要技術人員長期的實踐及不斷地學習來積累經驗。
筆者從事電子產品設計與開發多年，根據工作經驗，在進行PCB設計時，應根據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設計的關鍵，如數控機床的電腦控制主板，由于當初PCB設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布線的優化設計。在PCB布線時要考慮導線流過的電流、導線之間承受的電壓、導線之間的相互干擾及導線連接的拓撲結構等。如在高電壓的電源電路里面，如果某條導線要流過大電流，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，保證不燒壞銅箔導線。
2 PCB元器件布局設計
數字網絡測試儀的PCB布局設計包括確定電路板尺寸、功能分區及各元器件位置，我們要遵照印制版設計通用標準IPC-2221A，這樣才能設計出符合要求、性能優良的電路板。數字網線測試的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的長寬比例一般設計為3：2或4：3的長方形，也可以根據實際的需要來確定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。數字網線測試儀由于有16個數碼管、一個RS232串行通訊接口等元器件，數量多且封裝絲印面積較大，所以設計此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
PCB元器件布局的層數與電路的復雜性、電路板的尺寸要求和電氣性能等有關，一些比較簡單的電路可以將元器件單層布局，而一些比較復雜的電路的元器件進行雙層布局。數字網線測試雖然元件多，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網線插座，底層布局，用于連接測試用的網線，影響不大。
2.3 確定單元電路分區的布局
單元電路合理分區，有利于電路可靠、穩定地工作，方便電路的檢查和維修。單元電路的分區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。各分區電路盡量相互獨立，互不干擾。數字網線測試儀按電路的結構、功能進行PCB分區，分成：電源電路區，單片機控制電路區，數碼管驅動和顯示電路區，程序下載電路區和網線插座電路區等。
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 相同結構的電路，盡量采用對稱的結構進行元器件的布局，如數字網線測試儀發射數據用的8個雙色數碼管顯示電路與接收數據用的8個雙色數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，后根據核心元器件來合理放置體積較小的元器件，并要根據電路信號流程和元器件引腳的連接關系等來擺放。
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律。
2.4.3 各N連接端口（如RJ45網線插座、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元器件的布線設計
布線是PCB設計重要的一環。布線要根據工藝要求來確定布線的層數、導線的寬度、安全間距等。數字網線測試的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
PCB布線的層數與電路的復雜性、電路板的尺寸要求和電氣性能等有關。數字網線測試雖然元件多，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 確定導線的寬度
導線的寬度設置一定要考慮導線中流過的最大電流，如果導線寬度過小會燒掉線路板；導線過寬會影響布線，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。數字電路PCB地線可用粗導線來構成一個回路，即組成一個地網絡來使用，但模擬電路不可以使用這樣的地。
3.3 確定導線之間的安全間距
導線的安全間距（即導線最小間距）與導線間的電壓有密切關系，可根據IPC-2221標準推算出。安全間距過小，有可能導線間擊穿短路；安全間距過大，也會造成PCB布線困難。要計算導線之間的電壓比較困難，在實際應用時，導線之間的安全間距可采用“3W規則”來確定，即兩相鄰導線的中心間距要大于3倍的導線寬度。要使電路達到優良的抗干擾性能，相鄰導線間距要大于10W。
3.4 導線與過孔的設置
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。過孔大小和數量的合理設置，提高布線效率。過孔的大小一般設置為0.7-1.27mm，如果布線的密度較高時，可適當減小過孔的大小，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 電氣規則檢查
PCB布完線后要進行DRC電氣規則檢查，以保證PCB布線的電氣性能。主要檢查PCB有無漏掉布線、安全間距違規等，發現有違規，需要及時排除，保證PCB的質量。
3.6 覆銅
在DRC電氣規則檢查沒有問題后，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，減小環路面積。
4 結束語
本文通過介紹了數字網絡測試儀的PCB布局和布線設計過程、要求和規則，并經過實際的制板、元器件安裝、調試、測試及使用，完全可以達到實際產品使用的要求。PCB設計合理，符合工藝規范，為其它技術人員設計PCB提供了一定的參考價值。
【參考文獻】
關鍵詞：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
鉆井是石油生產各個環節中投入最大、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、提高經濟效益有著巨大的作用。鉆柱振動作為導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過振動、沖擊實驗。
以下幾幅圖是振動實驗的基本內容。包括振動和沖擊2大實驗內容，每個實驗內容包括橫向和縱向兩個方向。
國內外的幾大油田服務公司均制定了自己的振動、沖擊試驗標準。只有達到試驗標準的儀器才允許下井作業。
隨鉆儀器是井下精密的探測設備，其結構的復雜程度要遠遠高于普通的鉆柱。隨鉆儀器的防震設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，隨鉆儀器還經常有一些極為精密的關鍵部件，如一些光學、聲學傳感器，這些相對脆弱的部件出現微小的變化，則測出的數據將有巨大偏差；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。減震隔振的設計也有較大的難度。
二、隨鉆儀器的防震方法
根據防震的對象和目的，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結構。如圖5，卡環將零件限位，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化設計，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。則防震設計上較多應用了彈性零部件，如彈簧、橡膠墊、橡膠減震環等等。這與常規設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。其中最令設計者關注的是對隨鉆儀器中關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大大頻率范圍內。簡單的彈簧橡膠零件的隔振方法，由于其彈性及阻尼系數均已固定，很難在寬頻內隔離振動。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節阻尼，且具有較大位移量的減震器，在汽車領域已經廣泛應用。所謂他山之石，可以攻玉，液壓減震器完全可以應用在隨鉆儀器中。
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構。其中彈簧兩端與活塞和端蓋固定，起復位作用，保證活塞處于活塞缸中部；活塞移動時油缸內液壓油流經阻尼調節閥時產生阻力，通過阻尼調節閥便可對減震器的阻尼進行調節。在井下可將手動阻尼調節閥改為可遠程控制的節流閥。這樣可隨鉆柱固有頻率變化而調節減震系統的固有頻率，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為減震目標零件和減震器的質量和；k為彈簧的彈性模量；取減震系統的固有頻率τ為振動實驗最小頻率的1/2，則τ=1Hz，根據公式（1）可計算出k值。
由于阻尼的計算對實際阻尼調節閥的指導意義不大。所以阻尼的大小無需計算，而是通過試驗方法獲得阻尼調節閥的最佳位置。
四、結論
隨鉆儀器的復雜結構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廣泛應用的液壓減震器，提出了隨鉆井下液壓減震器的設計方案。為隨鉆儀器減振隔振設計提出一種新的思路。
參考文獻
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[2]馬志宏，李金國，軍用裝備抗振動、抗沖擊設計方法，裝備環境工程，2006（10）：72.
[3] 李子豐，張永貴，侯緒田，劉衛東，徐國強. 鉆柱縱向和扭轉振動分析，工程力學，2004，（12）：1.
[4]劉偉，周英操，王先國. 井下振動控制技術研究，石油鉆探技術，2010，（1）：46.
[5] 中海油服企業標準。《隨鉆井下儀器振動沖擊測試規范》
【關鍵詞】多層印制板；反鉆孔
一、前言
在國外軍事電子技術發達的國家中，相控陣雷達用微波印制基板的制造技術處于領先地位。其中多層微波印制板的制造研究，都是在技術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。其中包括微波介質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控銑加工等制造技術。
目前，國內廣大印制電路板制造企業所開展的工作僅局限于高速邏輯信號傳輸類電子產品所需的低、中頻多層印制電路板的研究、開發與制造。其所選用的主要印制基板材料，大多為適合低、中頻信號傳輸用環氧樹脂類絕緣介質材料。
鑒于高頻信號傳輸的特殊性，其主要將涉及到各類微波功能基板多層化制造技術、平面埋電阻制造技術、層間絕緣介質厚度控制技術、多層微波印制板各層間圖形高重合度技術、各類微波介質材料孔金屬化互連制造技術以及三維數控加工技術。這些，都是目前國內印制電路行業尚未實現的技術，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，鑒于設計需求之獨特性，需解決金屬化孔互連之反鉆孔技術。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簡介
2.1 設計需求金屬化孔互連簡介
有源饋電網絡綜合了高性能、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計和制造帶來了很大難度。為此，將不同的功能分別設計在不同的層上，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構中，通過多種類型金屬化孔的制造，實現直流互連。
垂直互連是微波多層電路中實現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，由于工作在X波段，且帶寬很寬，所以金屬化孔的電路優化設計非常重要。
此項技術的運用，尚屬本所印制板加工之首次。鑒于設計互連之要求，通過傳統的金屬化孔制作，結合多次層壓技術，無法實現設計互連功能。因此，反鉆孔技術的運用便成為此次課題成功與否之必然。屬于關鍵技術當之無愧。（見圖2、3）
2.2 各類金屬化孔互連制造
此次課題研究，根據設計層間互連要求，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微波介質多層板的特點（含有PTFE），采用等離子處理新技術，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。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
鑒于此次課題設計中，提出了背靠背互連盲孔制造的要求，必須通過設計層次的層壓制作、金屬化孔制作、反鉆孔制作才能實現。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。“反鉆孔技術”的運用，是在前期金屬化孔制造的基礎上，通過反鉆孔控制深度的技術，來實現局部盲孔互聯。具體措施如下：
① 選用可控制鉆深的數控鉆床進行反鉆孔制作。
② 模版制作時，設計出3-Φ30+0.03定位孔，中心對稱；印制板正反面設計出反鉆孔定位零位直角座標；生成反鉆孔位置座標。
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） 數控鉆孔；
（3） 等離子處理、化學沉銅、全板加厚；
（4） 外層圖形轉移；
（5） 工藝部705室反鉆孔（其中，一種座標孔僅為正面8-1-1反鉆；另一種座標孔為正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據。
3.2 圖像采集單位換算
（1） 此次，FR-4單片，介質厚度為0.5mm，外層銅箔厚度為0.035mm；
（2） 電腦圖像采集測量，內層銅厚度為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如下：
（1） 從此次試驗結果分析，出現了下述各種情況：
① 反鉆深度未至內層銅，距離為一個內層銅厚度； （見圖7）
② 反鉆深度剛好至內層銅；（見圖8）
③ 反鉆深度超過內層銅，達至一半銅厚度；（見圖9）
④ 反鉆深度超過內層銅。（見圖10）
（2） 部分反鉆孔深度超要求主要原因：
按照設計要求（0.1mm），結合多層板各介質層厚度統計，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：
兩個內層銅厚度（0.07 mm）。
（4） 數控反鉆孔設備：
名稱：HAAS VF-3
產地：美國HAAS公司
精度：定位精度±0.005mm，重復定位精度±0.0025mm
【關鍵詞】電子工程設計 EDA技術 研究分析
隨著電子技術的發展革新，應用系統逐步朝向大容量、小型化、快速化的方向發展。數字化的設計系統也逐步由組合芯片向單片系統發展。EDA技術不僅帶來了電子產品領域和系統開發的革命性變革，這也是科技發展與提高的必然產物。對于EDA技術的了解和對其在電子工程設計中的關鍵性分析都是十分有意義的。
1 EDA技術概述
所謂EDA技術，就是電子設計自動化，由CAE、CAD、CAM等計算機概念發展出現。EDA技術以計算機為主要工具，集合了圖形學、數據庫、拓撲邏輯、優化理論、計算數學、圖論等學科，形成最新的理論體系，是微電子技術、計算機信息技術、電路理論、信號處理和信號分析的結晶。現代化的EDA技術具備很多特點，普遍采用了“自頂向下”的程序進行設計，保證了設計方案的整體優化，EDA技術的自動化程度更高，在設計過程中能夠進行各類級別的調試、糾錯和仿真，設計者能夠及時發現結構設計的錯誤，避免了設計上的工作浪費，設計人員也能拋開細枝末節的問題，將更多精力集中于系統開發，保證了設計的低成本、高效率、循環快、周期短。EDA技術還能實現并行操作，建立起并行工程框架的結構環境，支持更多人同時并行電子工程的技術開發和設計。
2 EDA技術發展
電子工程設計的EDA技術自出現以來，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技術處于CAD階段，出現了小規模的集成電路，由于傳統手工在制圖設計中的集成電路和集成電路板的花費大、效率低、周期長，借助于計算機技術的設計印刷，采取了CAD工具實現布圖布線的二維平面編輯和分析，取代了高重復性的傳統工藝。
2.2 發展階段
到了二十世紀八十年代，EDA技術進入了發展完善的階段。集成電路的規模逐漸擴大，電子系統日益復雜化，人們深入研究軟件開發，將CAD集成為系統，加強了電路的機構設計和功能設計，這一時期的EDA技術已經開始延伸到半導體芯片設計的領域。
2.3 成熟階段
經過了長期的發展，直至二十世紀九十年代，微電子技術的發展突飛猛進，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，這種科技現狀對EDA技術提出更高的要求，推動了EDA技術的發展。各類技術公司陸續開發出大規模EDA軟件系統，出現了系統級仿真、高級語言描述和綜合技術的EDA技術。
3 EDA技術軟件
3.1 EWB軟件
所謂EWB是一種基于PC的電子設計軟件，具備了集成化工具、仿真器、原理圖輸入、分析、設計文件夾、接口等六大特點。
3.2 PROTEL軟件
該技術軟件廣泛應用了Prote199，主要由電路原理圖的設計系統和印刷電路板的設計系統兩大部分組成。高層次的設計技術在近年的國際EDA技術領域開發、研究、應用中成為熱門課題，并且迅速發展，成果顯著。該領域主要包括了硬件語言描述、高層次模擬、高層次的綜合技術等，伴隨著科技水平的提升，EDA技術也必然會朝向更高層次的自動化設計技術不斷發展。
4 EDA在電子工程設計中的應用技術流程
近年來的EDA技術深入到了各個領域，包括了通信、醫藥、化工、生物、航空航天等等，但是在電子工程設計的領域中應用的最為突出，主要利用了EDA技術為虛擬儀器的測試產品提供了技術支持。EDA技術在電子工程設計的領域中，主要應用于了電路設計仿真分析、電路特性優化設計等方面。主要的技術流程如下：
4.1 源程序
通常情況下，電子工程設計首要的步驟就是通過EDA技術領域中的器件軟件，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，都需要應用EDA工具進行排錯和編譯的工作，文件能夠實現格式的轉化，為邏輯綜合分析提供了準備工作。只要輸入了源程序，就能夠實現仿真器的仿真。
4.2 邏輯綜合
在源程序中應用了實現了VHDL的格式轉化之后，就進入了邏輯綜合分析的環節。運用綜合器就能夠將電路設計過程中使用的高級指令轉換成層次較低的設計語言，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計的目標優化過程，將文件輸入仿真器，實施仿真操作，保持功效和結果的一致性。
4.3 時序仿真
在實現了邏輯綜合透配之后，就可以進行時序仿真的環節了，所謂的時序仿真指的就是將基于布線器和適配器出現的VHDL文件運用適當的手段傳達到仿真器中，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果較為精確。
4.4 仿真分析
在確定了電子工程設計方案之后，利用系統仿真或者是結構模擬的方法進行方案的合理性和可行性研究分析。利用EDA技術實現系統環節的函數傳遞，選取相關的數學模型進行仿真分析。這一系統的仿真技術同樣可以運用到其他非電子工程專業設計的工作中，能夠應用到方案構思和理論驗證等方面。
5 結束語
伴隨著科學的發展，技術的革新，EDA技術的領域也在向高層次的技術推廣和開發，成效十分顯著。本篇論文我們對EDA技術的相關信息進行了詳細的分析很研究，研究表明，EDA技術對于我國的電子工程設計改革具有巨大的推動力，基于EDA技術領域的電子產品在專業化程度和使用性能上都要比傳統的設計方案制造的產品更加優化。將EDA技術應用到電子工程設計的領域當中，對于電子產品的優化和工作效率的提高以及產品附加值的拓展都有很大的作用。
參考文獻
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【關鍵詞】液晶玻璃;整體模組;一體化結構
1.發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展。2008年以來，我國為了經濟的持續發展，進一步實行擴大內需的政策，以利國、利企、利民為原則，實行了惠農政策，財政部開展家電下鄉，并在國家的“十二五”規劃中把電視機的研發作為國家信息產業的重點項目。因此，本文以電視一體化結構的優化設計來加以研究，不僅對我國企業的技術創新有重要作用，而且對我國的經濟結構的戰略性調整，與世界經濟發展接軌有促進作用。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，各大電視企業要想在目前的市場競爭中占據不敗之地，必須積極地進行創新，實現電視機在提高產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設計，而由于面板技術、電路技術、注塑技術的限制，液晶電視要突破再薄1mm都相當困難，對電視一體化結構進行優化設計，可以使液晶模組的成本降低20%以上，從而達到了節時、節材、節能的設計理念，為企業創造更多的價值，提高企業的效益，使得企業在市場競爭中立于不敗之地。
2.整機模組一體化結構的概念
整機模組一體化結構，也就是說，把整機結構與模組結構整合在一起，實現一體化設計生產。與新的一體化結構的液晶電視相比，傳統的液晶電視結構通常以顯示屏與其他結構件相結合的組成方式，顯示屏是其中的一個整體組件，采購模組生產線主要生產顯示屏，然后整機生產線用剛生產的顯示屏通過組裝的方式生產出電視整機。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）。而新的一體化結構對驅動電路、液體模組結構以及一體化電源進行了深入的研究。具備了傳統技術所不具備的優點。第一，一體化結構可以達到結構件復用，使得結構件數量減少，從而把物料的成本降到很低。第二，一體化結構設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，改進后的生產線使得整機組裝和模組組裝結合在同一個生產流水線上，減少了人力，避免了以往屏體的運輸或周轉等帶來的用費，節約了時間，減少了用費。提高了生產效率，從而降低了產品成本，增加了收益。
3.一體化結構的優化設計
3.1 普通液晶模組的構成
一般意義上液晶模組結構的核心是由以下幾部分組成，如下圖2所標示。
3.1.1 背光部分
要想使液晶電視變得輕薄，背光部分是開發的重要區域，它是電視機的發光源，主導液晶模組的發光裝置，它的重量和厚度在液晶模組中占相當大的比例。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、制造設備的要求都很高。
3.2 通常液晶電視結構邊緣的局部剖面由以下構成
如圖1所示：虛線部分是顯示屏構件，實線部分是整機結構件。整機部分的核心結構件包含后殼、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 普通液晶電視結構邊緣局部剖面圖
3.3 一體化結構技術方案（如圖2所示）
整機模組的一體化結構設計方案如下：分拆原來的顯示屏背光模組結構，之后結合整機的前殼和后殼進行整體設計。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鍵部件和玻璃都安裝在背板與面殼形成的封閉空間的內側，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。
普通電視的整機結構和通常整機模組的一體化結構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 一體化結構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構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構形式上發展而來的一種新型的一體化結構形式。從前部分依次向后部分安裝，安裝的過程中不需要翻轉。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膜片、導光板，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 常規一體化結構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，實際在后續實際生產過程中出現了一系列的問題。第一，這種結構的安裝是以面殼為基準，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，但其熱膨脹系數比較大。和面殼相比，面殼一般為框式結構，如果用塑膠件，就會出現裝配變形的問題。因此，一方面，在組裝光學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，光學部件的安裝一般以中框為基準，而中框又以面殼為安裝標準，這樣使得精度達不到，整機背光的光學性能得不到控制。總之，這樣的工藝使得生產一臺電視機所需的勞動時間增加，成本增加，勞動生產率降低，不能達到目前發展的要求。
3.4 一體化結構的優化設計
鑒于上述論述中原有的模組結構的弊端，以下將以原來的模組結構為基礎，對電視的一體化結構進行優化設計。
如圖4所示：我們對電視的裝配方式進行調整：首先把背板作為基準，安裝背光部分于背板內，然后再安裝液晶玻璃，之后安裝前框，也即面殼，通過翻轉，再安裝整機模組的其他部分。這種安裝順序對于生產檢測有利，從而提高生產率。
如圖4所示：這是電視一體化結構的優化設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，先安裝燈條，放入反射膜、導光板、光學膜片，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，用卡鉤結構固定，翻轉，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，實現審美大的要求。
圖4 一體化優化結構的局部剖視圖及裝配流程
對比兩種安裝方式可發覺：電視一體化優化設計后的安裝方式與傳統的安裝方式完全相反，而且在安裝的過程中需要翻轉，這樣的安裝方式看起來很繁瑣，但卻在實際的生產中發揮著很大的作用。這樣的安裝以背板為基準，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構，在安裝過程中不易產生變形，這與面殼的框式結構截然不同。
4.結語
通過對液晶電視一體化結構的優化設計，改變了原來的安裝程序，攻破了原有的難題，降低了企業的成本。實現了目前消費者對于電視性能和審美的要求。相信通過不斷地創新，電視會越來越滿足人們的需求。
參考文獻
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關鍵詞：綜合實訓 綜合素質 制作 電子產品
寧夏工商職業技術學院《應用電子》專業的前身是原寧夏商業學校中職層次的家用電器維修專業。該專業創辦于1980年，是寧夏第一個培養家用電器維修人才的基地。2003年，隨著學院的合并、重組，更名為《應用電子》專業，并升格為高職。經過二十多年不斷地建設與發展，本專業不僅為寧夏本地區乃至周邊地區培養了一大批應用電子專業技術方面的專門人才，搭建起了設備較完善的教學平臺，也造就了一批高素質的師資隊伍。
《綜合實訓》課是我們在總結過去教學經驗的基礎上于2004年專門針對高職學生開設的一門具有獨創性的實踐性教學課程。
《綜合實訓》課的設計思想是：因材施教，充分發揮每個學生的潛能，強調發展學生的個性；強調培養具有創新激情、想象能力的人才；強調在著力培養學生綜合素質的基礎上，突出創新意識，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》課的教學方法，采用開放式教學形式，沒有教材、沒有大綱、沒有實訓指導書，只有一個總的時間安排和一個總的教學目標。即：在規定的時間內，要求每個學生根據自己學過的知識及自己掌握的程度，獨立設計并制作出一個具有一定使用價值的電子小產品，并寫出較為詳細的設計和制作報告。
《綜合實訓》課的先修課程是《電路分析》、《模擬電子線路》、《數字電路》、《高頻電路》。
《綜合實訓》課的總體要求是，電子小產品的功能構想、電路原理圖的設計、所用元器件的選擇、印刷電路板的設計與制作、原件的焊接與組裝、整機參數的調試，所有環節都由學生自己獨立完成。指導教師只起輔導、解疑的作用。
《綜合實訓》課的技術要求是：每個學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品，而不是單元電路，制作產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》課的評價體系是：根據每個學生制作出來的電子產品的復雜程度，涉及知識面的廣度，電路設計的科學性，選用元件的合理性及產品制作的工藝性來評定。分優、良、合格、不合格四個等級。
《綜合實訓》課學生成績的評定方法是，產品制作出來之后，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，然后由指導教師組織全班學生集體研討，并依據評價體系中規定的五個方面進行評價，給出評語，最后由指導教師在學生評價的基礎上打出一個合理的成績。
2005年第2學期，我們在04級應用電子專業開設了《綜合實訓》課，每周4課，全學期共72學時，共分為四個階段。第一階段為構思、選項階段，大約用了兩周時間。這一階段的主要任務是：查資料、選項目，并進行可行性論證。第二階段為電路的設計與修改階段，大約用8周時間。這一階段的主要任務是：根據選定的項目，設計電路圖，在指導教師的幫助下，改進和優化設計。在實驗臺上進行可行性實驗。第三階段為產品的制作、調試階段，大約用4周的時間。這一階段的主要任務是：設計并制作印刷電路板、焊接電子原件、調試設計參數。第四階段為總結、驗收階段，大約用4周時間。這一階段的主要任務有三項：一是寫實訓報告，二是作品的展示、研討，三是評定成績、總結經驗。
《綜合實訓》課采用了開放式的教學方法，取得了比預想還要好的結果。每個學生都能按照自己選定的目標，積極主動地完成任務。由于目標的難易程度不同，從而為不同層次的學生充分展示自己的才能提供了廣闊的空間。平時學得稍微差些的學生，設計并制作了比較簡單的電子小產品，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。平時學得稍微好的學生設計并制作了比較復雜的電子小產品，如紅外線報警器、頻率計、電子時鐘等。學生的部分作品還參加了當年學院舉辦的教學成果展覽，受到自治區教育廳及學院領導的高度贊揚。
通過《綜合實訓》課的教學，不僅培養了學生的綜合素質和創新能力，更重要的是使不同層次的學生都獲得了成就感，增強了自信心，提高了學習興趣，為進一步學好專業課打下了良好的基礎。這一教學成果在以后的專業課教學中得到了充分的印證。
組裝黑白電視機是我們的傳統教學內容，過去學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關系不熟悉，焊接電子元件的功夫不到位等原因，裝機時經常出現元件插錯，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》課的第一次組裝黑白電視機實訓教學，由于學生已有了較扎實的基本功，大部分學生具備了獨立完成組裝的能力，我們只派了1名指導教師，該教師也只起監督進度的作用，結果提前完成了裝機任務，一次成功率達100％。
2006年7月份，實施開放式教學后的第一批畢業生，參加國家技術等級考核，全部拿到了相應的等級證書，經用人單位考核面試，均按本人意愿實現了對口就業。2006年10月份，我們對大部分畢業生和用人單位進行了回訪。企業普遍反映，這批學生與往屆學生相比基本功更扎實，一到崗就能勝任工作，企業需要的就是這樣的人才，目前畢業生供不應求。
經過幾年的實踐與探索，我們總結出了一下幾點體會：
1. 實施開放式教學，改變傳統的實訓模式，變固定的產品組裝、調試為學生自主設計、組裝、調試，提高了學生的自主性，有助于學生全面運用所學知識，培養觀察問題、分析問題、解決問題的能力，是對學生綜合素質的極好鍛煉。
2. 實現開放式教學，充分體現了因材施教的原則，使不同層次的學生都能在原有的基礎上得到提高。打破了傳統的評價體系，變橫向比較為縱向比較，強調結果，更注重過程，使每個學生都獲得了成就感，增強了自信心，提高了學習興趣。
3. 《綜合實訓》課只是整個實踐性教學鏈條上的一個環節，它只強調學生個性的發展，而不能取代具有共性的課程實驗、課程設計、專業實訓和畢業實習。只有全面加強實踐性教學，才能凸顯職業技術教育的特點，培養出合格的人才。
4. 學生自己設計電子小產品，其結果必然是五花八門，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，在調試過程中會遇到問題，會有反復，這樣一來，學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，對指導教師提出了更高的要求，教師既要對學生進行理論設計的指導、把關，又要指導學生進行實際的組裝與調試，隨時解決出現的問題，因此，對指導教師的業務水平有了更高的要求。
6. 實施開放式教學，要求學生做出電子產品，必然會消耗大量的電子元件，加大了教學成本，如何以最小的代價取得最大的效益是必須考慮的問題。
經過幾年的實踐探索，我們深深地體會到，在應用電子專業開設《綜合實訓》課，并采用開放式的教學方法，對提高學生的動手能力，增強學生的創新意識，進而提高學生的綜合素質是非常必要的，也是切實可行的。我們將繼續努力，不斷探索、完善教學方法，以達到更好的效果，為社會培養出高素質的應用性人才。
參考文獻：
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關鍵詞 船舶；密閉艙室；爬壁機器人；檢測；結構設計；有限元分析
中圖分類號：TP242 文獻標識碼：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、因設備故障等造成重大傷亡事故。為避免此類事故的發生，文獻[2]提出了利用機器人代替人來進行船上危險環境檢測的思想。文獻[3]～[5]設計研究了船舶外表面作業機器人，為船舶密閉艙室探測機器人的設計研究提供了可借鑒的方式方法。本文根據船舶艙室鋼架結構特點設計了新型永磁吸附爬壁機器人，其可應用在如壓載艙、貨艙等船舶密閉艙室。通過結構設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，如搭載相關設備（氣體檢測器、攝像頭等）即可完成相應的作業，可實現機器人代替人來完成危險作業的
功能。
1 爬壁機器人的本體結構設計
1.1 關鍵技術選擇
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，而本機器人設計應用于船舶鐵磁壁面，因此選用永磁吸附方式比較簡單經濟，同時通過合理的設計安裝磁鐵的結構，根據搭載設備的負載大小增減磁鐵數量，這樣即可保證增減吸附力又能靈活地適應壁面。
2）移動方式選擇。
通過表2的比較分析，本設計選用雙履帶的移動方式，雖然結構上復雜，但其接觸面積達、重心低、穩定性好，可增加負重且便于攜帶作業工具。另外，履帶是鉸鏈連接的，具有一定的柔性，能夠適應壁面的曲率變化，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計了永磁吸附雙履帶驅動式爬壁機
器人。
1.2 結構設計
利用Solidworks對機器人底盤結構進行建模，如圖1。1是本體前部結構，設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盡量保證機器人重心靠后且貼近壁面。
圖1 機器人本體結構solidworks建模
2 爬壁機器人的磁吸附設計
2.1 永磁材料的選擇
當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現商品化性能最高的磁鐵，機械加工性能相當好。本作品選用釹鐵硼永磁材料的型號為N35[6]。
本文設計選用尺寸規格為20*10*2的長方體結構釹鐵硼永磁鐵。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 永磁吸附優化設計
在實際設計過程中，經過反復調試，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
無論是設計以提供磁場為目的還是以產生指定的力學行為為目標的永磁結構，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磁場。
本文在簡化的物理模型、數學模型以及求解方法[7]基礎上，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，所以只需選擇相應的介質材料即可。然后進行相應邊界條件設置、網格劃分、參數選擇和求解設置等，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，當機器人質量為1kg時，橡膠履帶和鐵質墻壁間的摩擦系數為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
爬壁機器人由主動輪運動帶動前進、后退以及轉向。一對主動輪通過減速裝置各與一個直流電機相連，當兩個電機以相同的轉速向相同方向轉動時，機器人完成前進、后退。當左邊的電機轉動，右邊的電機停止時，機器人右轉；反之，左轉。
控制系統采用兩級控制結構，保證爬壁機器人的實用性和可靠性。上位機可根據實際作業需要安裝在易操縱位置，下位機安裝于機器人本體，控制系統包含了伺服電機驅動模塊、無線收發模塊、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 結束語
通過在船舶模擬艙室試驗，機器人可達到預期的要求，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，通過調試，實現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，可以通過配套設計的遙控裝置實現遠程操作，控制機器人前進、后退以及轉向。因此根據船舶作業任務要求，通過簡單改造并搭載檢測設備，便可實現此爬壁機器人代替船員完成相應作業任務。
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1電源設計要點
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］，兩者相比各有優勢，鋰電池和鎳氫電池在實際應用中主要有以下區別：（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［2－3］，鎳氫電池有記憶效應。（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品的安全標志的審核發放，可以使用錳酸鋰電池或磷酸鐵鋰電池，且電池組總容量不大于5A•h。
1．2安全柵保護方式設計
煤礦井下的電源首先需要考慮本質安全電路的設計。本質安全電路是指正常工作和規定的故障條件下，產生的任何電火花或任何熱效應均不能點燃規定的爆炸性氣體環境的電路［4］。本質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式保護，當出現過流現象時，可以通過采樣電阻、比較器很快地關斷開關管，實現本質安全保護［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致設備重啟，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，限制負載電流在限流值。這種方式的最大優點是可以實現全載啟動，缺點是限流時開關管會承受限流值電流與輸入電壓所產生的較大損耗。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，當流經R0的電流超過限定值，三極管T2由飽和導通區進入放大區，超過調節設定的時間，則來自比較放大電路的控制信號將三極管T2或MOS管T1關閉。（a）保護電路（b）輸出特性曲線
1．3電池升壓電路優化設計
通常便攜式電子設備需要用到5V電源，電池電壓需要經過升壓才能達到5V，即要用到Boost變換器。本文以TPS61070應用電路為例進行分析。圖2為TPS61070應用電路，電池電壓由升壓電路變換至5V、200mA輸出。圖2TPS61070應用電路TPS61070是TI公司為便攜式電子設備應用提供的采用同步整流和脈寬調制技術的控制器，旨在實現電源最高效率。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定值時才開始動作，在幾個開關周期之后，如果輸出電壓超過設定值，變換器又進入省電模式。省電模式通過調整開關頻率減少了MOS管的開關損耗，以在寬負載電流范圍內保持高效率，利于提高電池的續航能力。
圖3為由寄生電感及電容所構成的Boost變換器關鍵環路，LPAR和CPAR分別為寄生電感及電容。便攜式電子設備長時間運行，電源不穩定，TPS61070易損壞，損壞之后TPS61070呈現電源和地之間短路的狀態。由于布局和器件原因，調試時發現在開關變換器與電感交匯的開關節點處有高頻振蕩。通常電路中伴生的寄生電感和寄生電容會產生互感，并導致電流環路開關節點上的高頻振蕩［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內部，所以會出現TPS61070損壞之后電源和地短路的現象。因此，設計時需要采用多種方法實現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內部，TPS61070應用電路不需要調整；其次需要優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也能最小化開關節點處的振鈴幅值。如果振鈴幅值還是會超過MOS管的承受范圍，可以設計一個RC緩沖電路（圖3中的RSNUB和CSNUB）來消除開關閉合時寄生電感所產生的電壓毛刺。當開關閉合時，RC緩沖電路為流經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變換器開關節點上的振鈴波形，從中可看出，有了緩沖電路后振鈴峰值得到有效抑制，電源長時間穩定運行，TPS61070也不再損壞。
教學改革實驗平臺理論教學實踐教學分層次教學
一、引言
教育部和財政部等單位于2012年2月了《關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，深化實踐教學方法改革，加強實踐教學方法是專業建設的重要內容。因此， 在實驗教學上加大改革力度，成為新形勢下社會發展要求的實用和創新型人才是教學中亟待解決的問題。
《電路理論》課程在電子信息類專業中是一門非常重要的基礎課，其實驗教學是培養高校電類專業人才的有效且重要的途徑。在歐美等發達國家，理論與實踐教學的學時比一般為1U2或1U3，遠高于大部分國內的理工科高校。長期以來，國內理工類高校實驗占教學之比重較低，普遍存在重理論輕實踐的傾向，在一定程度上限制了學生的學習主動性和積極性，難以激發學生獨立思考的興趣和激情，這樣不利于人才的培養。
我校電子信息工程學院《電路理論》是校級精品課程，13版教學大綱規定，電氣類專業的《電路理論》課程在大一的下學期開設，教學共計劃84學時，其中理論課時占72個（含8個習題課時），實驗課時占12個，共安排6次。為了培養社會急需的人才，有效合理的進行實驗教學改革十分必要，為此我們改造了原有的實驗平臺，并對實驗教學內容進行了整合。
二、實驗平臺的改造
我校《電路理論》試驗教學改造前，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電工試驗平臺其設計理念已經完全過時，根本不能滿足我校2013版《電路理論》或者《電路分析基礎》相關課程的教學要求，以及由此課程展開的培養學生實踐技能和創新活動能力的需要，難以適應新形式下的教學改革和實踐教學的要求，主要表現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，設備老化嚴重，再加上維護維修不方便，嚴重影響了教學計劃和教學質量。
（2）試驗臺試驗模塊的固化，只能完成驗證性的試驗，無法進行綜合設計型的試驗。
（3）采用現有的KHDG-1電工試驗臺，只能進行驗證型試驗，學生無法接觸到實際的元器件，更談不上進行綜合設計試驗，無法提高學生的試驗技能和實踐能力，也限制了學生的想象力以及創新能力的培養和提高。
根據我校2013版《電路基本理論》或者《電路分析基礎》相關課程的教學大綱，結合新形式下培養學生創新精神和創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連續可調直流電源，0～16V可調交流電源；
（2）提供多波形的信號發生器；
（3）測量用的數字電壓表、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，配套數字示波器、多功能信號發生器和數字萬用表，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》實踐教學在實用性、新穎性、創新性、教師培養、促進理論教學和資源共享等幾個方面得到了提高。
三、實驗內容的完善
電路理論課程實驗平臺的改造，可以使實驗的內容和形式多樣化。改造后的實驗包括計算機仿真實驗和硬件實驗兩個部分。對多個教學對象，采取因材施教，實行分層次教學的方法。
將計算機仿真技術引入《電路理論》實驗。在實驗前給學生介紹仿真軟件并進行演示，學生根據實驗目的，自己首先上機實踐，一方面，能夠提高學生運用計算機分析和解決問題的能力，提高學生的學習興趣；另一方面，學生在實物操作時對實驗中出現的一些數據和現象能夠完全了解，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，實現了模塊化。另外，安排1～2個自搭建電路的實驗，由學生根據實驗要求，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生一人一組獨立完成。基本實驗項目要求學生在完成指定實驗內容的同時，熟悉各種常規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，以及學會對實驗數據的分析和處理方法。
2.綜合性實驗
綜合實驗安排1～2個實驗內容。老師先提出實驗任務和設計要求， 再由學生擬好實驗電路、實驗步驟、并估算各元件參數。這些實驗可有目的地讓不同層次的學生進行組合，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生。也可以將實驗項目分解成單元電路，由不同組的學生設計相應的單元電路，并在面包板上搭建實驗電路。
3.設計性實驗
設計性實驗主要著重培養學生的靈活運用理論知識的想象力和創新能力，為社會的發展輸送高素質的專業人才。設計性實驗不再要求所有學生參加，對有潛力、學有余力的學生，可分成興趣小組，由任課教師專門指導其完成設計性和自定項目實驗，在開放性實驗室用課外業余時間完成。
四、改造后的教學效果
改造后的實驗平臺可實現一人一組，在實驗課學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生只能旁觀的現象， 學生普遍反映效果好。教學效果主要體現在以下方面：
1.規范和完善了教學體系和教材建設
為了適應面向新世紀的人才培養的目標， 根據教育部對課程總體要求， 對《電路理論》和《電工電子學》的教學內容和實驗項目設置進行了合理的選擇和規范，重新編寫了完整的實驗教材， 加強了基礎性內容，增加了綜合性、設計性的實驗內容， 特別強調學生的實驗預習與設計環節，以適應不同層次的需要。
2.學生的獨立性、自信心和學習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習，實驗過程中不準互相串臺，
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，充分激發了各層次學生的學習興趣和積極性，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，為后續課程服務，為完成專業培養方案服務。
4.創新能力提高
綜合提高型實驗教學的實施是實驗教學的延伸，通過自定設計實驗項目實驗，培養了學生的知識運用能力和創新意識，為大學生創新活動和競賽活動輸送了越來越多的人才。
5.計算機仿真及其應用能力的提高
將EWB計算機仿真技術引入電路實驗， 一方面，能夠提高學生運用計算機分析和解決問題的能力，提高學生的學習興趣，從而大大地激發了學生的創新意識和能力；另一方面，學生可以對一個實驗嘗試多種電路實現，比較優缺點，優化設計方案，比較仿真軟件的分析方法，在實物操作時對實驗中出現的一些數據和現象能夠完全了解，實驗的目的性更加明確。
作為民族院校，我校的工科專業起步較晚，師資力量相對較弱，電子信息工程學院由物理系改建的時間不長，但在近幾年的本科創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計大賽中均取得了包括一等獎的多項獎項。學院組織參加省部級以上創新活動情況一覽表如表1所示。五、結束語
通過對我院電氣類13級學生使用新實驗平臺的實踐教學情況來看，實驗教學質量較之以前得到顯著的提高。無論是學生的實踐能力、思維判斷能力培養，還是實驗設計創新能力的培養，都取得良好的效果，為后續課程的教學打下了良好的實踐基礎。社會的發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，需要進一步轉變觀念，積極探索新形勢下的實踐教學規律，包括對實驗教學內容、方法、手段等進行一定的改革與探索，才能適應社會發展對人才的需求。
參考文獻：
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