电子电路装配实验教学设计

黄靖然 王战伟

1 背景

传统的课堂教学方法已经不能满足当今社会和企业对人才需求的要求，课堂上所学习的理论知识难以很好的运用于实际操作过程中。为了提高学生学习积极性，充分发挥其能动性和创造性，实训教学至关重要。本实验通过设计一种数字万年历工艺产品，加强学生认识和理解电子工艺的基本内容，了解产品生产工艺过程，提高实操动手能力。本实验适合通信、电子低年级的本科学生。

2 实验教学目的

电子电路装配实验是基于焊接实训教学开设的实验课程，侧重培养学生实践动手能力和探索创新精神，形成理论教学和实验训练相结合的教学方法，为学生掌握焊接技能打下基础。本实验要求学生掌握基本元器件的识别与简单测试方法；了解数字万年历的硬件电路基本结构与应用特点；独立完成整机电路的安装与调试；掌握基于PROTEL 的电路原理图及PCB 图设计的基础知识；最后学生通过元件的挑选、测试、焊接、调试、组装等过程，认识电子产品的生产过程。

3 实施过程

3.1 常见电子元器件基本知识的学习

本科学生需要掌握的常见电子器件一般有电阻器、电容器、线圈、晶体二极管、三极管及集成电路等。首先向学生介绍部分元器件的用途，主要性能参数、规格型号及检查方法等基本知识。然后向学生展示本次电路装配实验涉及的所有器材实物，并分发给每位学生。学生可以对课堂上所学到的元器件知识有更形象和直观地认识。对于电阻器，它是电子产品应用最多且必不可少的元器件之一。学生需了解电阻器的分类、性能参数及表示法。重点学习直标法、数标法和色标法，能够通过电阻器上的标识识别不同电阻阻值的大小。电容、电感器件是电子通信课程中涉及较为广泛的元器件。例如电路分析、模拟电子线路、高频电子线路和单片机等课程中均要求学生分析和设计基本电路，学生必须具备最基本的元件知识。对于电容电感器，学生不仅要掌握其分类、电路常用符号及性能指标，更要了解其特性与作用，并掌握辨别电容正负极性及简易检测等方法（如图1）。

图1 电容图形符号及实物

二极管、三极管和集成电路等是大学生应该重点掌握的基础知识。二极管根据其结构、材料、用途及封装形式等种类繁多。半导体二极管、发光二极管，其内部结构是由一个PN 结构成，具有单向导电性[1]。学生应会辨识其方向性（如图2），掌握其性能指标。当正偏时，导通电阻很小；反偏时则电阻极大，常用于整流、检波、开关、隔离及保护电路等。晶体管不同于二极管，是由两个PN 结构成，分为NPN 型和PNP 型两种类型。本次实验使用的三极管有c945（NPN 型）及13001（NPN 型）两种类型，学生可以根据实物进一步了解三极管特性，学会简易测量的方法，并复习课堂上学习的三极管的特点：具有放大作用（电压、电流或功率），与其他元器件一起可以组成高频、低频放大电路和振荡电路等。本次实验还涉及LED 数码管、集成稳压器和光电耦合器等，学生需掌握其工作特点和基本工作原理等。

图2 二极管的符号表示

3.2 焊接技术实训

3.2.1 安全防护

焊接技术是本次实验的重点。学生应当掌握焊接原理、手工焊接基本技能及元器件在印制电路板上的安装等。焊接过程中最重要的就是保障学生安全。学生第一次进行电装实验好奇心强，但安全意识薄弱，焊接前教师需要讲清楚安全防护措施以及手工焊接会产生的有害因素，学生在焊接过程中务必按要求操作。最常见的危险因素如触电、灼伤等。本次电装实习是对数字万年历的工艺加工，焊接流程是先焊接再调试最后封装。焊接过程中变压器需断电，因通电后变压器一端接220V 高压电源，为确保学生安全教师需要多次强调。另外，焊接过程中要注意红热的电烙铁和灼热的焊锡熔滴，防止灼伤皮肤。临近的学生也要避免电烙铁和焊后的焊件对同学皮肤造成损伤。

3.2.2 锡焊基本操作及规范

在电子产品制造过程中，使用最普遍、最有代表性的是锡焊[2]。本次实习中使用手工烙铁锡焊。学生首先要了解锡焊的主要特征和基本原理。锡焊是在焊件不熔化的情况下（焊料熔点＜焊件熔点），通过加热焊料熔化并浸润焊接面，使工件和焊件间达到原子间的建和而形成焊件连接的工艺过程。其物理基础是“浸润”，即液体在与固体的接触面上摊开、渗入、铺展，焊料锡原子渗透到铜母材料(导线、焊盘)表面内，在两者接触面上形成合金层。锡焊其具有成本低、易实现等优点，在电子工程技术中，使用最早、最广泛的焊接方法。

其次，学生重点要学习手工锡焊的基本技能。掌握元器件基本焊接方法。教师可以先做示范，学生观摩，这样可以激发学生的实践兴趣。教师向学生展示焊接操作的正确姿势，电烙铁的三种握法，即反握法、正握法和握笔法。一般多采用握笔法。之后教师可以拿出实验器材示范基本操作步骤（如图3），学生可以模仿操作。在此过程中学生可以随时向老师提出问题，增加了师生间的互动，提高了学生的主观能动性，打破了传统教学学生处于被动的地位。

最后教师可以对学生练习进行点评。一些理论基础知识掌握很好的学生在初学锡焊也可能会存在多种问题，如虚焊、焊料过少或过多、浸润不良、桥接、松动和铜箔翘起等多种情况，这好比纸上谈兵，需要反复实践练习。教师可以多次向学生演示，如何把握好电烙铁温度和合适的焊接时间，掌握好恰当的烙铁头和接触位置等。学生掌握了锡焊基本操作之后可以独立完成焊接实验。

图3 插装式元件焊接操作的基本步骤

图4 元件安装图（元件面）

3.2.3 元器件在印制电路板上的安装

学生在准备开始焊接工艺套件前需要检查元器件是否正确插放在电路板上。这一环节影响成品质量，若焊成后发现错误，则会耗时耗力进行拆卸，降低效率。对于无极性器件（如电阻、无极性电容等）需注意位置插放正确，读数方向尽可能排列整齐。对于有极性器件（如二极管、极性电容、集成电路等）特别要注意正负极方向的区分，管脚位置。插放时根据线路板上元器件管脚的孔距对器件的引脚弯曲进行整形，使之符合在印制板上的安装孔位。最后元件焊接顺序也应遵守先低后高、先小后大，依次完成（如图4）。

3.3 数字万年历工艺安装

数字万年历是学生日常生活中应用较为广泛的计时工具。本次实验选用日历时钟芯片TG4508 D5V5 作为实时时钟芯片，可以同时显示年、月、日、周日、时、分及对应农历和温度等信息，同时具有定时和校准等功能。（如图5）学生通过对万年历的焊接与安装，巩固焊接理论知识，激发实践学习兴趣，提高实操动手能力。

图5 数字万年历外观图

图6 数字万年历内部结构图

数字万年历电路以CPU 时钟芯片TG4508 为核心，主要工作原理如下：（如图6）

①TG4508 为低电压、高性能CMOS 单片机，内置通用中央处理器和flash 存储单元，可驱动17 位LED 数码管，使LED发光和显示对应的数码。

②电源部分选用电源变压器，将市电～220V 交流电压降为～9V交流电压，再经过78L05 稳压器进一步稳压后输出+5V直流电源。（为保障学生安全，学生测试前教师应当检查变压器焊接是否符合标准）。

③秒脉冲发生电路由32.768kHz 晶振和封装于TG4508内的电路共同作用产生精确的秒脉冲。

④显示部分由13 个0.5 英寸数码管显示日期（公历、农历、星期及温度），由4 个0.8 英寸数码管显示时间（小时和分钟），另有2 个发光二极管显示秒闪动及定时等。

学生焊接工艺流程主要分为9 个部分，如图7。其中步骤4（TG4508 板的安装）是核心，晶振焊盘极为脆弱，学生务必掌握扎实熟练的焊接技巧并一次焊接成功，否则拆卸会对焊盘造成损伤。步骤7 中变压器的焊接与安装也是重点考查部分。焊接时变压器的两根红色线上分别套上热缩管，然后与电源线的两根线一对一的焊接在一起，再将热缩管拉回罩住焊点，用烙铁加温热缩管，热缩管受热后变细，紧固两个焊点上，即将两个焊点保护起来（务必确保焊点不暴露，通电后会产生220V电压）。最后再将电源变压器的两根蓝色线，分别插入电路板的两个孔中并完成焊接。

图7 焊接工艺流程图

数字万年历工艺制成后，会产生和谐的音乐铃声，可实现公历“月”“日”与农历“月”“日”轮换显示，并有定时和生日提醒等多种功能，而且也能测量并显示室内温度（单位可选摄氏或华氏）。学生经过一番焊接训练后，看到自己的焊接成果更能增强其自信心，调动学习主动性。开展实训教学能够培养学生实践创新能力，从传统的被动式学习转换为主动探索实践的学习方式，激发学生在本专业的研究兴趣，提高自主学习能力，理论与实践相结合，实现学生全面发展。