電子電路裝配實驗教學設計

黃靖然 王戰偉

1 背景

傳統的課堂教學方法已經不能滿足當今社會和企業對人才需求的要求，課堂上所學習的理論知識難以很好的運用于實際操作過程中。為了提高學生學習積極性，充分發揮其能動性和創造性，實訓教學至關重要。本實驗通過設計一種數字萬年歷工藝產品，加強學生認識和理解電子工藝的基本內容，了解產品生產工藝過程，提高實操動手能力。本實驗適合通信、電子低年級的本科學生。

2 實驗教學目的

電子電路裝配實驗是基于焊接實訓教學開設的實驗課程，側重培養學生實踐動手能力和探索創新精神，形成理論教學和實驗訓練相結合的教學方法，為學生掌握焊接技能打下基礎。本實驗要求學生掌握基本元器件的識別與簡單測試方法；了解數字萬年歷的硬件電路基本結構與應用特點；獨立完成整機電路的安裝與調試；掌握基于PROTEL 的電路原理圖及PCB 圖設計的基礎知識；最后學生通過元件的挑選、測試、焊接、調試、組裝等過程，認識電子產品的生產過程。

3 實施過程

3.1 常見電子元器件基本知識的學習

本科學生需要掌握的常見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。首先向學生介紹部分元器件的用途，主要性能參數、規格型號及檢查方法等基本知識。然后向學生展示本次電路裝配實驗涉及的所有器材實物，并分發給每位學生。學生可以對課堂上所學到的元器件知識有更形象和直觀地認識。對于電阻器，它是電子產品應用最多且必不可少的元器件之一。學生需了解電阻器的分類、性能參數及表示法。重點學習直標法、數標法和色標法，能夠通過電阻器上的標識識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等課程中均要求學生分析和設計基本電路，學生必須具備最基本的元件知識。對于電容電感器，學生不僅要掌握其分類、電路常用符號及性能指標，更要了解其特性與作用，并掌握辨別電容正負極性及簡易檢測等方法（如圖1）。

圖1 電容圖形符號及實物

二極管、三極管和集成電路等是大學生應該重點掌握的基礎知識。二極管根據其結構、材料、用途及封裝形式等種類繁多。半導體二極管、發光二極管，其內部結構是由一個PN 結構成，具有單向導電性[1]。學生應會辨識其方向性（如圖2），掌握其性能指標。當正偏時，導通電阻很小；反偏時則電阻極大，常用于整流、檢波、開關、隔離及保護電路等。晶體管不同于二極管，是由兩個PN 結構成，分為NPN 型和PNP 型兩種類型。本次實驗使用的三極管有c945（NPN 型）及13001（NPN 型）兩種類型，學生可以根據實物進一步了解三極管特性，學會簡易測量的方法，并復習課堂上學習的三極管的特點：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。本次實驗還涉及LED 數碼管、集成穩壓器和光電耦合器等，學生需掌握其工作特點和基本工作原理等。

圖2 二極管的符號表示

3.2 焊接技術實訓

3.2.1 安全防護

焊接技術是本次實驗的重點。學生應當掌握焊接原理、手工焊接基本技能及元器件在印制電路板上的安裝等。焊接過程中最重要的就是保障學生安全。學生第一次進行電裝實驗好奇心強，但安全意識薄弱，焊接前教師需要講清楚安全防護措施以及手工焊接會產生的有害因素，學生在焊接過程中務必按要求操作。最常見的危險因素如觸電、灼傷等。本次電裝實習是對數字萬年歷的工藝加工，焊接流程是先焊接再調試最后封裝。焊接過程中變壓器需斷電，因通電后變壓器一端接220V 高壓電源，為確保學生安全教師需要多次強調。另外，焊接過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。臨近的學生也要避免電烙鐵和焊后的焊件對同學皮膚造成損傷。

3.2.2 錫焊基本操作及規范

在電子產品制造過程中，使用最普遍、最有代表性的是錫焊[2]。本次實習中使用手工烙鐵錫焊。學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＜焊件熔點），通過加熱焊料熔化并浸潤焊接面，使工件和焊件間達到原子間的建和而形成焊件連接的工藝過程。其物理基礎是“浸潤”，即液體在與固體的接觸面上攤開、滲入、鋪展，焊料錫原子滲透到銅母材料(導線、焊盤)表面內，在兩者接觸面上形成合金層。錫焊其具有成本低、易實現等優點，在電子工程技術中，使用最早、最廣泛的焊接方法。

其次，學生重點要學習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，學生觀摩，這樣可以激發學生的實踐興趣。教師向學生展示焊接操作的正確姿勢，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驗器材示范基本操作步驟（如圖3），學生可以模仿操作。在此過程中學生可以隨時向老師提出問題，增加了師生間的互動，提高了學生的主觀能動性，打破了傳統教學學生處于被動的地位。

最后教師可以對學生練習進行點評。一些理論基礎知識掌握很好的學生在初學錫焊也可能會存在多種問題，如虛焊、焊料過少或過多、浸潤不良、橋接、松動和銅箔翹起等多種情況，這好比紙上談兵，需要反復實踐練習。教師可以多次向學生演示，如何把握好電烙鐵溫度和合適的焊接時間，掌握好恰當的烙鐵頭和接觸位置等。學生掌握了錫焊基本操作之后可以獨立完成焊接實驗。

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

學生在準備開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。這一環節影響成品質量，若焊成后發現錯誤，則會耗時耗力進行拆卸，降低效率。對于無極性器件（如電阻、無極性電容等）需注意位置插放正確，讀數方向盡可能排列整齊。對于有極性器件（如二極管、極性電容、集成電路等）特別要注意正負極方向的區分，管腳位置。插放時根據線路板上元器件管腳的孔距對器件的引腳彎曲進行整形，使之符合在印制板上的安裝孔位。最后元件焊接順序也應遵守先低后高、先小后大，依次完成（如圖4）。

3.3 數字萬年歷工藝安裝

數字萬年歷是學生日常生活中應用較為廣泛的計時工具。本次實驗選用日歷時鐘芯片TG4508 D5V5 作為實時時鐘芯片，可以同時顯示年、月、日、周日、時、分及對應農歷和溫度等信息，同時具有定時和校準等功能。（如圖5）學生通過對萬年歷的焊接與安裝，鞏固焊接理論知識，激發實踐學習興趣，提高實操動手能力。

圖5 數字萬年歷外觀圖

圖6 數字萬年歷內部結構圖

數字萬年歷電路以CPU 時鐘芯片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，內置通用中央處理器和flash 存儲單元，可驅動17 位LED 數碼管，使LED發光和顯示對應的數碼。

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，再經過78L05 穩壓器進一步穩壓后輸出+5V直流電源。（為保障學生安全，學生測試前教師應當檢查變壓器焊接是否符合標準）。

③秒脈沖發生電路由32.768kHz 晶振和封裝于TG4508內的電路共同作用產生精確的秒脈沖。

④顯示部分由13 個0.5 英寸數碼管顯示日期（公歷、農歷、星期及溫度），由4 個0.8 英寸數碼管顯示時間（小時和分鐘），另有2 個發光二極管顯示秒閃動及定時等。

學生焊接工藝流程主要分為9 個部分，如圖7。其中步驟4（TG4508 板的安裝）是核心，晶振焊盤極為脆弱，學生務必掌握扎實熟練的焊接技巧并一次焊接成功，否則拆卸會對焊盤造成損傷。步驟7 中變壓器的焊接與安裝也是重點考查部分。焊接時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一的焊接在一起，再將熱縮管拉回罩住焊點，用烙鐵加溫熱縮管，熱縮管受熱后變細，緊固兩個焊點上，即將兩個焊點保護起來（務必確保焊點不暴露，通電后會產生220V電壓）。最后再將電源變壓器的兩根藍色線，分別插入電路板的兩個孔中并完成焊接。

圖7 焊接工藝流程圖

數字萬年歷工藝制成后，會產生和諧的音樂鈴聲，可實現公歷“月”“日”與農歷“月”“日”輪換顯示，并有定時和生日提醒等多種功能，而且也能測量并顯示室內溫度（單位可選攝氏或華氏）。學生經過一番焊接訓練后，看到自己的焊接成果更能增強其自信心，調動學習主動性。開展實訓教學能夠培養學生實踐創新能力，從傳統的被動式學習轉換為主動探索實踐的學習方式，激發學生在本專業的研究興趣，提高自主學習能力，理論與實踐相結合，實現學生全面發展。