电子工程师需要掌握的知识和技能.docx

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电子工程师需要掌握的知识和技能

电子工程师需要掌握的知识和技能

愚以为，掌握了一下的硬件和软件知识，基本上就可以成为一个合格的电子工程师：

第一部分：

硬件知识

一、数字信号

1、TTL和带缓冲的TTL信号

TTL（逻辑门电路）

全称Transistor-TransistorLogic,即BJT-BJT逻辑门电路，是数字电子技术中常用的一种逻辑门电路，应用较早，技术已比较成熟。

TTL主要有BJT（BipolarJunctionTransistor即双极结型晶体管，晶体三极管）和电阻构成，具有速度快的特点。

最早的TTL门电路是74系列，后来出现了74H系列，74L系列，74LS,74AS,74ALS等系列。

但是由于TTL功耗大等缺点，正逐渐被CMOS电路取代。

TTL电平信号:

TTL电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定，5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，这被称做TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。

TTL电平信号对于计算机处理器控制的设备内部的数据传输是很理想的，首先计算机处理器控制的设备内部的数据传输对于电源的要求不高以及热损耗也较低，另外TTL电平信号直接与集成电路连接而不需要价格昂贵的线路驱动器以及接收器电路；再者，计算机处理器控制的设备内部的数据传输是在高速下进行的，而TTL接口的操作恰能满足这个要求。

TTL型通信大多数情况下，是采用并行数据传输方式，而并行数据传输对于超过10英尺的距离就不适合了。

这是由于可靠性和成本两面的原因。

因为在并行接口中存在着偏相和不对称的问题，这些问题对可靠性均有影响。

TTL输出高电平>2.4V，输出低电平<0.4V。

在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。

最小输入高电平和低电平：

输入高电平>=2.0V，输入低电平<=0.8V，噪声容限是0.4V。

TTL电路是电流控制器件，TTL电路的速度快，传输延迟时间短（5-10ns），但是功耗大。

2、RS232和定义

RS232接口就是串口，电脑机箱后方的9芯插座，旁边一般有"|O|O|"样标识。

一般机箱有两个，新机箱有可能只有一个。

笔记本电脑有可能没有。

有很多工业仪器将它作为标准通信端口。

通信的内容与格式一般附在仪器的用户说明书中。

计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。

由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。

在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。

RS-232-C接口（又称EIARS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。

它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。

它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。

（1）接口的信号内容实际上RS-232-C的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3-9条引线。

RS-232-C最常用的9条引线的信号内容见附表1所示

（2）接口的电气特性在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。

即：

逻辑“1”，-5—-15V；逻辑“0”+5—+15V。

噪声容限为2V。

即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号作为逻辑“1”

（3）接口的物理结构RS-232-C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座,通常插头在DCE端,插座在DTE端.一些设备与PC机连接的RS-232-C接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。

所以采用DB-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。

（4）传输电缆长度由RS-232C标准规定在码元畸变小于4%的情况下，传输电缆长度应为50英尺，其实这个4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有99%的用户是按码元畸变10-20%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过50英尺，美国DEC公司曾规定允许码元畸变为10%而得出附表2的实验结果。

其中1号电缆为屏蔽电缆，型号为DECP.NO.9107723内有三对双绞线，每对由22#AWG组成，其外覆以屏蔽网。

2号电缆为不带屏蔽的电缆。

型号为DECP.NO.9105856-04是22#AWG的四芯电缆。

1.RS-232-C是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一种串行物理接口标准。

RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。

RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。

RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。

RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。

传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。

3、RS485/422（平衡信号）

RS232、RS-422与RS485的定义

一、　　RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，RS-232在1962年发布，命名为EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。

RS-422由RS-232发展而来，它是为弥补RS-232之不足而提出的。

为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。

RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A标准。

为扩展应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。

由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓。

　　RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。

因此在视频界的应用，许多厂家都建立了一套高层通信协议，或公开或厂家独家使用。

如录像机厂家中的Sony与松下对录像机的RS-422控制协议是有差异的，视频服务器上的控制协议则更多了，如Louth、Odetis协议是公开的，而ProLINK则是基于Profile上的。

二、RS-232串行接口标准

　　目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。

RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。

RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。

　　收、发端的数据信号是相对于信号地，如从DTE设备发出的数据在使用DB25连接器时是2脚相对7脚（信号地）的电平。

典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5～+15V，负电平在-5～-15V电平。

当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。

接收器典型的工作电平在+3～+12V与-3～-12V。

由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。

RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为3～7kΩ。

所以RS-232适合本地设备之间的通信。

其有关电气参数参见表1。

　　规定RS232RS422R485

　　工作方式单端差分差分

　　节点数1收1发1发10收1发32收

　　最大传输电缆长度50英尺400英尺400英尺

　　最大传输速率20Kb/S10Mb/s10Mb/s

　　最大驱动输出电压+/-25V-0.25V～+6V-7V～+12V

　　驱动器输出信号电平（负载最小值）负载+/-5V～+/-15V+/-2.0V+/-1.5V

　　驱动器输出信号电平（空载最大值）空载+/-25V+/-6V+/-6V

　　驱动器负载阻抗（Ω）3K～7K10054

　　摆率（最大值）30V/μsN/AN/A

　　接收器输入电压范围+/-15V-10V～+10V-7V～+12V

　　接收器输入门限+/-3V+/-200mV+/-200mV

　　接收器输入电阻（Ω）3K～7K4K（最小）≥12K

　　驱动器共模电压-3V～+3V-1V～+3V-1V～+3V

　　接收器共模电压-7V～+7V-7V～+12V-7V～+12V

三、RS-422与RS-485串行接口标准

　　1．平衡传输

　　RS-422、RS-485与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。

　　通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2～+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2～6V，是另一个逻辑状态。

另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端，而在RS-422中这是可用可不用的。

“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。

当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。

　　接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连，当在收端AB之间有大于+200mV的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV时，输出负逻辑电平。

接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mV至6V之间。

　　2．RS-422电气规定

　　RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。

实际上还有一根信号地线，共5根线。

由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点。

即一个主设备（Master），其余为从设备（Salve），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。

接收器输入阻抗为4k，故发端最大负载能力是10×4k+100Ω（终接电阻）。

RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。

　　RS-422的最大传输距离为4000英尺（约1219米），最大传输速率为10Mb/s。

其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。

只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。

一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。

　　RS-422需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。

在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。

终接电阻接在传输电缆的最远端。

　　RS-422有关电气参数见表1

　　3．RS-485电气规定

　　由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。

如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。

RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通

　　而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备，但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。

　　RS-485与RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485是-7V至+12V之间，而RS-422在-7V至+7V之间，RS-485接收器最小输入阻抗为12k，RS-422是4k；RS-485满足所有RS-422的规范，所以RS-485的驱动器可以用在RS-422网络中应用。

　　RS-485有关电气规定参见表1。

　　RS-485与RS-422一样，其最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mb/s。

平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。

只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。

一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。

　　RS-485需要2个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。

在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。

终接电阻接在传输总线的两端

4、干接点信号

干接点的定义：

无源开关；具有闭合和断开的2种状态；2个接点之间没有极性，可以互换；

常见的干接点信号有：

1、各种开关如：

限位开关、行程开关、脚踏开关、旋转开关、温度开关、液位开关等；

2、各种按键；

3、各种传感器的输出，如：

环境动力监控中的传感器：

水浸传感器、火灾报警传感器、玻璃破碎、振动、烟雾和凝结传感器；

4、继电器、干簧管的输出；

有干接点就有湿接点。

湿接点的定义是：

有源开关；具有有电和无电的2种状态；2个接点之间有极性，不能反接；

常见的湿接点信号有：

1、如果把以上的干接点信号，接上电源，再跟电源的另外一极，作为输出，就是湿接点信号；工业控制上，常用的湿接点的电压范围是DC0～30V，比较标准的是DC24V；AC110～220V的输出也可以是湿接点，尽管这样做比较少；

2、把TTL电平输出作为湿接点，也未尝不可；一般情况下，TTL电平需要带缓冲输出的，例如：

7407、245、244等，与VCC等构成回路；244、245也可以跟gnd构成回路；才能驱动远方的光耦。

3、NPN三极管的集电极输出和VCC；

4、达林顿管的集电极输出和VCC；

5、红外反射传感器和对射传感器的输出；

在工业控制领域中，采用干接点要远远多于湿接点，这是因为干接点没有极性带来的优点：

1、随便接入，降低工程成本和工程人员要求，提高工程速度

2、处理干接点开关量数量多

3、连接干接点的导线即使长期短路既不会损坏本地的控制设备，也不会损坏远方的设备

4、接入容易，接口容易统一

换种说法：

干接点：

无源开关；具有闭合和断开的2种状态；2个接点之间没有极性，可以互换；

湿接点：

有源开关；具有有电和无电的2种状态；2个接点之间有极性，不能反接

干接点是对湿接点而言，所谓湿接点，是一个开关加一个电源，闭合时有一定电压，不用检测电路提供电流。

干接点闭合时没有电压，电流靠检测电路提供。

我们所说的干接点通常是指无源接点也就是接点不提供电源对于此接点来说电源是外供的干接点和湿接点

干接点指的是纯粹的开关，就像一个继电器接点或手动的开关。

两个状态是“通”和“断”。

湿接点指的是串联了电源的干接点。

两个状态是“有电压”和“高阻态”。

干接点和湿接点的定义、使用场合和调理方法

干接点好像是俗称，但是，实际上，在工业控制领域中，已经是一个标准的名词了。

干接点的定义：

无源开关；具有闭合和断开的2种状态；2个接点之间没有极性，可以互换；

常见的干接点信号有：

1、各种开关如：

限位开关、行程开关、脚踏开关、旋转开关、温度开关、液位开关等；

2、各种按键；

3、各种传感器的输出，如：

环境动力监控中的传感器：

水浸传感器、火灾报警传感器、玻璃破碎、振动、烟雾和凝结传感器；

4、继电器、干簧管的输出；

有干接点就有湿接点。

湿接点的定义是：

有源开关；具有有电和无电的2种状态；2个接点之间有极性，不能反接；

常见的湿接点信号有：

1、  如果把以上的干接点信号，接上电源，再跟电源的另外一极，作为输出，就是湿接点信号；工业控制上，常用的湿接点的电压范围是DC0～30V，比较标准的是DC24V；AC110～220V的输出也可以是湿接点，尽管这样做比较少；

2、  把TTL电平输出作为湿接点，也未尝不可；一般情况下，TTL电平需要带缓冲输出的，例如：

7407、245、244等，与VCC等构成回路；244、245也可以跟gnd构成回路；才能驱动远方的光耦。

3、  NPN三极管的集电极输出和VCC；

4、  达林顿管的集电极输出和VCC；

5、  红外反射传感器和对射传感器的输出；

在工业控制领域中，采用干接点要远远多于湿接点，这是因为干接点没有极性带来的优点：

1、  随便接入，降低工程成本和工程人员要求，提高工程速度

2、  处理干接点开关量数量多

3、  连接干接点的导线即使长期短路既不会损坏本地的控制设备，也不会损坏远方的设备

4、  接入容易，接口容易统一

干接点和湿接点的调理方法：

采用光耦的光电隔离。

干接点的接入光耦，顺序如下：

VCC－》限流电阻－》光耦LED－》干接点1－》干接点2－》GND

也可以：

VCC－》干接点1－》干接点2－》限流电阻－》光耦LED－》GND

湿接点的接入光耦，顺序如下：

湿接点1－》限流电阻－》光耦LED－》湿接点2

湿接点如果是DC电源，如果湿接点1和2反了，显然打不开光耦；

湿接点如果是AC电源，可以相反；

举一个研华的8路继电器输出及8路隔离数字量输入卡PCI-1760的例子说明干接点和湿接点已经是标准的名词了。

“PCI-1760是一款PCI总线的继电器输出及隔离数字量输出卡。

它有8路光隔离数字量输入，在噪声环境下为采集数字量输入提供2500VDC的隔离保护；它带有8个继电器，可以用作开关控制式小型电源断路开关。

2个可由用户定义的隔离脉宽调制PWM输出。

为了便于监控，每个继电器都配有一个红色的LED指示灯，用来显示器开/关状态。

每个隔离输入都同时支持干接点和湿接点信号，这样到外部电路无电源时也能对信号进行采集。

”

参见下图：

注意：

1、  PCI-1760上有一个DC/DC的模块，模块的输出给干接点提供与PC隔离的电源；

2、  采用跳线选择干接点还是湿接点输入；

二、模拟信号视频

1、非平衡信号与平衡信号

模拟信号在传输过程中，如果被直接传送就是非平衡信号，如果把信号反相，然后同时传送反相的信号和原始信号，就叫做平衡信号，平衡信号送入差动放大器，原信号和反相位信号相减，得到加强的原始信号，由于在传送中，两条线路受到的干扰差不多，在相减的过程中，减掉了一样的干扰信号，因此更加抗干扰。

这种在平衡式信号线中抑制两极导线中所共同有的噪声的现象便称为共模抑制。

所以平衡线路只需要在输入输出信号增加一个差动放大器就可以实现。

三、芯片

1、封装

集成电路芯片的封装形式

自从美国Intel公司1971年设计制造出4位微处a理器芯片以来，在20多年时间内，CPU从Intel4004、80286、80386、80486发展到Pentium和PentiumⅡ，数位从4位、8位、16位、32位发展到64位;主频从几兆到今天的400MHz以上，接近GHz;CPU芯片里集成的晶体管数由2000个跃升到500万个以上;半导体制造技术的规模由SSI、MSI、LSI、VLSI达到ULSI。

封装的输入/输出（I/O）引脚从几十根，逐渐增加到几百根，下世纪初可能达2千根。

这一切真是一个翻天覆地的变化。

对于CPU，读者已经很熟悉了，286、386、486、Pentium、PentiumⅡ、Celeron、K6、K6-2……相信您可以如数家珍似地列出一长串。

但谈到CPU和其他大规模集成电路的封装，知道的人未必很多。

所谓封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁——芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。

因此，封装对CPU和其他LSI集成电路都起着重要的作用。

新一代CPU的出现常常伴随着新的封装形式的使用。

芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。

下面将对具体的封装形式作详细说明。

一、DIP封装

70年代流行的是双列直插封装，简称DIP（DualIn-linePackage）。

DIP封装结构具有以下特点:

1.适合PCB的穿孔安装;

2.比TO型封装（图1）易于对PCB布线;

3.操作方便。

DIP封装结构形式有:

多层陶瓷双列直插式DIP，单层陶瓷双列直插式DIP，引线框架式DIP（含玻璃陶瓷封接式，塑料包封结构式，陶瓷低熔玻璃封装式），如图2所示。

衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比，这个比值越接近1越好。

以采用40根I/O引脚塑料包封双列直插式封装（PDIP）的CPU为例，其芯片面积/封装面积=3×3/15.24×50=1：

86,离1相差很远。

不难看出，这种封装尺寸远比芯片大，说明封装效率很低，占去了很多有效安装面积。

Intel公司这期间的CPU如8086、80286都采用PDIP封装。

二、芯片载体封装

80年代出现了芯片载体封装，其中有陶瓷无引线芯片载体LCCC（LeadlessCeramicChipCarrier）、塑料有引线芯片载体PLCC（PlasticLeadedChipCarrier）、小尺寸封装SOP（SmallOutlinePackage）、塑料四边引出扁平封装PQFP（PlasticQuadFlatPackage），封装结构形式如图3、图4和图5所示。

以0.5mm焊区中心距，208根I/O引脚的QFP封装的CPU为例，外形尺寸28×28mm，芯片尺寸10×10mm，则芯片面积/封装面积=10×10/28×28=1：

7.8，由此可见QFP比DIP的封装尺寸大大减小。

QFP的特点是:

1.适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线;

2.封装外形尺寸小，寄生参数减小，适合高频应用;

3.操作方便;

4.可靠性高。

在这期间，Intel公司的CPU，如Intel80386就采用塑料四边引出扁平封装PQFP。

三、BGA封装

90年代随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用，LSI、VLSI、ULSI相继出现，硅单芯片集成度不断提高，对集成电路封装要求更加严格，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大。

为满足发展的需要，在原有封装品种基础上，又增添了新的品种——球栅阵列封装，简称BGA（BallGridArrayPacka