电路基础系列

• 电路认知（一）概述
• 电路认知（二）封装
• 电路认知（三）电子元件
• 电路认知（四）连接器、端子
• 电路认知（五）电路板
• 电路认知（六）焊接
• 电路认知（七）测试

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前言

电路是电力系统、控制系统、通信系统、计算机硬件等电系统的主要组成部分,起着电能和电信号的产生、传输、转换、控制、处理和储存等作用。
本篇主要介绍一些基本概念。

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1概述

电路是电力系统、控制系统、通信系统、计算机硬件等电系统的主要组成部分,起着电能和电信号的产生、传输、转换、控制、处理和储存等作用。

2电路定义

2.1 电路PCB板

Printed Circuit Board，称为印制电路板，由电子元器件按照一定方式组合起来的电流通路，通常称为板级电路。如果用作控制或产品的话，多用嵌入式（单片机+外围电路+嵌入式程序）控制。下文以称为PCB。

2.2 集成电路IC

Integrated circuit，指将电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件布线集成在芯片的内部。下文称为IC。其中最常见的就是芯片。

2.3 PLC控制电路

Programmable Logic Controller,全称为可编程控制器。将开关设备、数字量设备、模拟量设备、执行器等电工设备和PLC用电缆连接在一起。

2.4 三者关系

IC是以PCB板为载体，和其他元件共同集成在PCB上，实现特定的功能；而PLC和其他外围设备，其实内部包含了PCB、接口等，是经过多年的现场应用考验（如EMC等）。可以这样理解：PLC>PCB>IC。

2.5 PLC现场控制与嵌入式现场控制

工业控制中用PLC和嵌入式系统，如果说大部分都是PLC，那也不准确。

1. 复杂运算时，采用嵌入式，更加灵活；而PLC上却不理想，其梯形图开发的快速性制约了其灵活性。
2. 研发时间上：硬件上，PLC其本身和外围器件设备都是成熟可靠的产品，开发非常快速；而嵌入式PCB，需要大量的时间去原理设计、调试、取证（EMC\EMI等）等。软件上，PLC梯形图开发非常快速，只需关注输入、逻辑和输出即可；而嵌入式软件上，用C语言开发，需要搭建环境、底层、逻辑层、应用层等环节设计，很花时间。
3. 调试上：相同功能上，PLC代码量（指梯形图总行数，包括子程序总和）相比于嵌入式代码量更少，相对的调试起来BUG更少。
4. 生产时间：产品定型后，PLC每套设备依然需要复杂的接线与调试，由于人工时间依然不变，所以调试时间依旧不短；而嵌入式PCB产品上，基本都是代工厂贴片，一旦在焊接工艺上磨合后，几乎不需要调试，只需进厂检测即可，直接投用。
5. 成本：相比于PLC和外围器件的昂贵价格，嵌入式产品成本更低，不论是硬成本和人工成本。并且产品的稳定性上，嵌入式系统产品需要时间要验证，来试用。
6. 技术含量：PLC控制电路，非常容易复制，一看接线就大致明白原理了。而嵌入式产品，要设计人员自己设计外围集成电路，有一定的技术壁垒；其一，相对而言保护性要好一些；其二，竞争对手要少一些。不过，工业中嵌入式系统开发对技术人才的技术能力，相对而言，其专业性和培养时间要长很多。
7. 产品体积：嵌入式产品体积小。

一般而言的在不要求体积的新产品情况下，市场调研后，先应用PLC及其控制部件快速开发，实现功能，快速市场推广，占有市场份额，期间研发嵌入式产品；然后，再推出嵌入式产品，进行换代。

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3电路元器件

电路元器件（circuit element）一般是指电路中的一些无源元件，譬如电阻器、电容器、电感器等。而具有放大功能的晶体管等往往称为电子器件，有时也称集成电路为一个器件。

3.1元件与器件

电子元件：生产加工时，不改变分子成分的成品，如电阻、电容、电感等。
电子器件：在生产加工时，中改变了其分子结构的成品，如晶体管、集成电路等。

3.2引脚（Pin）

引脚，又叫管脚。就是从集成电路（芯片）内部电路引出与外围电路的接线，所有的引脚就构成了这块芯片的接口。引线末端的一段，通过焊使这一段与印制板上的焊盘共同形成焊点。引脚可划分为脚跟（bottom）、脚趾（toe）、脚侧（side）等部分。

3.3封装（Package）

就是指芯片内部的电路，接引到外部引脚，并用芯片外壳包装。以便于器件或者电路板连接。封装形式是指安装半导体集成电路芯片用的外壳。

3.4焊盘（Land、Pad）

焊盘，是表面贴装装配的基本构成单元，用来构成电路板的焊盘图案(land pattern)，即各种为特殊元件类型设计的焊盘组合。将封装的引脚与电路板贴合焊接的导电部分。

3.5 焊接（Soldering）

焊接是使金属连接的一种方法。它利用加热手段，在两种金属的接触面，通过焊接材料的原子或分子的相互扩散作用，使两种金属间形成一种永久的牢固结合。利用焊接的方法进行连接而形成的接点叫焊点。

3.5.1 人工焊接

手工焊接是电子产品装配中的一项基本操作技能，适合于产品试制、电子产品的小批量生产、电子产品的调试与维修以及某些不适合自动焊接的场合。熟练焊工一般设置到300℃。

1. 接触焊接：指使用电烙铁，对单个元器件进行焊接。
2. 热风焊接：使用热风枪焊接（一般用来拆焊）。
3. 均热焊接：指在焊盘涂上焊料后，人工贴装元器件。然后使用均匀加热设备（如恒温焊台，也称铁板烧），加热至焊料融化。

3.5.2 助焊

助焊剂在焊接工艺中能帮助和促进焊接过程，同时具有保护作用、阻止氧化反应的化学物质。

1. 松 香：固体松树脂，制作助焊剂的原材料。主要帮助在电路板零件的焊接中，去除焊盘上的氧化物，有利于焊锡的焊接。
2. 助焊剂：是一种焊接的辅助材料，不过助焊剂是由松香、活性剂和一些添加剂组成，在松香的基础上加工而成的，性能更强，比松香更加好用。
3. 焊锡膏：膏状粘稠体，主要成分金属粉末、松香、有机酸、触变剂、活性剂。用于SMT自动贴装工艺的焊接。是助焊剂与焊锡工艺的升级替代品，自动化程度高，焊接精度高。

3.5.3 焊料

电路焊接中，焊料是用于填充器件引脚与焊盘的低熔点金属，一般用金属锡。

1. 焊锡丝solder wire：又称焊锡线、锡线、锡丝，焊锡丝是由锡合金和助剂两部分组成，合金成份分为锡铅、无铅助剂均匀灌注到锡合金中间部位。
2. 焊锡膏solder paste：也叫锡膏，灰色膏体。焊锡膏是伴随着SMT应运而生的一种新型焊接材料，是由焊锡粉、助焊剂以及其它的表面活性剂、触变剂等加以混合，形成的膏状混合物。主要用于SMT行业PCB表面电阻、电容、IC等电子元器件的焊接。

3.5.4表面组装技术（SMT）

将无引脚或短引线表面组装元器件安装在PCB的表面或其它基板的表面上，通过回流焊或浸焊等方法加以焊接组装的自动电路装连技术。

4电路故障

4.1虚焊

虚焊是常见的一种线路故障之一。
一种是在生产过程中的，因生产工艺不当引起的，时通时不通的不稳定状态；
另外一种是电器经过长期使用，一些发热较严重的零件，其焊脚处的焊点极容易出现老化剥离现象所引起的故障。

4.2短路

短路是常见的一种线路故障之一。
短路是指电路或电路中的一部分被短接。如负载与电源两端被导线连接在一起，就称为短路，短路时电源提供的电流将比通路时提供的电流大得多，一般情况下不允许短路，如果短路，严重时会烧坏电源或设备。

4.3断路

断路是常见的一种线路故障之一。
断路（开路）是指由于电路中器件没有焊接好，或者导线没有连接好，或用电器烧坏或没安装好，即整个电路在某处断开的状态。

4.4静电释放

指电荷在人体中积累的电荷，在一瞬间释放，它可能会造成器件击穿危害。

5一些电路术语

5.1电源（Power）

电源是将其它形式的能转换成电能并向电路（电子设备）提供电能的装置。

5.2地（Ground、Earthing）

PCB中一般出现的GND，叫做电线接点端，作为整个电路的零公共参考点。当然，每块PCB中可以有很多个“地”，通常用作隔离，是一种抗干扰手段。
而220V交流电中的地是真正意义上和地面相连的地线，一般接入产品外壳作为保护地，作为产品泄放高压的通道，防治触电事故。

5.3极性、正与负（Polarity、Positive/Negative）

5.3.1极性元件

极性为多释义词。
在电路中某些元件，电流正向通过和反向通过会表现出不一样的性质，也称为极性元件；反之，两个方向表现出相同特性的为非极性元件。在电路设计或者电路焊接中需要注意方向的元件为极性元件。
如：电阻，是典型的非极性元件。

5.3.2正负电压

电路中，正负电压是相对参考电压而言的。首先我们要有一个参照物，一般电路设计中是以“地”为参考电压的。比参考电压高的称为正电压，相反，比参考电压低的称为负电压。

5.4直流与交流（DC/AC）

直流：【计量学】方向和量值不随时间变化的电流。
直流电压： 电流方向不随时间变化的电流流过负载产生的稳定电压，称为直流电压。

交流电压：交流电压是电压的大小和方向都随时间改变的电。在任何信号中都可能存在交流和直流的叠加

5.5输入与输出（Input/Output）

输入输出的概念很重要，不仅是任何产品、软件、电路、芯片，甚至任何项目、事情都有输入输出的概念。
在电路中，输入输出是电路中最基本的故障分析方法。

5.6有源与无源（Active/passive）

简单的，就是需要额外能（电）源的（信号、器件或节点）叫有源；无需额外能（电）源的就是无源。

5.6.1 有源信号与无源信号（Active Signal/passive Signal）

对于信号输出来说，设备或电路本身无需格外电源就能输出的信号，为有源信号；反之，设备或电路需要额外电源才能输出的信号为无源信号。典型的4~20mA信号，也分有源与无源方式。

5.6.2 有源器件与无源器件（Active Device/passive Device）

无源器件：元器件工作时，其内部不需要任何形式的电源，就能表现其特性，则这种器件叫做无源器件。 其特点为：

• 自身消耗电能，可以把信号进行处理或转换
• 只需输入信号，不需要外加电源就能正常工作。
• 一般用于信号传输与处理，其信号具有方向极性。

例如： 电阻、电容、电感、开关、按键、连接器等

有源器件：元器件工作时，其内部需要电源才能正常工作，则这种器件叫做有源器件。其特点为：

• 自身也消耗电能。
• 除了输入信号外，还必须要有外加电源才可以正常工作。
• 相比于无源器件，能够实现更加复杂的工作。

例如： 三极管、发光二极管、MOS管、其它芯片（IC）等

5.6.3 无源接点与有源接点（Active Contacts/Passive Contacts）

接点，也可称为触点、节点。通常是指PLC极其控制中的连接点。
对于接点来说，本身不需要供电或者其它电学条件的接点，就是无源接点，也称“干”接点；反之，接点本身带电或者作为信号输出点，即为有源节点，也称“湿”接点。

6原理图

6.1什么是原理图

原理图，表示电路板上各器件之间连接原理的图表。在方案开发等正向研究中，原理图的作用是非常重要的。

6.1.1元器件原理图库

表现元器件原理和功能的元件库，如IC的引脚功能等。如下，这是一款电池电量计量芯片的原理引脚图。

6.1.2元器件封装库

能够表示元器件外形、焊盘大小、引脚顺序等特征，在PCB布局时需要关注的元素。如下，该封装的引脚号和原理图一一对应。

6.1.3电路网络

在原理图中，将不同元器件相连的线或相同标号的，称为同一个网络。下图为一个磁耦隔离电路，所有GND标号都相连，并且在其他电路中只要与该芯片引脚上相同的标号，都是相连的。

6.2有关的符号

序号	符号或字符	含义
1	VDD	D=device 表示器件的意思, 即器件内部的工作电压（接电源）
2	VCC	C=circuit 表示电路的意思, 即接入电路的电压
3	VSS	S=series 表示公共连接的意思，通常指电路公共接地端电压(接地）
4	VEE	E=electron 表示构成物质的基本粒子之一，因带负电，也写作e，通常指负电压供电
5	VPP	编程/擦除电压
6	VDDH	H=high 表示高压，即高压供电端。
7	GND(G)	参考地
8	PE、PGND	大地或机壳地
9	DGND	数字地
10	AGND	模拟地
11	IGND	隔离地
12	V+	电压正端
13	V-	电压负端
14	EN	使能端