電子電路裝配實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

黃靖然 王戰(zhàn)偉

1 背景

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方法已經(jīng)不能滿足當(dāng)今社會(huì)和企業(yè)對(duì)人才需求的要求，課堂上所學(xué)習(xí)的理論知識(shí)難以很好的運(yùn)用于實(shí)際操作過(guò)程中。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，充分發(fā)揮其能動(dòng)性和創(chuàng)造性，實(shí)訓(xùn)教學(xué)至關(guān)重要。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)設(shè)計(jì)一種數(shù)字萬(wàn)年歷工藝產(chǎn)品，加強(qiáng)學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解電子工藝的基本內(nèi)容，了解產(chǎn)品生產(chǎn)工藝過(guò)程，提高實(shí)操動(dòng)手能力。本實(shí)驗(yàn)適合通信、電子低年級(jí)的本科學(xué)生。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的

電子電路裝配實(shí)驗(yàn)是基于焊接實(shí)訓(xùn)教學(xué)開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和探索創(chuàng)新精神，形成理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練相結(jié)合的教學(xué)方法，為學(xué)生掌握焊接技能打下基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生掌握基本元器件的識(shí)別與簡(jiǎn)單測(cè)試方法；了解數(shù)字萬(wàn)年歷的硬件電路基本結(jié)構(gòu)與應(yīng)用特點(diǎn)；獨(dú)立完成整機(jī)電路的安裝與調(diào)試；掌握基于PROTEL 的電路原理圖及PCB 圖設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)；最后學(xué)生通過(guò)元件的挑選、測(cè)試、焊接、調(diào)試、組裝等過(guò)程，認(rèn)識(shí)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程。

3 實(shí)施過(guò)程

3.1 常見(jiàn)電子元器件基本知識(shí)的學(xué)習(xí)

本科學(xué)生需要掌握的常見(jiàn)電子器件一般有電阻器、電容器、線圈、晶體二極管、三極管及集成電路等。首先向?qū)W生介紹部分元器件的用途，主要性能參數(shù)、規(guī)格型號(hào)及檢查方法等基本知識(shí)。然后向?qū)W生展示本次電路裝配實(shí)驗(yàn)涉及的所有器材實(shí)物，并分發(fā)給每位學(xué)生。學(xué)生可以對(duì)課堂上所學(xué)到的元器件知識(shí)有更形象和直觀地認(rèn)識(shí)。對(duì)于電阻器，它是電子產(chǎn)品應(yīng)用最多且必不可少的元器件之一。學(xué)生需了解電阻器的分類(lèi)、性能參數(shù)及表示法。重點(diǎn)學(xué)習(xí)直標(biāo)法、數(shù)標(biāo)法和色標(biāo)法，能夠通過(guò)電阻器上的標(biāo)識(shí)識(shí)別不同電阻阻值的大小。電容、電感器件是電子通信課程中涉及較為廣泛的元器件。例如電路分析、模擬電子線路、高頻電子線路和單片機(jī)等課程中均要求學(xué)生分析和設(shè)計(jì)基本電路，學(xué)生必須具備最基本的元件知識(shí)。對(duì)于電容電感器，學(xué)生不僅要掌握其分類(lèi)、電路常用符號(hào)及性能指標(biāo)，更要了解其特性與作用，并掌握辨別電容正負(fù)極性及簡(jiǎn)易檢測(cè)等方法（如圖1）。

圖1 電容圖形符號(hào)及實(shí)物

二極管、三極管和集成電路等是大學(xué)生應(yīng)該重點(diǎn)掌握的基礎(chǔ)知識(shí)。二極管根據(jù)其結(jié)構(gòu)、材料、用途及封裝形式等種類(lèi)繁多。半導(dǎo)體二極管、發(fā)光二極管，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由一個(gè)PN 結(jié)構(gòu)成，具有單向?qū)щ娦訹1]。學(xué)生應(yīng)會(huì)辨識(shí)其方向性（如圖2），掌握其性能指標(biāo)。當(dāng)正偏時(shí)，導(dǎo)通電阻很小；反偏時(shí)則電阻極大，常用于整流、檢波、開(kāi)關(guān)、隔離及保護(hù)電路等。晶體管不同于二極管，是由兩個(gè)PN 結(jié)構(gòu)成，分為NPN 型和PNP 型兩種類(lèi)型。本次實(shí)驗(yàn)使用的三極管有c945（NPN 型）及13001（NPN 型）兩種類(lèi)型，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)物進(jìn)一步了解三極管特性，學(xué)會(huì)簡(jiǎn)易測(cè)量的方法，并復(fù)習(xí)課堂上學(xué)習(xí)的三極管的特點(diǎn)：具有放大作用（電壓、電流或功率），與其他元器件一起可以組成高頻、低頻放大電路和振蕩電路等。本次實(shí)驗(yàn)還涉及LED 數(shù)碼管、集成穩(wěn)壓器和光電耦合器等，學(xué)生需掌握其工作特點(diǎn)和基本工作原理等。

圖2 二極管的符號(hào)表示

3.2 焊接技術(shù)實(shí)訓(xùn)

3.2.1 安全防護(hù)

焊接技術(shù)是本次實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)。學(xué)生應(yīng)當(dāng)掌握焊接原理、手工焊接基本技能及元器件在印制電路板上的安裝等。焊接過(guò)程中最重要的就是保障學(xué)生安全。學(xué)生第一次進(jìn)行電裝實(shí)驗(yàn)好奇心強(qiáng)，但安全意識(shí)薄弱，焊接前教師需要講清楚安全防護(hù)措施以及手工焊接會(huì)產(chǎn)生的有害因素，學(xué)生在焊接過(guò)程中務(wù)必按要求操作。最常見(jiàn)的危險(xiǎn)因素如觸電、灼傷等。本次電裝實(shí)習(xí)是對(duì)數(shù)字萬(wàn)年歷的工藝加工，焊接流程是先焊接再調(diào)試最后封裝。焊接過(guò)程中變壓器需斷電，因通電后變壓器一端接220V 高壓電源，為確保學(xué)生安全教師需要多次強(qiáng)調(diào)。另外，焊接過(guò)程中要注意紅熱的電烙鐵和灼熱的焊錫熔滴，防止灼傷皮膚。臨近的學(xué)生也要避免電烙鐵和焊后的焊件對(duì)同學(xué)皮膚造成損傷。

3.2.2 錫焊基本操作及規(guī)范

在電子產(chǎn)品制造過(guò)程中，使用最普遍、最有代表性的是錫焊[2]。本次實(shí)習(xí)中使用手工烙鐵錫焊。學(xué)生首先要了解錫焊的主要特征和基本原理。錫焊是在焊件不熔化的情況下（焊料熔點(diǎn)＜焊件熔點(diǎn)），通過(guò)加熱焊料熔化并浸潤(rùn)焊接面，使工件和焊件間達(dá)到原子間的建和而形成焊件連接的工藝過(guò)程。其物理基礎(chǔ)是“浸潤(rùn)”，即液體在與固體的接觸面上攤開(kāi)、滲入、鋪展，焊料錫原子滲透到銅母材料(導(dǎo)線、焊盤(pán))表面內(nèi)，在兩者接觸面上形成合金層。錫焊其具有成本低、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在電子工程技術(shù)中，使用最早、最廣泛的焊接方法。

其次，學(xué)生重點(diǎn)要學(xué)習(xí)手工錫焊的基本技能。掌握元器件基本焊接方法。教師可以先做示范，學(xué)生觀摩，這樣可以激發(fā)學(xué)生的實(shí)踐興趣。教師向?qū)W生展示焊接操作的正確姿勢(shì)，電烙鐵的三種握法，即反握法、正握法和握筆法。一般多采用握筆法。之后教師可以拿出實(shí)驗(yàn)器材示范基本操作步驟（如圖3），學(xué)生可以模仿操作。在此過(guò)程中學(xué)生可以隨時(shí)向老師提出問(wèn)題，增加了師生間的互動(dòng)，提高了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，打破了傳統(tǒng)教學(xué)學(xué)生處于被動(dòng)的地位。

最后教師可以對(duì)學(xué)生練習(xí)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。一些理論基礎(chǔ)知識(shí)掌握很好的學(xué)生在初學(xué)錫焊也可能會(huì)存在多種問(wèn)題，如虛焊、焊料過(guò)少或過(guò)多、浸潤(rùn)不良、橋接、松動(dòng)和銅箔翹起等多種情況，這好比紙上談兵，需要反復(fù)實(shí)踐練習(xí)。教師可以多次向?qū)W生演示，如何把握好電烙鐵溫度和合適的焊接時(shí)間，掌握好恰當(dāng)?shù)睦予F頭和接觸位置等。學(xué)生掌握了錫焊基本操作之后可以獨(dú)立完成焊接實(shí)驗(yàn)。

圖3 插裝式元件焊接操作的基本步驟

圖4 元件安裝圖（元件面）

3.2.3 元器件在印制電路板上的安裝

學(xué)生在準(zhǔn)備開(kāi)始焊接工藝套件前需要檢查元器件是否正確插放在電路板上。這一環(huán)節(jié)影響成品質(zhì)量，若焊成后發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則會(huì)耗時(shí)耗力進(jìn)行拆卸，降低效率。對(duì)于無(wú)極性器件（如電阻、無(wú)極性電容等）需注意位置插放正確，讀數(shù)方向盡可能排列整齊。對(duì)于有極性器件（如二極管、極性電容、集成電路等）特別要注意正負(fù)極方向的區(qū)分，管腳位置。插放時(shí)根據(jù)線路板上元器件管腳的孔距對(duì)器件的引腳彎曲進(jìn)行整形，使之符合在印制板上的安裝孔位。最后元件焊接順序也應(yīng)遵守先低后高、先小后大，依次完成（如圖4）。

3.3 數(shù)字萬(wàn)年歷工藝安裝

數(shù)字萬(wàn)年歷是學(xué)生日常生活中應(yīng)用較為廣泛的計(jì)時(shí)工具。本次實(shí)驗(yàn)選用日歷時(shí)鐘芯片TG4508 D5V5 作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，可以同時(shí)顯示年、月、日、周日、時(shí)、分及對(duì)應(yīng)農(nóng)歷和溫度等信息，同時(shí)具有定時(shí)和校準(zhǔn)等功能。（如圖5）學(xué)生通過(guò)對(duì)萬(wàn)年歷的焊接與安裝，鞏固焊接理論知識(shí)，激發(fā)實(shí)踐學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)操動(dòng)手能力。

圖5 數(shù)字萬(wàn)年歷外觀圖

圖6 數(shù)字萬(wàn)年歷內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字萬(wàn)年歷電路以CPU 時(shí)鐘芯片TG4508 為核心，主要工作原理如下：（如圖6）

①TG4508 為低電壓、高性能CMOS 單片機(jī)，內(nèi)置通用中央處理器和flash 存儲(chǔ)單元，可驅(qū)動(dòng)17 位LED 數(shù)碼管，使LED發(fā)光和顯示對(duì)應(yīng)的數(shù)碼。

②電源部分選用電源變壓器，將市電～220V 交流電壓降為～9V交流電壓，再經(jīng)過(guò)78L05 穩(wěn)壓器進(jìn)一步穩(wěn)壓后輸出+5V直流電源。（為保障學(xué)生安全，學(xué)生測(cè)試前教師應(yīng)當(dāng)檢查變壓器焊接是否符合標(biāo)準(zhǔn)）。

③秒脈沖發(fā)生電路由32.768kHz 晶振和封裝于TG4508內(nèi)的電路共同作用產(chǎn)生精確的秒脈沖。

④顯示部分由13 個(gè)0.5 英寸數(shù)碼管顯示日期（公歷、農(nóng)歷、星期及溫度），由4 個(gè)0.8 英寸數(shù)碼管顯示時(shí)間（小時(shí)和分鐘），另有2 個(gè)發(fā)光二極管顯示秒閃動(dòng)及定時(shí)等。

學(xué)生焊接工藝流程主要分為9 個(gè)部分，如圖7。其中步驟4（TG4508 板的安裝）是核心，晶振焊盤(pán)極為脆弱，學(xué)生務(wù)必掌握扎實(shí)熟練的焊接技巧并一次焊接成功，否則拆卸會(huì)對(duì)焊盤(pán)造成損傷。步驟7 中變壓器的焊接與安裝也是重點(diǎn)考查部分。焊接時(shí)變壓器的兩根紅色線上分別套上熱縮管，然后與電源線的兩根線一對(duì)一的焊接在一起，再將熱縮管拉回罩住焊點(diǎn)，用烙鐵加溫?zé)峥s管，熱縮管受熱后變細(xì)，緊固兩個(gè)焊點(diǎn)上，即將兩個(gè)焊點(diǎn)保護(hù)起來(lái)（務(wù)必確保焊點(diǎn)不暴露，通電后會(huì)產(chǎn)生220V電壓）。最后再將電源變壓器的兩根藍(lán)色線，分別插入電路板的兩個(gè)孔中并完成焊接。

圖7 焊接工藝流程圖

數(shù)字萬(wàn)年歷工藝制成后，會(huì)產(chǎn)生和諧的音樂(lè)鈴聲，可實(shí)現(xiàn)公歷“月”“日”與農(nóng)歷“月”“日”輪換顯示，并有定時(shí)和生日提醒等多種功能，而且也能測(cè)量并顯示室內(nèi)溫度（單位可選攝氏或華氏）。學(xué)生經(jīng)過(guò)一番焊接訓(xùn)練后，看到自己的焊接成果更能增強(qiáng)其自信心，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)主動(dòng)性。開(kāi)展實(shí)訓(xùn)教學(xué)能夠培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力，從傳統(tǒng)的被動(dòng)式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換為主動(dòng)探索實(shí)踐的學(xué)習(xí)方式，激發(fā)學(xué)生在本專(zhuān)業(yè)的研究興趣，提高自主學(xué)習(xí)能力，理論與實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)學(xué)生全面發(fā)展。