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高中电子控制技术教学中运用

2022-04-22 10:44 来源:电子技术论文 人参与在线咨询

摘 要:鉴于高中电子控制技术教学缺少合适的硬件平台,在此讨论了用AltiumDesigner制作电子线路辅助教学,并以2016年浙江省高考通用技术选考试题为例,介绍了AltiumDesigner的使用和操作,为广大一线教师提供一定的参考。

关键词:AltiumDesigner;焊接;电路;通用技术

电子控制技术是高中通用技术学科的重要组成部分,该部分以理论知识为基础,要求学生能够应用所学知识设计制作电子电路,因此该部分内容需要设置较多的实验,以让学生在动手实践的过程中逐渐掌握电路知识,培养动手能力。然而由于通用技术目前仍缺少适合高中学生动手实验以及课堂教学的硬件平台,实验往往难以开展。一些学校会用面包板、洞洞板等作为载体,但面包板、洞洞板只适合涉及少量元器件的电路,元器件数量一多,导线连接就会非常复杂、容易出错,即使有学生千辛万苦将线路连接正确,也会因为引脚接触不良、连焊、虚焊等问题导致电路无法正常工作。这些问题极容易打击学生学习的积极性,况且大多数高中学生的动手能力是十分有限的,因此严重影响了教学效果。AltiumDesigner(简称AD软件)是一款应用十分广泛的电路设计制作软件[1],它可以将电路设计原理图转化成PCB图,再将制作完成的PCB图交予电路板印制工厂或者网店,就可以获得对应的PCB电路板,这样就解决了复杂电路布线问题导致的电路故障难题,实验时只需确保各个元器件焊接正确完整即可验证电路。从学生学习角度出发,用AD软件制作PCB电路板用于电子控制技术教学,不仅可以适当降低实验难度,专注于提高学生电路设计能力、动手操作能力,还能拓展学生的知识面;从教师教学角度出发,丰富实验教学的内容,提高课堂教学的效率。

一、AD软件介绍

随着现代电子技术的发展,电子线路的设计变得异常复杂,用计算机辅助设计电子线路是必然趋势,许多大学甚至还开设了电子线路设计软件应用的课程[2]。AD软件作为一款主流电子线路设计软件,拥有非常强大的电子电路设计功能。它在Protel的基础上优化了界面交互设计,拓展了多项功能。AD软件功能较多,包括原理图库设计功能、印刷电路板设计功能、嵌入式开发功能、3DPCB设计功能、封装库设计功能。

二、用AD软件制作PCB电路的过程

用AD软件设计PCB电路板的思路是十分清晰的[3]:首先,需要创建原理图库和封装库;其次,将原理图库和封装库整合在一起生成集成库文件;最后,用这个集成库设计电路原理图和PCB图,设计制作完成的PCB图就可以拿去让电路板印制工厂或网店加工。本文以2016年浙江省高考通用技术选考第17题的电路图为例,介绍AD软件绘制PCB电路板的过程,图1是电路原理图。

1.设计制作原理图库

在用AD软件绘制原理图时,部分元器件无法在库文件中找到,这时就需要自己绘制元器件符号,原理图库就是用来绘制各种元器件符号的。单击菜单栏中的文件→新建→Library→原理图库,进入原理图库设计界面(见图2)。可以点击工具栏上的绘制具体元器件符号,图中界面绘制的是555芯片的元器件符号。从原理图来看,需要绘制的元器件数目比较多,依次绘制比较耗时,因此可以从网上下载一些原理图库导入AD软件中,这样只要稍作修改就可使用,大大提高了效率。

2.设计制作封装库

封装库是用来绘制各种元器件引脚、轮廓外形的。在绘制元件封装时,不仅要参考实物元件的大小和引脚信息,而且也要在标注焊盘标号时,与原理图库中的元器件符号相对应,否则电路就无法正常工作。封装库设计界面(见图3)可以通过单击菜单栏中的文件→新建→Library→PCB元件库进入。另外,还可以在此给元件封装添加3D模型,可以将查看界面切换到三维立体模式下观看(见图4)。同样当元器件封装较多时,可以通过下载导入封装库的方式,进行修改使用。

3.用原理图库和封装库

合成集成库集成库的作用就是将各种元器件的图形符号与外形封装一一对应起来,这样,集成库的元器件符号才能被用来绘制电路原理图。单击菜单栏中的工具→模式管理器,在模式管理器界面(见图5)可以将元件符号和封装一一对应。完成集成库之后,就可以在对应文件夹中找到制作完成的集成库。集成库可以被单独拿出来使用,建议将制作完成的集成库保存起来,以后绘制PCB电路时就可以节省重新制作原理图库和封装库的时间。

4.用集成库绘制电路原理图并生成PCB图

合成集成库之后,就可以绘制电路原理图和PCB图了,依次在菜单新建选项下创建PCBProject、原理图和PCB图,在原理图设计界面添加集成库中的元器件,并用导线将其连接起来。图6是设计完成的电路原理图。在设计菜单下点击更新PCB文件,就可以生成原理图对应的PCB文件,再对各元器件进行排版、布线,最终可得到图7所示的PCB文件。如果想查看整体效果,也可以将其切换成三维模型视角,在立体视角下查看电路板焊接完成之后的效果图。

5.导出Gerber文件交予电路板印制工厂制作

经过细致的检查确认电路设计没有问题之后,便可以导出电路图的Gerber文件,这个Gerber文件就是PCB电路板印制工厂所需的制板文件,当然对于中学教师来说,也可以不导出Gerber文件,而直接将整个PCB文件交予电路板印制工厂。

三、实物焊接调试

PCB电路板制作完成之后,还需要通过焊接组装测试,任何一个环节出错都会导致最终电路无法工作,因此在制作电路板的时候必须非常仔细。图8是焊接组装完成的电路板,经过调试就可以正常工作了(见图9)。首次用AD软件制作电路板的时候,需要提前准备好原理图库和封装库,虽然这一过程比较费时,但可以将制作好的集成库保存起来,下一次再制作电路时就不用重复绘制了,而且高中阶段电路教学所接触到的元器件种类比较有限,往后若需要新的元器件,只需临时添加即可。因此使用AD软件制作电路板还是比较方便的。

四、结语

需要注意的是,不能用AD绘制的电路板教学完全替代以往的电路连接实验。因为电子线路连接是每名学生必须掌握的实验技能,只有动手连接过之后,才能掌握实物元器件和图形符号之间的联系。可以选择在确保学生已经掌握线路连接技能的前提下,用印制电路板开展教学,这样可以适当降低实验难度,让学生更多地关注电路设计本身,而不是始终陷于线路的连接故障排查上,这是面包板和洞洞板等教学载体无法达到的教学效果。相比于部分教师在网上购买固定电路套件,用AD软件绘制电路板可以充分发挥学生的设计思维,让学生真正体验实验设计制作的乐趣,丰富学生的学习体验。从实际课堂反馈来看,极大地提高了学生的学习积极性和学习欲望,学习效果也比使用以往的实验平台要好。

参考文献

[1]刘佳琪,高敬鹏.AltiumDesigner15原理图与PCB设计教程[M].北京:机械工业出版社,2017.

[2]田薇.Multisim和AltiumDesigner在电子设计实验中的应用[J].学科探索,2018(13):59-60.

[3]郑祥明,杨梦雅.AltiumDesigner和小工业制版在实践教学中的应用[J].安庆师范大学学报,2018(1):114-118.

作者:方银飞 单位:浙江省宁波市武岭中学

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