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作者：Alan Yang

关键词：PLC, Ladder logic，编程语言，工业自动化

本文介绍了PLC及其在工业自动化中的重要作用，特别是Ladder Logic语言在PLC编程中的应用。文章解释了PLC的基本概念和功能，详细介绍了Ladder Logic语言的定义、特点、基本语法以及在实际工业系统中的应用。此外，讨论了PLC的特殊块功能和用户定义功能块的概念及其作用。

在当今自动化产业中，可编程逻辑控制器（PLC）扮演着至关重要的角色。而Ladder logic(梯形逻辑)语言可以被视为基于规则而非过程的语言，被广泛用于编程PLC中，特别是需要顺序控制过程或复杂的自动化系统。

本文讲述关于PLC – Ladder logic语言基础，希望能帮助你更好的理解PLC的逻辑。

1. PLC是什么？

PLC（Programmable Logic Controller），即可编程逻辑控制器，是一种专为工业环境设计的数字运算操作电子系统。它使用可编程存储器存储执行各种操作（如逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算）的指令，并通过数字或模拟输入输出来控制各类机械设备或生产过程。

PLC的基本功能是通过逻辑将输入信号转换为设备输出。这类似于键盘输入字符后在屏幕上显示输出。在工业环境中，PLC用于控制各种设备和过程，例如根据传感器信号使机器人执行复杂动作。

1. 什么是Ladder logic语言？

我们先来了解一下PLC编程语言的种类,根据IEC 61131-3定义。这包括:

• 梯形逻辑(LL，Ladder logic)
• 功能框图(FBD，Function Block Diagram)
• 顺序流程图(SFC，Sequential Flow Chart)
• 结构化文本(ST，Structured Text)
• 指令列表(IL，Instruction List)

其中Ladder logic语言应用很广，他可以快速理清PLC的逻辑规则。Ladder logic语言的排列方式类似于梯子

举例：如下图所示的一个梯形图。这个是Modicon PLC程序用于单个按钮控制过程。

创建一个新的梯形图时，首先可以看到两条竖线（如图中橙色线），我们就是在这两条竖线之间进行梯形图的编写程序。

• 什么是Rung？

如图2梯形图中，每一条水平线被称为一个Rung。Ladder logic符号就放置在这些水平线上。每条Rung代表一条规则，我们可以从左到右、从上到下阅读这些逻辑和规则。

1. Ladder logic语言基本语法

在对PLC进行编程之前，请先查看以下编程的基本符号。符号还附带地址或值，可用于指定输入、输出、定时器、计数器和其他特定指令。

• Ladder logic符号
  • Rung 输入

常开输入	常闭输入

• Rung 输出

常开输出	常闭输出

为了更好理解，你可以想象“Rung 输入”是一个按钮/开关，而“Rung 输出”是一个灯泡/负载。内部的斜线表示常开/常闭状态。

• 逻辑”与” （AND）

上述实现了功能：电机开门= “开关 1 触发“与 ”开关 2触发“，即当开关 1与开关 2同时触发的时候，电机开门。

可以想象成，两个安保人员，各拿一把银行金库的钥匙。只有两个人同时转动钥匙时，金库门的电机运作，把门打开。

• 逻辑“与非”（AND with NOT）

上述实现了功能：电机开门= “开关触发”与非“障碍物触发”，即当开关触发，但是障碍物没有触发的时候，电机开门。

可以想象成，两个安保人员，一个有银行金库的钥匙，一个巡逻是否有坏人。只有当时转动钥匙并且没有坏人的时候，金库门的电机运作，把门打开。当然，障碍物也可以是某个停止按钮没有被按下。

• 逻辑“或”（OR）

上述实现了功能：电机开门= “开关1触发”或“开关2触发”，即当开关1和开关2只要有一个触发的时候，电机开门。

可以想象成，两个安保人员，两个人都有银行金库的钥匙。任何一个人转动钥匙，金库门的电机运作，把门打开。

• 组合逻辑

上述实现了功能：电机开门= （“开关1触发”或“开关2触发”）与非“障碍物触发”，即当开关1和开关2只要有一个触发的时候，并且障碍物没有触发的时候，电机开门。

可以想象成，三个安保人员，两个人有银行金库的钥匙，一个人巡逻是否有坏人。任何一个人转动钥匙并且没有坏人的时候，金库门的电机运作，把门打开。

• 举个实际应用：空调系统

我们可以看到有两条规则：

Rung1：实现功能：空调打开 = “开关触发” 与 (“温度传感器触发” 或“湿度传感器触发“)，即当开关触发并且温湿度传感器只要有一个触发的时候，空调打开。

Rung2: 实现功能：制冷打开=“空调触发”与非“制热触发”，即空调打开并且没有按下制热按钮的时候，执行制冷

注意：在第二条规则里，空调从规则一里的执行器变成了规则二里的一个检查器。规则二里的“制冷”，如果继续写下一条规则的时候，也可以变成一个检查器，馈送到另一个输出设备比如“压缩机”。这种系统允许将非常复杂的逻辑设计分解和评估。

PLC具有许多类型的特殊块。它们包括定时器、算术运算符和比较器、表查找、文本处理、PID控制和滤波等功能。

更强大的PLC可以在一组内部存储位置上操作，并在一定地址范围内执行操作，例如模拟物理顺序鼓控制器或有限状态机。在某些情况下，用户可以定义自己的特殊块，这实际上是子程序或宏。丰富的特殊块库以及高速执行使得PLC能够实现非常复杂的自动化系统。

• 用户定义功能块(UDFB)

用户定义功能块(UDFB)之于可编程逻辑控制器(PLC)就像功能之于微控制器一样。两者都是用于简化代码的结构，使其更容易编写，故障排除和维护。它们也是允许代码在将来被重用的基本结构。

UDFB实例：

我们在Arduino Opta 中使用的简单UDFB的构造。该UDFB采用Arduino PLC集成开发环境(IDE) 1.0.3.0版本开发。

如上图，我们将构建如图1中突出显示的UDFB。这个块被用作状态机的一部分。它的作用是充当看门人。如果机器的uiState状态变量等于1，并且启用了该块，则执行该行的其余部分。从C编程的角度来看，这就像一个以uiState为索引的开关语句。请注意，前缀ui是匈牙利语的无符号整数表示法。

这种特殊的构造导致了一个相对干净的梯形逻辑。Rung 3的英文描述是这样的:

1. 如果UDFB FBuiEqual被启用并且机器状态(uiState)继续
2. 另外，如果主开关是打开的
3. 同样，如果瞬时选择开关处于前进位置，则切换到状态2
4. 否则，如果瞬间选择开关处于反向位置，则切换到状态4

相关产品：

• 可编程逻辑器件（PLC）
• PLC 模块

总结：

PLC作为工业自动化的关键组成部分，其在现代工业中的应用越来越广泛。梯形逻辑已经发展成为一种编程语言，了解Ladder logic语言，可以帮助你更快理解PLC的逻辑。

更多有关PLC 技术文章，请点击以下链接，也欢迎大家在文未留言讨论。

• 怎样选择PLC（可编程逻辑控制器）
• PLC是什么，PLC的功能是什么？
• 如何配置正交编码器 Modicon PLC 
• （PLC）存储器/数据保留问题
• PLC通信协议

小编的话

正如本文所介绍的，Ladder Logic语言以其直观、易懂、灵活的特点在PLC编程中占据重要地位。通过图形化的表示方法，它简化了复杂的控制逻辑，使得工程技术人员能够更快速地理解和编写PLC程序。因此，Ladder Logic语言成为许多工程师的首选编程方式。您对PLC编程语言的特性及其应用有哪些经验或疑问？欢迎留言，分享交流！

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作者：Jacob Beningo

关键词：开发工具, 工作原理

本文首先讨论运动检测的基本原理，然后展示开发者如何使用与 Microchip DM080104 ATtiny 1627 Curiosity Nano 连接的 PIR 进行运动检测。最后，介绍一种可替代复杂算法开发的运动检测方法。这种方法充分发挥了机器学习 (ML) 技术的优势。其中包括入门所需的技巧和窍门。

在许多工业、商业、家居和嵌入式应用中，对运动检测的需求在持续增长。问题是运动检测可能需要价格高昂且难以连接的数字传感器。此外，在收到数据后仍然需要开发算法来检测运动，这是一项极为重要的工作。

有多种解决方案可用来检测运动，其中红外 (IR) 解决方案最受欢迎。开发人员可以选择一种在许多独立数字传感器中常见的主动式解决方案，但实施成本会更高、实施过程更复杂。另一种方法是发挥被动式红外传感器 (PIR) 的优势，这种传感器成本较低，连接更简单。PIR 具有大多数微控制器都可以连接的模拟接口。

运动检测的基本原理

目前有多种运动检测技术，其中以红外技术应用最为广泛。IR 传感器分为主动和被动式。主动式传感器包括一个红外 LED 发射器和一个光电二极管接收器。主动式传感器可检测到物体上反射的红外线，然后使用接收到的红外线来探测物体是否已发生移动。根据不同的应用，主动式传感器可能采用了多个光电二极管来查看运动方向。例如，通过探测哪些红外信号滞后或超前，四个光电二极管可用于检测左、右、前、后、上、下等指示性运动。

被动式红外传感器不能发射红外线，只能接收红外线。PIR 传感器使用被探测物体发射的红外线来探测其存在以及与之相关的任何运动。例如，家居安防系统中通常会有运动传感器，用于探测人或动物发出的红外线，并确定其是否在检测范围内移动。图 1 所示为模拟 PIR 传感器在不同条件下可能探测到的对象或物体状态，如无红外线、红外线存在、稳定不变和离开（切断）。

当为某个应用选择正确的红外传感器类型时，开发者需要仔细考虑相对于以下参数的权衡：

• 传感器成本
• 包装
• 微控制器接口
• 探测算法和计算能力
• 传感器系列和能耗

让我们以使用 ATtiny1627 的 PIR 运动探测系统为例进行研究。

ATtiny1627 Curiosity Nano 简介

Microchip Technology 的 ATtiny1627 是一个值得关注的运动检测微控制器 (MCU) 解决方案。这款 8 位 MCU 内置了 12 位模数转换器 (ADC)，最多可进行 17 位超采样。该器件包含用来调节灵敏度的可编程增益放大器 (PGA)。将这两个特性组合在一起，可以实现一个适合许多应用的低成本运动探测系统。

最好的低成本入门方案是使用 DM080104 ATtiny1627 Curiosity Nano 开发板（图 2）。该开发板包含一个运行速度高达 20 MHz 的 AVR MCU，这款 MCU 具有 16 KB 闪存、2KB SRAM 和 256 B EEPROM。该板包括编程器、LED 和用户开关。也许最让人感兴趣的是，该板可以轻松的通过针座连接，可用于快速原型开发，或者直接焊接到原型或生产板上。

该板还有一些对开发有益的功能。首先，该板有两个逻辑分析器通道：DGI 和 GPIO。这些通道可以用来调试和管理微控制器。第二，开发者可以利用板载虚拟 COM 端口 (CDC) 进行调试或记录信息。最后，可以使用多种工具编写和部署软件。例如，开发者可以使用 Microchip Studio 7.0、GCC 编译器；或者使用 MPLAB X，它使用 GCC 或 XC8 编译器。

此外，Microchip 支持大约十几个代码库， 包括了各种不同的 ATtiny1627 示例。这些代码库中包含了 PIR 运动探测、温度测量、模拟转换等大量示例。

构建运动探测测试台

构建并运行运动探测测试台很简单，成本也不太高。构建测试台的必要组件包括：

• DM080104 ATtiny1627 Curiosity Nano
• AC164162T Curiosity Nano 适配器
• MikroElektronika 的 MIKROE-3339 PIR 传感器

我们已经了解 ATtiny1627 Curiosity Nano的基本功能。Curiosity Nano 适配器为 ATtiny1627 Curiosity Nano 提供一块载板，可用于快速原型开发（图 3）。此外，该适配器还为 MIKROE click boards 扩展板提供了三个扩展插槽以及针座，用于评估信号或添加自定义硬件。

最后是如图 4 所示的 MIKROE-3339 PIR 传感器，该器件提供了样式简单、可扩展的 KEMET PL-N823-01 被动式红外传感器，可以直接与 Curiosity Nano 适配器连接。需要指出的是，MIKROE-3339 与 Microchip 的运动探测示例一起使用时，需要进行一些修改。关于这些修改请参阅 Microchip 的 AN3641 应用说明《使用 tinyAVR® 2 系列实现低功耗、高性价比 PIR 运动探测》的第 10 页。

PIR 运动探测软件

在软件方面开发者有多种选择，可以用来创建运动探测软件解决方案。第一个解决方案是使用 Microchip 在 AN3641 中提供的示例材料。示例运动探测软件的代码库可以在 Github 中查找。

该应用分为多个阶段。首先，应用初始化并预热 PIR 传感器。其次，使用 ADC 中断服务例程定期对 PIR 传感器进行采样。第三，ADC 数据进行平均化处理。最后，通过探测算法发出是否探测到运动的信号。如果探测到活动，板载 LED 闪烁并通过串行端口发送探测信号。完整的程序流程参见图 5。

运动探测的第二个选择是利用 Microchip 示例中的初始化和 ADC 中断例程，但不使用其探测算法，而使用 ML。可以收集 PIR 数据，然后用于训练神经网络。然后，ML 模型可以通过 TensorFlow Lite for Microcontrollers 切换至微控制器运行，使用 8 位权重的定点数学。

以这种方式使用 ML 的吸引人的地方是，开发者无需再为其特定需求设计算法。相反，开发者只需在预期条件及其应用所需的用例下对传感器进行采样。此外，ML 还允许开发者在新数据出现时快速扩展并调整其模型。

使用 ATtiny1627 进行运动检测的技巧和窍门

对于那些有兴趣使用运动探测的开发者来说，他们有许多选择。为了简化开发、加快开发速度，开发者应牢记的“技巧和窍门”包括：

• 使用现成零件构建一个低成本原型开发平台。
• 充分利用 Microchip 运动探测示例。这些示例可以在 GitHub 上查找。
• 使用 ATtiny1627 Curiosity Nano 封装设计原型硬件，并直接将电路板焊接到硬件上，以简化初始原型。
• 如需获得更少、更有效的优化代码，请使用 Microchip XC8 编译器。
• 在开始构建运动探测应用前，请阅读 Microchip 的 AN3641 的文档：使用 tinyAVR® 2 系列的低功耗、高性价比 PIR 运动探测器。
• 认真考虑将 ML 用于运动探测算法。

遵循这些“技巧和窍门”的开发者会发现，他们在对应用进行原型开发时可以节省更多的时间，减少更多的麻烦。

结论

运动探测正在成为许多应用的常见功能，特别是在非触摸场景下。开发者可以通过使用 PIR 传感器和低成本 MCU，最大限度地减少 BOM 成本，简化设计。如图所示，ATtiny1627 是一个很好的起点，Microchip 提供了大量的工具和应用说明，帮助开发者启动其项目。此外，为了尽可能简化运动探测算法开发，可以使用 ML。

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关键词:电阻, 规格

问：通孔电阻的成分差异

电阻 的成分可以决定该电阻是否可以应用在你的应用中。一般上说，越便宜的电阻性能越差。

对于通孔电阻 来说，Digi-Key 销售很多种不同成分的电阻，包括厚膜、碳化物、碳膜、绕线、薄膜、金属元素、金属氧化物薄膜、金属箔、金属薄膜以及陶瓷等成分的电阻。对于表面安装的电阻，成分有厚膜、碳化物、碳膜、绕线、薄膜、金属元素、金属箔以及金属薄膜。由于这篇文章将涵盖电阻的基础，我不会区分表面安装和通孔电阻，因为它们在基本电阻性能上非常相似。

碳膜 电阻的尺寸通常较大，功率较小，公差较大，温度系数也大，另外在高温下会产生噪音。从好的方面来说，它们比大多数电阻便宜，而且通常在更高的频率下表现得很好。

陶瓷 电阻具有较高的温度系数，中等工作温度范围，通常比大多数电阻昂贵。

金属元素 电阻常用于电流传感中。它们精度高，阻值和公差都比较低。

金属薄膜 电阻具有良好的温度稳定性，低噪音，阻值范围宽、公差小。

金属氧化物薄膜 电阻跟金属薄膜电阻非常相似，但它们能更有效地承受浪涌电流，并承受更高的温度等级。

厚膜 电阻具有噪声、浪涌容限低、温度稳定性好、额定电压高的特点。它们具有多种阻值。

薄膜 电阻具有低噪声、高寿命稳定性、低温度系数和高阻值等特点。

绕线 电阻适用于大功率、大电流应用场合。另一方面，它们噪音高，电阻值低。无感选项也可用。

总的来说，如果您正在寻找最广泛的阻值范围，厚膜或薄膜电阻将是您的最佳选择。按价格来选的话，碳膜、金属膜或薄膜电阻比较便宜。如果选择容差比较小的，不要选择碳膜和陶瓷电阻。如果高功率应用场景，薄膜和厚膜电阻值得考虑。对于高温或低温应用，请选择薄膜或线绕电阻。

更多电阻相关技术内容, 请参考下面帖子：

• 解读SMD电阻代码
• 技术产品指南：通孔电阻 
• 有感电阻和无感(非电感)电阻的区别
• 薄膜电阻与厚膜电阻 – 精度与功率上的差异
• 如何为更高电压的微控制器测量选择电阻

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关键词: 线缆, 连接器, 安装

问：双线箍用来连接菊花链 Daisy Chain

线箍也叫端子块导线套圈 ，是一种方便的方法来改善你的电线连接。线箍是一个中空的金属管，外露的电线被压接在里面。线箍将单个线束固定在适当的位置，提供清爽的安装，最大限度地减少与杂乱线相关的问题。线箍可用于单线或对线。双线箍是这篇文章的主题。

在很多情况下，双线箍可以节省你的时间，改善项目的外观，最大限度地减少资源，提高故障排除速度。成品的示例显示在 Arduino Opta 可编程逻辑控制器 (PLC) 上。

与单线箍相比，双线箍很容易看见。我们看到的不是圆形的塑料绝缘，而是一个长方形的开口，可以接两根电线。

双电线让设计师可以以菊花链 (Daisy Chain) 连接。为了更好地理解，请考虑下图显示的 Arduino Opta PLC 上的输出连接。观察绿色突出显示的电线为每个 Opta 输出继电器的左侧提供电源。例如，菊花链线为端子引脚#5提供 24VDC。当 O3 (输出#3) 继电器关闭时，电源将提供给警报。

如何进行压接

双线箍很容易使用。

• 剪断电线。这篇文章中介绍的工具是一种组合剥线器。

剥线器 DKS-STRIPPER6MM2

• 剥到合适的长度。在这里，“适当”一词意味着电线从线箍的末端略微突出。换一种说法就是，金属丝贯穿了整个线箍的长度。
• 安装线箍。没有必要拧线。只要把这些线夹在一起，然后用力，直到它们全部插进去。
• 用专门的压接工具压接线箍。

手动压接器 DKS-CRIMP-T2

• 将导线安装到你的设备中，如开场图片中的PLC。

预防措施

虽然双线箍很方便，但它并不是一种通用的方法。这里有一些指导原则供你考虑:

• 菊花链的使用仅限于低功耗连接。大电流会导致终端局部发热或跨链电压降过大。例如，Arduino Opta的继电器每个的设计最大电流为10A。带有20 AWG导线的菊花链对于重负载来说是严重不足的。通过在原理图中包括一个5A断路器来减轻这种情况。
• 大电流连接应该有一条专用的导线，通向一个坚固的配电模块或一个独立的断路器或熔断器。
• 根据缺陷发生的位置，断开或松动的连接可能会导致部分甚至整个链条的损坏。在某些情况下，这可能是不可取的，特别是与安全有关的情况。一定要考虑将面板构造实践作为安全完整性水平(SIL)分析的一部分。
• 每个线箍都是为适应特定的线规而设计的。我们必须确保电线、线箍、压接和最终产品连接器全部匹配。例如，不要用双线箍代替单线箍。卷曲可能不能牢固地固定电线。由此产生的高电阻连接可能导致终端局部发热。这种情况可以用热成像检查来确定。
• 使用高质量的压接工具防止电线损坏，并提供牢固的低电阻连接。
• 不要得意忘形。菊花链只有在一定程度上才有意义。永远要考虑将来对系统的维修和修改。也许最好在配电模块接上一条新电线。

更多连接器相关技术内容, 请参考下面帖子：

• 重型连接器
• 套管连接器和电缆
• D-Sub连接器的名称和外壳尺寸
• 灼热丝连接器和测试视频 — 莫仕（Molex）
• 先通后断的电源连接器 

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作者：Becky Stern

关键词： LED, 电路设计, 工作原理, 音频

本文是【与Becky探索电子世界】系列视频的第三期内容，继《【与美女创客入门电子世界】在做LED开发？这个视频很实用！》和《有技巧 ！小姐姐带你玩焊接！》之后，我们将探讨如何打造简易的LED电路和音频电路。本文及视频将细致指导您准备所需材料、搭建并测试LED电路，带您了解音频电路的制作流程。

构建电路不一定是复杂和困难的项目，简单的电路也可以实现一些功能，例如发光和播放音频，无需任何代码或编程，都可以轻松完成。以下视频将会手把手教学，展示如何通过简单电路连接 LED到电池组，以及播放音频。一起来学习吧！

要制作简单的 LED 和电池电路，需要准备：

• 标准的3伏直插式LED
• 电阻器（100-300 欧姆）
• 带开关三节AA电池座
• 绞线
• 热缩管
• 万用表

这是基本的 LED 电路图，正极连接到电池的正极，同样负极连接到电池的负极，随着电阻与LED的串联，电流将从电池流经电阻和LED，然后流回电池。电阻器限制了整个电路中的电流，不管它是接在电路中的LED之前还是之后，无论哪种方式都可以工作。电阻不像 LED 那样有极性，因此方向并不重要。

根据图示，对元件进行锡焊，不要忘了在最后的连接之前套一些热缩管。但如果你是焊接新手，你可以先测试电路正常与否，再去收缩热缩管。

最后，安装电池并确认它们的方向，然后按动开关，LED应该会亮起来。如果它没有，请仔细检查是否有短路，两根不应该接触的金属线是否碰到一起。如果有短路，部分电路可能开始发热，如果发生这种情况，请立即取出电池，纠正短路，再重新插上电池。

要测试接通与否，可以使用设定为连续模式的万用表，在电路关闭时进行测试。方法是将探针触碰电路的两端，如果它发出哔声，则表示连接正常；如果没有，就说明连接有问题，可以检查整个电路中应该接通的部分和不应该接通的部分。

要将更多LED添加到该电路中，只需将它们与第一个LED并联，即每个LED和电阻的组件都与电池连接在同一点，所有正极接在一起，所有负极接在一起，这就是串联和并联的区别。电阻和LED是相互串联的，而多个LED间是相互并联的。

初学者经常问：是否可以在多个并联的LED组件外只使用一个电阻？理论上是可行的，但在实际中并不是一个好主意，它最终会导致一个或多个LED不亮。这是因为各个LED并不是完全均匀的导体，所以只要有个LED的内阻略低于其他LED，它就会吸引更多电流。时间越久，这种差异会越明显，甚至会烧坏LED。

在构想包含更多LED的设计之前，请先尝试只添加两到三个LED。当你开始混合使用不同颜色的LED，各个电阻值开始变得更加重要，记住电流走的是阻力最小的路径。你可以使用DigiKey的LED 串联电阻器计算器，为每个 LED 选择合适的电阻。

制作音频电路也是练习焊接技术的好方法，试试这款易于操作的音效测试板，它并不像看起来那么复杂。你需要准备：

• 音效测试板
• 扬声器
• 触摸开关
• 带开关三节AA电池座
• 无焊面包板
• 导线
• 焊接面包板

该测试板可以通过USB连接电脑，并像一个U盘一样显示出来，只需将音频文件拖放其中，就像用其他U盘一样即可。

您必须根据测试板的规格对音频文件进行调整，可以使用 Audacity 这个免费音频编辑程序轻松完成。

文件的命名决定了它们与哪个触发器相关联以及它们将如何播放。例如，我可以通过相应的命名，让一个触发器从一组音频中随机播放。

要触发声音播放，需将测试板这一侧被将标记的连接器连接导线接地或通过开关临时接地。为了连接各个组件，可以使用无焊面包板。将测试板插入无焊面包板，然后使用导线从触发器引脚连接开关再接地，最后把扬声器插头插入终端插座处的内置放大器中。这就完成了创建一个简单的音频电路！

当电路在无焊面包板上能正常工作，就可以将它移植到焊接面包板上，使它更加牢固并嵌入到你的项目中。

构建LED灯光和声音电路不难，只要掌握好基本技巧，从简单的电路入手，反复练习，就能挑战更复杂的电路设计。通过巧妙运用灯光的变化和声音的应用，创造出更多创新、有趣、实用的作品。期待看到您的创意项目，让我们一起发挥想象力，创造出令人惊叹的成品吧！

关于本系列视频

电子设计博大精深，对于初学者来说，有一定的难度。本系列视频旨在介绍一些入门级的技术和技巧，包括电路设计基础知识、简单编程等，让初学者从基础开始，再一步步向更进阶出发，在电子设计的世界里，发掘更多乐趣，同时也可以让电子设计爱好者温故知新。

关于Becky Stern

Becky Stern是一名创客，拥有多年设计电子项目的经验，创作和分享是她两大爱好。在独立创业之前，她曾担任 Instructables (Autodesk) 的产品经理、Adafruit 的可穿戴电子产品总监等。她的作品曾被 BBC、CNN、Business Insider、Forbes 和 Science Friday 等知名媒体报道过。她创建了数百个关于技术和手工制作的在线DIY教程和视频，旨在分享她的知识，帮助同是电子设计爱好者的同路人学习，以及相互交流。

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相关产品：

Lite-On LTW-2S3D7	Stackpole Electronics CF14JT100R	Adafruit 727
Adafruit 3111	Adafruit 4559	FLIR Extech MN35
Adafruit 2217	Adafruit 1669	CUI Devices TS02-66-60-BK-160-LCR-D
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小编的话

想要入门电子世界却觉得无从下手？今天这个简单又有趣的LED和音频播放的DIY项目，不需要复杂的编程或代码，只需一些基本的电子元件和简单的步骤，就可以点亮LED灯、播放音频。这不仅仅是一个技术练习，更是一次激发创造力的旅程。跟着视频学，相信您也能成为电子小达人！您是否也有类似的项目经验？哪些是您遇到或关心的问题？欢迎留言，分享交流！

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‎

作者：Bill Schweber

关键词：宽带天线，5G无线物联网，多频带天线，EMC

除了随处可见的消费者智能手机之外，基于 5G 的无线链路还能满足多样化的嵌入式应用需求，例如物联网 (IoT)、机对机 (MTM) 链路、智能电网、自动售货机、网关、路由器、安全和远程监控连接等等。然而，向 5G 的这一转变过程不可能一蹴而就。这就需要在无线通信链路的前端使用天线，以满足 5G 以及传统的 2G、3G 和其他非 5G 链路的需求；在未来几年里，即使 5G 应用急剧增加，其他这些链路也会继续与之并存。

鉴于这些原因，工程师在设计产品时，除了支持 5G 标准的频带之外，还要兼顾其他频带。即使每个频带的内置射频前端或功率放大器是不同的，使用一个宽带天线同时服务于 5G 和传统频带也有诸多好处。

从监管频带开始

天线既是射频发射信号路径的最后一个元件，也是互补接收器路径的第一个元件。天线的功能是成为两个世界之间的变送器，即由电流和电压构成的电路世界与由辐射能量和电磁场构成的射频世界。

针对目标应用选择天线时，需要记住的重要一点是，天线的工作方式与要使用的调制类型或行业标准无关。选择天线时会使用一些参数，如中心频率、带宽、增益、额定功率和物理尺寸，但无一取决于天线是会用于振幅、频率或相位调制（AM、FM、PM）信号，还是 3G、4G、5G 甚至专有信号格式。

当然，在新兴应用的系统设计中，能支持 5G 标准的设计当前得到大量的关注，特别是大多数 5G 活动所在的 6 GHz 以下的 5G 频带。务必将系统支持的无线标准与决定天线选择的频率和频谱区分开来，这一点非常重要。

新的 5G 标准不仅使用以前不可用的频谱段，同时还通过纳入更高级别的调制方案来利用已在使用的频谱部分来获得更高的吞吐量。因此，虽然行业和运营商对现有标准的支持可能会逐步遭到淘汰（或“没落”），如 2022 年的 3G 标准，但 3G 所用的频谱部分仍将用于 4G 甚至 5G 标准（图 1）。

这意味着支持 3G 或 4G 频带的天线可能对 5G 依然适用，反之亦然。该标准可能已经没落，但其天线却不会没落，可能具有向前/向后的天线兼容性。在上述每种情况下，重复使用支持多个标准和频带的天线都是一种实用且通常可取的解决方案。

600 MHz 至 6 GHz 射频频谱内的其他重要标准包括：

• 公民宽带无线电服务 (CBRS)，介于 3550 MHz 至 3700 MHz 范围内（3.5 GHz 至 3.7 GHz）、宽度为 150 MHz 的宽松监管频带。在美国，联邦通信委员会 (FCC) 已指定在三个层次的用户之间共享这一服务：现有用户、优先接入许可证 (PAL) 用户和一般授权接入 (GAA) 用户。
• LTE-M，这是 LTE Cat-M1（通常称为 CAT M）或长期演进 (4G) 类别 M1 的缩写。利用这项技术，低占空比的电池供电型物联网设备无需使用网关即可直接连接到 4G 网络。
• 窄带物联网 (NB-IoT) 是一种在 3G 范围内使用正交频分复用 (OFDM) 的蜂窝级无线技术。它是由第三代合作伙伴计划（3GPP，蜂窝系统标准化的支持组织）提出的一项计划，用以满足需要连接到移动网络，而且往往采用电池供电的极低数据率设备的需求。

以下是一条关于术语“宽频”和“多频”的说明，因为这两者之间可能存在混淆和歧义。“宽频”是指天线的带宽占其中心频率的相当大一部分。虽然这个数字并没有正式的定义，但非正式地讲，通常意味着至少为中心频率 20% 至 30% 的带宽。相比之下，“多频带”是指天线的设计可以支持监管标准所定义的两个或更多个频带；这些频带可能间距很近，也可能相隔甚远。

多频带天线的一个极端例子是可同时用于广播 AM（550 至 1550 kHz）和广播 FM（88 至 108 MHz）的天线。多频带天线可能但不一定是宽带天线。

无论其支持的频带数量、间距和带宽如何，多频带天线都只有一个射频连接，即使在内部它可能是由两个或更多个不同的组合天线构成。与较简单的宽带天线不同，多频带天线的设计实际可能会在整个带宽的增益覆盖上故意留出间隙，以最大限度减少同道干扰。

内置还是外置天线

天线所用的无线连接标准并非天线设计的问题，但频率和带宽让天线的物理实现成为一项重要的设计决策，因此也是绝对需要考虑的因素。其中一项主要的设计考虑是，使用外置天线还是嵌入到最终产品的内置天线。

内置天线具有以下属性：

• 它们使封装更加时尚，没有可能造成断裂或钩挂的外部附件
• 嵌入式天线始终保持连接且可用的状态
• 它们在覆盖范围、能效、辐射模式和其他性能标准方面存在固有的限制
• 嵌入式天线的性能将会受到相邻电路的影响，因此它的放置与电路板的尺寸、布局、元件和整体布置密切相关
• 用户的手或身体可能会引起天线模式、效能和性能的变化

相比之下，外置天线则具有以下特征：

• 它们在辐射模式、带宽和增益的定制方面拥有更多的潜力，因为它们具有更大的设计自由度
• 它们不必连接到物联网/射频单元上，并可以通过使用同轴电缆保持适当的距离，实现最优定位
• 它们受产品设计和封装的电气方面影响较小，或者根本不受其影响
• 它们有多种风格和配置可供选择
• 它们需要一个连接器或电缆进行连接，而这可能成为一个故障点

选择外置天线还是内置天线，通常是根据多个因素决定的。其中包括最终产品的应用和用户偏好、与性能的平衡，以及天线将用于移动还是固定场景。例如，带有外置天线的智能手机可能被认为是拙劣的设计。相比之下，固定位置的物联网节点搭配外置且距离可能稍远的天线，有可能提供更好、更稳定的连接。

多频带天线的好处

多频带天线可以满足现有的应用需求，同时也为面向未来的升级设计（包括 5G 连接）提供了保障。但是，如果安装参数和具体细节都是已知的，为什么还要考虑这样的天线呢？下面是几个很好的理由：

• 可以将一根天线用于面向不同频带的一系列产品，因而简化了库存管理和采购
• 内置的多频带天线可实现更小的封装，而外置的天线则减少了产品外壳上的天线连接器数量
• 多频带天线可以为有可能或预期会升级至新频带（例如 5G）的物联网设备提供服务，不论升级是由于性能原因，还是由于现有频带和标准的废止所致
• 适用于多个频带的单一外置天线保持了安装技术和工具的通用性
• 对于关键的固定应用，尤其是移动应用，设备的射频部分可以提供双频支持，允许设备在不同的频带之间动态切换，从而在给定的地点或环境获得最佳性能
• 设计人员可以在不相关的设备中使用单个内置的多频带天线，并凭借他们的经验在天线建模、放置和可能的生产问题方面获得效益

真实的多频带天线示例

尽管宽带性能各异，但多频带天线在外形尺寸或端接类型方面并无限制，以下三个示例说明了这一点。

AEBC1101X-S 是一款 5G/4G/LTE 蜂窝鞭形天线，其长度为 115 mm，最大直径为 19 mm，设计为在 600 MHz 至 6 GHz 范围内工作（图 2）。它配备一个标准的公头 SMA 连接器，可以旋转 90° 以便直接安装在产品外壳上（也可以与同轴延长电缆搭配使用）；还可以使用反极性 SMA 连接器。

其电压驻波比 (VSWR) 和峰值增益性能在整个频带上相当稳定，但在低频和高频范围之间存在能效变化（图 3）。

整个频带上的辐射模式近乎圆形，其中 3600 MHz 频率下出现了一些小波瓣，这在 5600 MHz 频率下变得更明显一些（图 4）。

AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT 刀片天线也适用于 600 MHz 至 6 GHz 的工作频率，其尺寸为 115.6 mm 长 × 21.7 mm 宽，具有厚度仅为 5.8 mm 的纤薄外形（图 5）。该天线适合在平坦的表面使用胶带进行简易、便捷的安装。

该天线的射频性能与 AEBC1101X-S 相似，最大 VSWR 低于 3.5，但峰值增益为 2 分贝，略低于全向辐射器 (dBi)。X-Y 和 X-Z 平面的辐射模式也更加复杂（图 6）。

AEBC1101X-S 和 AECB1102XS-3000S 之间的一个显著差别是可用的端接。AECB1102XS-3000S 刀片单元标配 1 m 长的 LMR-100 同轴电缆（取代了 RG174 和 RG316 电缆类型），并端接广泛使用的公头 SMA 连接器。不过，几乎任何长度的电缆均可以进行订购，而且 SMA 之外的其他连接器类型也能作为标准选项提供，以实现灵活的连接（图 7）。

ACR4006X 600 至 6000 MHz 宽带陶瓷贴片天线是一种尺寸仅为 40 × 6 × 5 mm 的表面贴装器件。在工作时，它需要一个微型电感器-电容器 (LC) 阻抗匹配网络，该网络由一个 8.2 nH 的电感器和一个 3.9 pF 的电容器（均为 0402 尺寸）构成，以实现所需的 50 Ω 阻抗（图 8）。

ACR4006X 的规格书显示，它是一个 600 至 6000 MHz 的器件，但请注意，其能效、峰值增益和平均增益图具有一些间隙（图 9）。这是有意为之的，因为这种多频带天线是针对该范围内的三个特定频带（600 至 960 MHz、1710 至 2690 MHz 和 3300 至 6000 MHz）而设计并进行了性能优化，以支持 3G、4G 和 5G 分配，以及一些更小的频谱分配。

由于 ACR4006X 不适用于 GPS 接收器，因此其在 GPS 载波频率 1575.42 MHz（L1 载波）和 1227.6 MHz（L2 载波）没有指定的性能。

ACR4006X 的 X-Y 辐射模式也是频率的函数，但它在整个宽频带内仍然保持大致的圆形，只有在低频率范围的 90° 和 270° 有一些适度的增益下降（图 10）。

评估天线的性能从规格书开始，随后通常使用消声室进行确认，最后使用最终产品进行现场测试。影响外置天线实际性能的因素包括外壳、移动设备的用户身体和手，以及天线的位置和放置。它在很大程度上与产品的内部电路板布局无关。

相反，像 ACR4006X 片式天线这样的内置单元的性能则会受到相邻元件和 pc 板的影响。为此，Abracon 提供了 ACR4006X-EVB 评估板，作为加快该片式天线工程评估的手段。

该评估板与矢量网络分析仪 (VNA) 结合使用。在对配置进行初始校准后（这是大多数 VNA 测试的标准步骤），通过 VNA 经校准的端口，使用板上的 SMA 连接器来评估天线性能。

该评估板具有精确的 120 × 45 mm 尺寸，以方便正确地放置片式天线。它包括天线周围必要的 45 × 13 mm 金属/接地间隙区域，以实现正常操作（图 11）。

结语

多频带天线可化解物联网设备面临的诸多挑战，特别是那些当前需要支持单一频带，同时还要针对 5G 等更新标准提供更顺畅的升级途径的设备。这些天线还让系统能够支持多个频带，以优化在单一频带无法保证连接的区域的性能。如图所示，安装在电路板上的 Abracon 内置天线可实现更时尚的封装，而其使用整体式射频连接器或同轴电缆附件的外置天线则提供了灵活的放置，可实现最佳信号路径。

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关键词: 钽电容, 电解电容，极化电容

问：钽电容的特点

钽电容 是一种以钽金属为阳极、以钝五氧化二钽为介质的电解电容。它们属于极化电容，具有优越的频率和稳定性。这类电容的增龄性变化并不显著。

请注意，钽电容对反向极化非常敏感。如果加反向极性电压，介电氧化物就会分解，有时会形成短路。这种短路可能会导致热失控和电容损坏。

不同类型电容的比较

类型	铝电解	多层陶瓷	钽	薄膜
电介质	氧化铝	几种陶瓷	五氧化二钽	塑料薄膜
优点	多种击穿电压电容量可供选择	优良的高频特性无极性	小封装 稳定的电容量	高击穿电平无极性
缺点	电解液泄漏会影响使用寿命 大封装尺寸 有极性	电容量会随电压和温度而变化 可能开裂/碎裂	可短路 有极性	电容量小 封装种类少

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关键词: 三相电力，三相电源滤波器，EMI

问：三相电源线滤波器的选择技巧

三相电力系统

在电力工程中，三相电力系统至少包含三个承载交流电压的导体，该交变电压会在三分之一周期时出现偏移（每个相均设置为相同的频率和电压振幅，但各相会偏移120°，从而在电气循环期间实现恒定的功率传输）。下图1展示了三相系统在一个周期的时域中瞬时电压的典型波形。

在电路连接中，这些波形称为相且通常以A、B和C或L1、L2和L3表示。三相系统可以为∆型或Y型（在某些区域也表示为星型）连接。图2分别展示了∆型和Y型的典型电路连接。

三相电源线滤波器

对于变频器、电机驱动器和机床等应用，三相滤波器能够减少电磁敏感性传导区域内不必要的电磁干扰（EMI）噪声。其工作频率范围约为47-400Hz。当放置在设备的电源接入口时，这些滤波器可防止电源线噪声进入设备。此外，EMI滤波器还能防止设备产生的噪声离开和进入电源线。

相应规范（如CISPR 32（EN 55032）和FCC排放限制）规定了允许传回电源线的最大噪声等级（以dB为单位）。三相EMI滤波器设计的一般要求包括输入电流、电源线电压、尺寸限制和所需的插入损耗。除此之外，三相滤波器的配置在设计中起着重要作用。

 CISPR 32（EN 55032）排放限制： FCC排放限制：

Y 型滤波器（ Y 型或星型）：

Y型滤波器通常用于开关模式功率转换设备和其他需要中性连接的应用。其采用星型或“Y”型配置，所有三条热电线都连接在一个中性点上。一根中性线（N）在三相Y型系统（三相，四线）中总共形成四根线。它支持线对中性点（单相）和线对线（2/3相）连接，例如来自台达电子（Delta Electronics） 的TY系列 电源线Y型滤波器。

Δ 型滤波器：

Δ型三相滤波器旨在减少连接到三相Δ电源的器件中的电磁干扰。Δ型具有形似三角形的三相连接，其中导线从绕组的一端连接到另一个绕组的起始端，从而形成闭合电路。Δ型的配置只需要三根电线用于传输（三相，三线）。电源负载在任意时刻都是相同的，因为是由三个单相电路恒定提供电源，例如来自Schaffner EMC  的FN3026系列Δ型电源线滤波器。

下面是两个系统滤波器的比较示例-

差异 / 零件编号	台达（ Delta ）的 TY 系列	Schaffner EMC 的 FN3026 系列
滤波器类型	3相（Y型）	3相（Δ型）
额定电流	10-20A	10-50A
配置	单级 1	单级 1
电压—额定交流值	440V	300 VAC（相对地/中性）和520V（相间）
认证机构	cURus、ENEC、SEMKO	CSA、ENEC、UR
安装类型	底盘安装	底盘安装
端接形式	快速连接	接线盒

表 1—TY 系列和 FN3026 系列滤波器的比较

级 ¹ 是指滤波器内的电路重复次数（串联）。单级滤波器只有一个电路。如果重复该电路，它将成为双级滤波器，以此类推。增加级数可提高滤波器的性能，并同时优化其封装（尺寸）。它还有助于降低截止频率。

Y型和Δ型配置的优点：

Y 型

• 该设计适用于需要中性连接的系统
• 适用于负载的设计——使用线对线（高压）或线对中性点（低压）
• 易于实现针对相同电压支持的单独隔离

Δ 型

• 对于电力传输，其成本低于Y型，因为它仅使用三根电线（如果中性线可以省略/接地的话）
• 提供更高的启动扭矩
• 其电流额定值高于Y型
• 在与Y型相同的维度上，具有更好的性能

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关键词: PC引脚开关，插座

问：PC引脚开关插座

想制作一个包含此PC引脚开关B23LP的PCB板，但同时又希望使用插座来插入和移除板上的开关。如何选择它的关联插座？有适用于这些类型的开关的双排6位插座吗？可以使用用于引脚头的常规方形插座吗？

首先，你的开关不需要考虑支撑支架的问题，所以只需要6个引脚的插座。

或许，你可以考虑使用如下图两个单独的3引脚插座并按照适当的宽度进行排列。

如果你将焊接在板上的插座连接到开关，则需要确保安排适当的布局，以便拆除和更换开关。

一些方形引脚头可能无法搭配0.024″ (0.6mm) 圆形引脚使用。在查看其他物料时，请确保它们能够与开关的引脚搭配使用。

你也可以考虑使用如下图引脚插孔连接器，利用其低外形结构来提高机械强度。

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关键词: 松香助焊剂，有机酸助焊剂，无机酸助焊剂

问：为何焊接时要使用助焊剂？

我们不时会收到这样一个问题：助焊剂 是什么，以及为什么它对焊接项目很重要？

简而言之：助焊剂是一种化学试剂，可以粗略地比作焊接的底层油漆。这种经济且简便的方法可用于改善焊点。应用助焊剂可以完成三件事：减少氧化、改善电气性接触，甚至有助于焊锡流。

在将助焊剂用于正在焊接的电引线上时，可去除氧化并防止气流进入引线，从而防止进一步氧化。焊料更容易附着在非氧化金属上，因此这样一来，焊料就可以在电引线上均匀流动。由于焊料在电引线中均匀分布，因此其导电性也将得到改善。

目前使用的助焊剂有三种主要类型：松香助焊剂、有机酸助焊剂和无机酸助焊剂。

松香助焊剂历史最为悠久，且目前仍然是电子元件最常用的助焊剂之一。它只在加热时才能发挥作用，因此对于未加热的电路而言通常是安全的。可以使用异丙醇溶液来清洁松香助焊剂。

有机酸助焊剂也常用于焊接电路。这种助焊剂可以更快地清洁电引线上的氧化物。清除电路中的这种助焊剂非常重要，因为它会遗留能够导电的残留物，从而导致电路短路。有机酸助焊剂是水溶性的，可以用水清洗。

无机助焊剂可用于较强的金属，如铜和不锈钢。它主要用于管道应用，而不用于电路中。

有一种焊料的焊丝内部含有助焊剂，称为 助焊剂焊料。助焊剂焊料的焊丝中心含有助焊剂。对于大多数应用来说，使用该焊料就无需使用额外的助焊剂了，但是在某些应用中，使用额外的助焊剂仍然可以使焊接更加轻松。选择助焊剂焊料时，需要注意的是，应在电气应用中使用松香焊料。酸性焊料只能用于管道应用。

总的来说，我推荐使用松香助焊剂，因为它专门用于焊接电路且使用广泛。

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