测控专业课程设计指导书新.doc

1、安徽工程大学测控技术与仪器专业课程设计指导书 专 业：测控技术与仪器专业方向:测控技术机械与汽车工程2010年11月安徽工程大学测试与传感器应用设计课程设计指导书 专 业：测控技术与仪器专业方向:测控技术机械与汽车工程学院2010年11月1、课程设计的目的设计设计一个结构型压力传感器（敏感元件为电阻应变片，贴在弹性体上，感知流体输送管道压力）.2、课程设计的题目和内容设计题目：结构型压力传感器的设计设计内容:1。设计传感器结构，画出传感器装配图.2。设计测量转换电路和信号放大电路。3.用LCD或LED实时显示压力。4。传感器具备远程数据传送能力，传送方式可以是420mA电流，RS422，RS4

2、85或CAN，设计数据远程传送接口.5。完成必要理论计算。6.设计软件，画出程序框图，并编制程序部分。7.编写设计计算说明书，提供系统硬件电路图、元器件清单和程序清单。3、课程设计的一般步骤及进度安排一。机械结构设计1.应变片的贴片、布局综合考虑传感器灵敏度、温度误差、方便性等.2.应变片的选型根据应变的材料确定应变片,选取最具代表性的材料,安排好应变片的阻值。1）。应变片的电阻值（R0）60,120，350,600,1000等各种规格.2）.绝缘电阻敏感栅与基底之间电阻值,一般应大于1010 。3）。灵敏系数(K）4）。允许电流 静态测量时，允许电流一般为25 mA ； 动态测量时,允许电流

3、可达75100 mA ；5）。横向效应与横向灵敏系数 图24横向效应3.应变片的受力设计主要应用材料力学知识找出贴片的最佳位置，一般选择受力最大处。图2 筒式压力传感器4.压力传感器的机械结构设计a。膜片式如图1b.筒式如图2c.组合式如图35.应变片灵敏度计算图1 膜片式压力传感器图3 组合式压力传感器二.信号测量电路和放大电路1.直流电桥2。交流电桥3.电桥灵敏度计算 单臂电桥： 半桥 , 全桥 ，三.信号转换和显示电路1.AD转换芯片08092.LED或LCD显示3.RS232串行接口协议/串口通信1异步通信及其协议异步通信以一个字符为传输单位,通信中两个字符间的时间间隔是不固定的，然而

4、在同一个字符中的两个相邻位代码间的时间间隔是固定的.传送一个字符的信息格式：规定有起始位、数据位、奇偶校验位、停止位等，其中各位的意义如下： 起始位:先发出一个逻辑”0”信号，表示传输字符的开始. 数据位：紧接着起始位之后.数据位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码.从最低位开始传送，靠时钟定位。 奇偶校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数（偶校验）或奇数（奇校验）,以此来校验数据传送的正确性。 停止位：它是一个字符数据的结束标志.可以是1位、1.5位、2位的高电平。 空闲位：处于逻辑“1"状态，表示当前线路上没有数据传送.波特率:是衡量

5、数据传送速率的指标。表示每秒钟传送的二进制位数。例如数据传送速率为120字符/秒，而每一个字符为10位,则其传送的波特率为10×1201200字符/秒1200波特。4.压力传感器灵敏度计算5.精度校核进度安排：按日学时8小时计算,共两周时间完成，具体时间分配如下:1. 熟悉题目、查资料、拟定初步方案 3天2. 确定方案、参数计算、绘制图纸 6天3. 撰写设计说明书 2天4. 准备答辩并上交 1天4、课程设计注意事项5、课程设计成果形式及成绩评定方法设计成果形式：（1) 传感器装配图1张（A2或A3幅面)；（2) 电路图1张（A1或A2幅面）；(3) 撰写设计说明书1份。成绩评定方法：

6、课程设计是综合性实践环节，从四个方面按5级评分（优、良、中、及格、不及格)评定成绩。1. 学习纪律：要求不迟到、不早退，在工作时间不做与本课程无关的内容，严格遵守各项规章制度.2. 工作态度要求：同学之间既要相互学习、相互配合，又要独立思考、深入钻研。3。 任务完成的情况:设计好的系统应满足任务书的要求,总结要全面,内容正确，图、表要求整洁、清晰。4. 答辩：学生在课程结束时应进行口试考核，学生应根据课程设计的内容讲解、回答教师的提问,教师视学生回答问题的情况给予40的成绩。6、参考资料1 强锡富主编,传感器，机械工业出版社2 唐贤远，传感器原理及应用,成都电子科技大学出版社3 严钟豪等,非电

7、量电测技术，机械工作出版社4 陈桂生，微弱信号检测，中央广播电视大学出版社5 雷丽文等，微机原理与接口技术，电子工业出版社6 周泽存等，检测技术,机械工业出版社7 张国雄 金篆芷。测控电路。机械工业出版，20008 张国雄、沈生培。精密仪器电路.机械工业出版,19889 李新民.单片微型计算机原理及应用。北京航空航天大学出版社测试与传感器应用课程设计任务书一、 设计内容：设计设计一个结构型压力传感器（敏感元件为电阻应变片,贴在弹性体上,感知流体输送管道压力)。二、具体内容安排：1.设计传感器结构，画出传感器装配图。2.设计测量转换电路和信号放大电路。3.用LCD或LED实时显示压力.4.传感器

8、具备远程数据传送能力，传送方式可以是420mA电流,RS422，RS485或CAN，设计数据远程传送接口。5。完成必要理论计算。6.设计软件,画出程序框图,并编制程序部分。7。编写设计计算说明书，提供系统硬件电路图、元器件清单和程序清单。三、具体参数:（一）指标量 程: 0150（MPa）  综合精度: 0.5%-1。0%FS 输出信号： 420mA（二线制）、05V、15V、010V（三线制） 供电电压: 24DCV（936DCV) (二)完成的文件材料传感器装配图1张（A2或A3幅面）；电路图1张（A1或A2幅面）；撰写设计说明书1份.四、进度安排： 6月16日、17日:阅读文献

9、材料、拟出智能压力传感器设计方案； 6月18、19、20日：完成传感器装配图绘制,确定所有参数，并进行精度校核； 6月21日、22日：完成测量转换电路和信号放大电路设计； 6月23日:完成显示电路设计； 6月24日：完成接口电路设计； 6月25-26日：完成总电路图绘制； 6月27日：完成设计计算说明书五、参考文献：10 强锡富主编，传感器，机械工业出版社11 唐贤远,传感器原理及应用，成都电子科技大学出版社12 严钟豪等,非电量电测技术,机械工作出版社13 陈桂生，微弱信号检测，中央广播电视大学出版社14 雷丽文等,微机原理与接口技术，电子工业出版社15 周泽存等，检测技术，机械工业出版社1

10、6 张国雄 金篆芷.测控电路.机械工业出版，200017 张国雄、沈生培。精密仪器电路。机械工业出版，198818 李新民。单片微型计算机原理及应用.北京航空航天大学出版社指导教师： 年 月 日安徽工程大学精密仪器课程设计指导书 专 业：测控技术与仪器专业方向：测控技术机械工程系系2010年1月1、课程设计的目的本课程设计是学生修完精密仪器设计课程后进行的实践性教学环节，其目的和意义如下：(1) 内容涉及 “传感器技术"，“电子技术”，“电工技术”,“精密机械设计”，“工程光学”，“光电技术"，“测控电路”，“单片机原理及应用”等各学科知识，是对机、光、电、算技术结合的综合

11、基础理论知识的运用，是对原有课程体系进行改革、优化、精简、合理组合和创新的关键性环节。(2) 设计内容包括机械系统、伺服驱动系统、光路系统三大部分，学习精密测试系统的一般方法，掌握精密仪器系统中的微位移机构、支承机构设计、导向机构设计，精密测试系统中的误差分析与误差分配方法等。训练学生综合已学过的理论知识,分析解决专业范围内解决实际问题的能力；培养学生理论联系实际的正确设计思想、严谨的科学作风。现代电子工业的飞速发展要求电子产品整机具有轻量化、微型化、高集成化、高可靠性的优点,这促使表面组装电子原件SMD逐渐取代插装电子原件,表面组装技术SMT得到更加广泛的应用。随着SMD向着微型化方向发展，

12、带引线元件的引线间距不断减小，这时采用像普通波峰焊、红外再流焊等整体再流焊方法实现元件与印刷电路板的机械和电的连接容易造成桥接缺陷,而采用像激光软钎焊这样的局部再流焊方法则避免了出现这种缺陷。但是，采用局部再流焊方法焊接系统需要预先拥有焊点的类型和位置数据信息。焊点的类型和位置数据信息的获取有以下几种方法：(1）人机示教法（2）从PCB的CAD文件中通过程序自动获取数据的CAD法(3)通过图像处理自动获得数据的图像法。人机示教法存在劳动强度大和容易漏教的缺点;CAD法忽略了在实际生产过程中由于PCB的制造和装卡造成的误差；图像法是通过对装卡后的印刷电路板采集图像并处理而获得焊点信息,从而可以避

13、免上述问题的产生。所以采用第三种方法更为合适。该测量系统的工作原理是：光源发出的光经透镜变换形成平行光线，经过光学元件投射在线阵CCD上，形成目标影像，CCD上的光敏元件根据感受到的光强输出高低不同的电信号，经数据采集卡输入计算机.2、课程设计的题目和内容设计题目:表面印刷电路板焊点信息获取的光路及机械传动系统设计包括以下内容：(一) 涉及内容为：设计一个精密机械四幅传动系统、光学系统，完成设计内容如下:1. 设计机械传动、支承、导向与定位机构,画出整个机械系统的装配图;2. 设计光路与照明系统，并完成相关工程计算；3. 分析系统误差,并合理分配各环节误差。4. 编写设计计算说明书. （二）

14、基本要求为：1. 每个同学课程设计的题目虽然相同，但在功能、机械结构、光路与参数等方面应有所区别。2. 在教师的指导下,每名学生应独立完成设计任务。3. 通过课程设计使学生进一步巩固所学理论知识，使学生理论联系实际的能力得到应有提高。4. 通过课程设计，使学生在查阅资料、方案选择、分析计算等方面得到实践.5. 锻炼,培养学生独立从事工程设计的能力。6. 培养学生严谨的科学作风.3、课程设计的一般步骤及进度安排(一)、系统方案拟定1、系统总体组成框图如下：图像采集卡微 机CCD印刷电路板工作台驱动系统精密工作台位置检测2、图像采集过程1）待焊SMT-PCB放置在精密定位平台上2)CCD摄像机垂直

15、固定在平台上方3）CCD摄像机采集有关图像信息并将视频图像信号输入图像处理卡二、精密机械系统设计精密工作台系统控制框图如下：微 机PC接口板光电编码器精密工作台齿轮传动结构直流电机D/A板1、精密机械系统计算机械传动系统运动设计与计算（速比的确定、减速器内轴和齿轮的布置、滚珠丝杆导程和长度的确定等）；机械系统的动力计算（电机输出轴转矩计算、各齿轮模数和各轴的轴径确定、滚珠丝杆与滚动导轨的选择等）；寿命校核计算(齿轮、轴承、滚珠丝杆与滚动导轨的寿命校核等）；定位精度校核(主要是控制误差计算）。具体参数:定位精度+0. 01mm；最大工作负荷FW= N；工作台行程范围 mm； 调速范围D=50;电

16、机从静止到额定转速的启动时间小于800ms;工作台重量G= Kg；工作台最快进给速度 m/min；使用年限为15年，每天使用6小时。注:本课程设计主要完成虚线框部分进度安排:按日学时8小时计算,共两周时间完成，具体时间分配如下:5. 熟悉题目、查资料、拟定初步方案 3天6. 确定方案、参数计算、绘制图纸 6天7. 撰写设计说明书 2天8. 准备答辩并上交 1天三、光路系统设计典型光路系统组成框图如下：光源噪声显示储存目标(信息源)接收器信号处理传输光学系统和机构介质噪声其中目标就是观察的标本或欲测试的零件，即信息源,给出的是物体空间位置的信息。如果目标不是自发光体，必须进行人工照明。信息传播介

17、质可以是气体或液体。光学系统和机构是信息的调制器，它将目标的信息按预定的形式加以转换。在信息传递的各个环节都可能带来“噪声”，它使像质恶化，信噪比降低。接收器包括人眼、各种光电、热电或光化学元件,其目的是将信息进行处理，以便显示、储存、传输等。例如夜视望远镜中对目标要用红外光照明,并由目标的距离、大气的情况、接收器的灵敏阈、目标的反射率等来决定光源的功率；对接收器也只不过是从现有的品种中选用.光学系统与光源、接收器的性能密切相关，因此设计者实际上就是根据信息源及接收器的特征，按规定的功能插入一个正确的匹配器光学系统和机构。1、光学系统基本参数的确定(1）总体设计原则（2)光源 (3)显微系统及

18、其参数确定显微系统的特点及参数a) 放大率 b）数值孔径 c)视场 d）工作距离 e)光阑位置光学系统基本参数的决定(3) 投影系统及其参数确定投影光学系统的特点光学参数的决定2、光电系统中参数的确定具体参数：PCB板宽15cm，CCD像元长度29.26mm4、课程设计注意事项5、课程设计成果形式及成绩评定方法课程设计成果形式：(1) 设计机械传动、支承、导向与定位机构，画出整个机械系统的装配图1张(A1幅面）；（2） 设计光路与照明系统(A2幅面）； (3） 撰写设计说明书1份.成绩评定方法:课程设计是综合性实践环节，从四个方面按5级评分（优、良、中、及格、不及格)评定成绩。1. 学习纪律：

19、要求不迟到、不早退，在工作时间不做与本课程无关的内容，严格遵守各项规章制度.2. 工作态度要求:同学之间既要相互学习、相互配合，又要独立思考、深入钻研.3. 任务完成的情况:设计好的系统应满足任务书的要求，总结要全面，内容正确，图、表要求整洁、清晰。4. 答辩:学生在课程结束时应进行口试考核,学生应根据课程设计的内容讲解、回答教师的提问，教师视学生回答问题的情况给予40的成绩。6、参考资料1、赵松年机电一体化机械系统设计北京:机械工业出版社，19962、王庆有光电技术北京：电子工业出版社，2005年4月3、杨公源微机在机电一体化传动系统中的应用.电子工业出版社，北京，1994年9月4、李庆祥现

20、代精密仪器设计。清华大学出版社，2004年 5、曹俊卿工程光学基础中国计量出版社,2003年 精密仪器课程设计任务书一、设计内容:设计一个精密机械传动系统及光路系统，与测控总线及虚拟仪器课程设计中的伺服驱动系统、光电信号获取、微机总线接口电路构成一整体。二、具体要求：导轨采用滚动导轨；采用直流电机端面安装形式，用联轴器连接电机输出轴和变速箱输入轴； 采用CCD传感器获取图像的一维尺寸,自行选择放大率三、具体参数：定位精度+0. 001mm；最大工作负荷FW=100 N；工作台行程范围400 mm;调速范围D=50； 电机从静止到额定转速的启动时间小于800ms;工作台重量G=30 Kg;工作台

21、最快进给速度 m/min；使用年限为15年，每天使用6小时.PCB板宽 cm，CCD像元长度29.26mm四、具体任务：(一）计算与校核1、机械系统计算机械传动系统运动设计与计算（速比的确定、减速器内轴和齿轮的布置、滚珠丝杆导程和长度的确定等）；机械系统的动力计算（电机输出轴转矩计算、各齿轮模数和各轴的轴径确定、滚珠丝杆与滚动导轨的选择等）； 定位精度校核(主要是控制误差计算)。2、光路系统设计计算光路系统放大率及各焦距的确定。透镜、光源、光阑及相关光学元件的选择设计。(二）完成的文件材料设计机械传动、支承、导向与定位机构，画出整个机械系统的装配图1张（A1幅面）；设计光路与照明系统（A2幅面

22、）； 撰写设计说明书1份。五、进度安排：12月17日：查阅相关资料，总体方案确定；12月18日：机械系统设计方案确定；12月19日：光路系统设计方案确定;12月20日至12月21日:机械系统的计算与校核和设计参数确定12月22日至12月23日：光路系统的计算与校核和设计参数确定；12月24日至12月25日:机械系统装配图绘制；12月26日：光路与照明系统图样绘制；12月27日:撰写课程设计说明书；12月28日：检查并上交课程设计.六、参考文献:1、赵松年机电一体化机械系统设计北京:机械工业出版社，19962、王庆有光电技术北京:电子工业出版社，2005年4月3、杨公源微机在机电一体化传动系统中

23、的应用.电子工业出版社,北京，1994。9月4、李庆祥现代精密仪器设计.清华大学出版社，2004年 5、曹俊卿工程光学基础中国计量出版社，2003年 指导教师： 年 月 日安徽工程大学测控总线及虚拟仪器课程设计指导书 专 业：测控技术与仪器专业方向：测控技术机械与汽车工程2010年11月1、课程设计的目的依据培养计划，“测控总线及虚拟仪器"课程设计是“精密仪器”课程设计的后续教学内容，着力训练学生微机接口电路、电机控制与伺服驱动电路、CCD信号获取与处理电路的设计能力。它以“精密仪器”课程设计的机械平台为对象，使学生进一步理解和掌握测控系统硬件电路的整体面貌，为解决实际工程问题打下坚

24、实基础。2、课程设计的题目和内容设计题目：表面印刷电路板的电机控制及信号处理系统设计设计内容：选择PC机组建控制系统，控制系统的硬件电路通过总线形式与PC机连接,实现直流电机位置控制，直流电机采用PWM可逆方式驱动,当直流电机拖动工作台时，执行电路板焊接缺陷检测.本课程设计侧重与硬件电路设计，要求完成如下设计任务：1总线接口硬件电路设计,总线形式可以选择PCI/PC/ISA其中一种；2直流电机位置伺服控制硬件电路设计；3线阵黑白CCD传感器信号获取与处理电路设计3、课程设计的一般步骤及进度安排（1）确定设计方案,绘制结构原理示意图。整个系统的工作原理是：光源发出的光经透镜变换形成平行光线，通过

25、被测目标（工作台上具有焊点信息的PCB板）调制后,投射在线阵CCD（固定)上,形成目标影像，CCD上的光敏元根据感受到的光强输出高低不同的电信号，此时，让直流伺服电机带动工作台进行匀速移动,则CCD可以获取一维运动方向尺寸信息，经总线将这些高低电平送入单片机(计算机）进行处理，通过软件程序对获取的电信号进行处理来获取焊点信息的位置,通过LED或显示器进行显示。其中，此系统中，机械本体系统和光路系统的设计在精密仪器课程设计中完成，而光电信号获取电路、伺服电机驱动电路将在本课程设计中完成。检测系统框图如图1所示。本课程设计利用伺服直流电机带动被测对象（带有焊点信息的工作台）匀速运动，利用线阵CCD

26、对焊点的位置信息进行获取,通过PC总线将CCD获取的信息传送到单片机进行计算和处理，从而得出焊点的位置信息.整个检测系统由三部分组成:光电信号获取电路的设计、CCD驱动时序系统设计以及伺服电机的闭环控制系统.CCD摄像头二值化处理PC(ISA)总线PID控制伺服直流电机工作台(焊点信息)驱动时序单片机计数器位置反馈H桥驱动电流和速度反馈带动工作台运动显示PC机（8086）图1 CCD检测系统框图（2）具体电路部分的设计1）光电信号获取电路之CCD驱动电路设计光电获取电路设计包括CCD传感器的驱动时序电路的设计、CCD信号处理电路设计以及与单片机的接口电路设计上.这部分电路设计要求：1.掌握线阵

27、CCD像传感器的工作原理。理解线阵CCD像传感器的结构、性能及其对驱动电路的要求;2.学会某些TTL集成电路的运用，学会数字逻辑电路的设计；3组装出一个基本满足要求的2048像素的CCD驱动电路以及CCD信号的二值化处理.一、 CCD原理描述被检测对象的光信息通过光学成像系统成像于CCD的光敏面上,CCD的光敏像元将其上的光强度转换成电荷量.CCD在一定频率的时钟脉冲的驱动下，在CCD的输出端可以获得被测对象的视频信号。视频信号中的每一个离散的电压信号的大小对应于该光敏像元上图像的光强，信号输出的时序对应于该光敏像元在 CCD上的空间位置,从而CCD用自身电子扫描方式完成信息的从空间域到时间域

28、的变换。二、 线阵 CCD 时序脉冲电路产生的方法 设计 CCD 驱动时序的方法有以下几种:通用数字电路驱动方法EPROM 驱动方法 、单片机驱动方法 、专用 IC 驱动方法等。1通用数字电路驱动方法这种方法是用数字门电路和时序电路等直接搭成 CCD 时序驱动电路通过硬件电路来实现对 CCD 的驱动,它一般由主振 、计数器、分频器触发器和驱动器等中等规模集成芯片构成 CCD 芯片的早期产品。由于需要复杂的三相或四相交叠脉冲, 一般整个驱动电路需要 20 个左右芯片 ，存在体积较大 、功耗大、 成本高 、设计复杂、 开发周期长 、故障率高 、电路不够灵活等缺点 。但作为初次设计CCD驱动电路的同

29、学,需要锻炼运用基本电路实现CCD的驱动功能。 2EPROM 驱动方法在 CCD 的一个积分周期中含有多个(一般以千计）移位时钟，在一个移位时钟中各路信号在不同的时刻发生变化，设计者将移位时钟周期划分成若干个等时间间隔，称为状态.时钟波形电平变化发生在一定状态变化时刻，这样一行就被分为上万个状态,各路信号或1或0构成一个状态数据，依次装到可擦除可编程只读存储器EPROM中。只要等时间间隔地依次输出这些数据就形成了CCD所需要的各路波形.这种驱动电路一般由EPROM地址发生器（异步计数器)、地址信号同步电路（锁存器）和强制复位电路组成.显然这种电路的硬件依然比较复杂,同样具有体积大、功耗大、成本

30、高、设计复杂等缺点.但是，这种方法的最大优点是对任何型号的CCD来说，其硬件结构几乎不需要变化，故应用比较灵活。3单片机驱动方法使用单片机的并行输出端输出所需的驱动脉冲信号,再经驱动芯片接到 CCD对应管脚上获得所需要的脉冲序列。单片机产生的CCD驱动时序的方法主要是依靠程序编程直接输出驱动时序信号，由于时序是由程序指令间的延迟产生,因此这种方法在驱动过程中要占用全部CPU时间,而且为了时序的严密一般在驱动过程中都禁止中断响应。这种驱动时序产生方法的特点是调节时序灵活，编程简单，但由于受到单片机的时钟频率的限制,产生的频率受到很大限制，使其不能应用于高速领域。例如假定使用单片机机器周期为1s且

31、假定一个移位周期含8个状态，那么即使是全部采用单机器周期改变口输出数据，移位脉冲频率也只能达到125KHz。4.专用 IC 驱动方法这种方法就是利用专用 IC 来产生时序。这种电路是专门为驱动CCD 而设计，集成度高，功能强，使用方便 在对摄像等视频领域应用的CCD或是功能强大的面阵CCD进行驱动时使用这种驱动方法是首选。主要由普通数字芯片设计的驱动电路以及采用CPLD技术来完成驱动时序电路设计等。作为初次设计CCD驱动电路的学生，为了掌握基本的数字信号脉冲序列的产生原理，建议采用通用数字电路驱动方法。三、 驱动电路的设计原则首先根据光路系统选取CCD 接收到的光最敏感波长范围的光源，然后根据

32、焊点的分辨率和印刷电路板的宽度(电机带动电路板沿长度方向运动，对宽度进行一行一行的扫描）来选取CCD.通过查阅器件手册，根据数据速率的要求明确CCD象元信号的输出速率频率值，由它可以得到每个象元信号的读出周期，是像元信号输出控制脉冲，复位一次，输出一个信号。积分控制脉冲的一个周期包含有CCD器件上所有光敏元区 n1两端设置的黑白电平参考区 n2, 隔离区 n3、和过渡区n4的所有 MOS 单元转移所需要的时钟周期。则积分控制脉冲一次扫描中共包含有 n 个时钟周期n=n1+n2+n3+n4由此可以算出每次光积分所需要的最短时间为 =n×CCD 光积分控制脉冲的最高频率为 =是一个正极性

33、脉冲，在光积分控制脉冲=“1"的时间为信号电平的并行转移时间。=0的时间为光积分时间,光积分时间应远大于转移时间内，才能使光电栅极下的势阱中储存足够多的电荷信息，但转移时间不可太长.在确定了、等驱动信号的频率和特征之后，确定CCD的类型。查阅相关CCD器件的使用手册,得到这些驱动信号的波形图，然后根据它们的时序关系，设计出硬件逻辑框图.三路脉冲均为TTL电平,经驱动器进行电平转换后，送至CCD管脚的最大幅度为12。按照上述方法来确定驱动脉冲，就能够驱动CCD器件正常工作。为了提高测量精度，将的下降沿超前电荷转移脉冲的上升沿,这样在信号脉冲输出时，当下一级信号到来前就复位完毕，可以避免

34、MOS电容中的信号电荷包复位不完全，减小遗留电荷信号引起的误差。四、 举例这里以TCDl02C1型2048像素的CCD为例进行示例。TCDl02C1型结构原理图如图2所示。它包括：由存贮电极和电荷转移电极组成的摄像机构、两个CCD移位寄存器、输出机构和补偿机构四个部分.图中四周所画小圆圈表示器件的管脚，也就是与外电路连接的电极。在图的中央是器件的摄像机构或称摄像区,它具有2084个光敏元和存贮电极。由存贮电极和电荷转移电极SH组成两相MOS电容，它们起像传感和向CCD移位寄存器转移电荷包的作用。在2084个MOS电容中，有效的为2048个，他们携带图像信息，其余36个不带图像信息，只是为了保证

35、输出信号线性好而附加的.存贮电极上加固定电压（由OD端外加直流电压后获得),转移电极SH需外加脉冲电压。当脉冲低电平期间进行摄像，高电平期间进行电荷包转移.图2 TCDl02C1型结构原理图在摄像区的两侧为CCD移位寄存器，也是由一系列MOS电容组成。它们对光不敏感（光屏蔽了)只是接受摄像区转移来的电荷包，把它们逐个移位到输出机构中去，最后送到器件外面。摄像区中2084个MOS电容在光照下获得光生载流子形成电荷包。在电荷包转移期间，按奇偶序号分开,分别转移到两侧的移位寄存器中去.即CCD移位寄存器1接受奇数序号的电荷包；而CCD移位寄存器2接受偶数序号的电荷包.两个移位寄存器都有两相电极和外电

36、路连接.当外电路对1和2提供适当的驱动脉冲时，移位寄存器中的电荷包就由右向左（图中位置）移位。在结构安排上已保证两寄存器中的电荷包以奇、偶序号交替的方式把电荷包送到输出机构，以恢复摄像时的次序（可见，用两个移位寄存器提高了转移速度）。在图的左端是器件的输出机构。Q1、Q2为场效应管，它们构成源极跟随器,下接两个管子作跟随器负载电阻用。通过它们把携带图像信息的电荷包以电压的形式送到器件以外,也适合带动外电路负载。OS端就是CCD信号输出电极，RS电极为复位控制栅极，需要外加适当的复位脉冲.每当前一个电荷包输出完毕，下一电荷包尚未输出之前，RS电极上应出现复位脉冲，它把前一电荷包电荷抽走，使输出管

37、Ql的栅极电位复原，以准备接收下一电荷包到来。TCDl02C型CCD比其他型号CCD多设了采样保持电路。SP电极为采样保持控制端。当SP电极外加适当的脉冲电压时,CCD输出信号得到了采样保持，在OS输出端可得到连续信号(如下图的OS波形）。如果SP极不加脉冲电压而接直流电压,则采样保持电路不工作，CCD输出信号由电荷包直接形成负脉冲（如图3的OS*波形）。输出信号与入射光强成正比。 图2的右端1S、1G电极组成补偿机构,当外加适当脉冲电压时,可实现过零补偿（通常可以不用）。SS电极是MOS电容的衬底(硅片）,通常接地。(二)驱动脉冲的时序要求 要使CCD器件正常工作，需要在电极SH、1、2和R

38、S上分别加四路脉冲电压。(必要时再加一路采样保持用脉冲供给SP电极）。这四路脉冲的时序关系如图3所示。图3中，SH为电荷转移控制电极。SH脉冲高电平时，摄像区MOS电容中积累的光生电子按奇偶序号移向两侧的移位寄存器中（图 1），时间极短。SH脉冲低电平时为“采光”进行摄像时期，MOS电容对光生电子进行积累。可见，SH脉冲的周期决定了器件采光时间的长短.而在此期间，两侧移位寄存区在驱动脉冲作用下把上一次转移来的电荷包逐个依次输出到器件以外，图3 驱动脉冲时序图OS为SP接十12V时CCD输出信号；S1S2048是信号OS*为SP接脉冲电压时CCD输出信号可以看出，在SH低电平期间,两个移位寄存器

39、分别输出20842个信号脉冲。这就决定了SH信号周期必须大于20842个1、2脉冲周期.否则电荷包不能全部输出，就会影响下一周期输出信号的精确度。由此可得这两路脉冲之间有确定的频率关系。器件最佳驱动脉冲之频率1、2为500kHz.可高些或低些，太高则减小了电荷包传输效率,太低则暗噪声影响增大。一股光照强时,SH周期可短些，反之则长些。两侧移位寄存器中,每当1高电平时就输出一个电荷包，在结构上使两侧1电极轮流出现高电平，所以1、2脉冲一个周期内输出两个电荷包。这样复位脉冲也应出现两次。所以RS脉冲频率为1、2脉冲频率二倍.（三）驱动电路原理两相线阵CCD的驱动电路应有三个要求：（1)满足图3所示

40、四路脉冲时序要求不考虑SP。（2）对CCD提供的脉冲应满足一定的电压幅度（十12V）和功率要求(800mw).（3)CCD输出信号便于和外电路连接。于是得出驱动电路方块图如图4所示。图中，时钟和时序逻辑电路用来实现图3所示的时序逻辑关系,通常用TTL数字电路实现.而电平转换电平为了达到所需电压幅度和功率要求,射极跟随器用于引出CCD输出信号。要满足图3中驱动脉冲的时序要求最常用的方法是用同一时钟对几路脉冲进行控制，以保证相互间确定的时间关系。再用分频器对钟脉冲进行分频以产生各路脉冲所需之波形。下面是驱动电路的工作原理。1用与非门（或斯密特触发器74LSl4）74LS00组成环形振荡器作为时钟，

41、频率为3MHz。经三分频电路输出再和时钟输出相与非，即得RS脉冲，频率为lMHz。(此为典型值）。时钟时序逻辑电路CCDD电平转换电路射极跟随器图4 。驱动电路方框图图5 时序逻辑电路图2三分频输出端再接JK触发器组成的二分频电路。其输出即得到1、2脉冲。3由三个十分频(十进计数器）和一个二分频电路进行脉冲延时，然后去控制JK触发器就得到了所需的SH脉冲的周期。在SH脉冲低电平期间,两列移位寄存器需输出20842个脉冲。所以SH脉冲周期必须大于（或等于)20842个1(亦2)脉冲周期。这里用三个十分频和一个二分频电路可得SH的周期为2000个1周期。若设CCD采光时间即SH周期为1400个1周

42、期，当计数器计满1400脉冲时用与非门引出信号使JK触发器和计数器同时置零。JK触发器翻转即输出了SH脉冲之前沿。随后，由三分频之端输出触发JK触发器再次翻转，JK触发器翻回即提到SH脉冲之后沿，后沿比提前跳变，满足波形要求.电子转换电路一般采用MOS驱动器（如DS0026）,把、反相即得所需之SH、1、2、RS脉冲.CCD信号输出电路之射极跟随器如图6所示。 （3） 位置伺服控制电路设计这部分驱动电路设计要求:1、掌握直流伺服电机的工作原理，在此基础上正确的选型;2、掌握伺服驱动控制器的设计。2）光电信号获取电路之CCD 信号处理电路设计CCD信号处理电路设计方法包括：固定阀值法、浮动阀值法

43、以及微分法等。1。固定阀值法:2。浮动阀值法：3。微分法：3）接口总线电路设计由CCD信号经过二值化处理后,将TTL信号接入计数器进行计数，然后通过PC/ISA总线将信号送入微机进行计算、显示和存储,并且将控制电机的单片机作为下位机，受控于上位PC机，即信号的启动、发送利用PC机进行，而工作台的移动插补控制利用下位机进行，可提高系统运行速度，提高工作效率。其总线的连接参照相应的总线规范进行。8086/8088CPU引脚功能a)8086/8088CPU的引脚分类（1）数据/地址复用线、地址线、地址/状态复用线AD0AD7 、AD8AD15、)A16A19/S3S6；(2）常规信号GND（2个)、

44、CLK;（3）常用信号ALE、;(4）中断INTR、NaMI、；（5)、READY、RESET；（6）HOLD、HLDA；（7)（8086）（8088）、。b).两种模式下，名称和功能相同的32个引脚 VCC、GND：电源、接地引脚 AD15AD0（Address Data Bus）：地址/数据复用信号输入/输出引脚(16）. A19/s6A15/s3（Address Status Bus）：地址/状态复用信号输出引脚(4)。NMI(NonMaskable Interrupt)、INTR(Interrupt Request）：中断请求信号输入引脚。(Read)：读控制输出信号引脚。CLK/（C

45、lock）:时钟信号输入引脚8088/8088的时钟频率（又称为主频）为4。77MHz。最小模式下的系统典型配置Reset（Reset）：复位信号输入引脚。复位状态IP、DS、SS、ES寄存器及指令队列进行清零操作，而将CS设置为0FFFFH。READY（Ready):“准备好”状态信号输入引脚。 (Test）：测试信号输入引脚.MN/MX（Minimum/Maximum Model Control）最小/最大模式设置信号输入引脚。/S7（Bus High Enable/Status）：高8位数据允许/状态复用信号输出引脚（1)，输出。利用信号和AD0信号，可知系统当前的操作类型。c）.最小模

46、式下的2431引脚 当8088/8086CPU的引脚固定接+5V时，CPU处于最小模式下：(Interrupt Acknowledge）中断响应信号输出引脚。ALE（Address Lock Enable）:地址锁存允许输出信号引脚。（Data Enable）:数据允许输出信号引脚，低电平有效，为总线收发器8286提供一个控制信号，表示CPU当前准备发送或接收一项数据。（Data Transmit/Receive）：数据收发控制信号输出引脚.（Memory/Input Output)。 （Write)： 写控制信号输出引脚。 HOLD（Hold Request）： 总线保持请求信号输入引脚。

47、HLDA（Hold Acknowledge）。4）伺服电机驱动电路设计1.系统组成原理_1:offset null 14:-Vcc5: offset null 27:+ Vcc8:NC_+12348765_+UA741R1R2Rf+15V15V1567 10K 10K 2 3+10K10K501LM3111OUT1IN-1IN+GNDVcc2OUT2IN-2IN+12348765LM311TG光电编码器MVABABPC总线AD569速 度 控 制 器电 流 控 制 器16AB15V+15V+比较比较三角波发生器825540193401934019340193PAPB444444442位置伺服控

48、制原理1）、脉宽调制器（PWM）原理在脉宽调制器在PWM调速系统中，脉宽调制器的作用，是使电流调节器输出的直流电压电平（随时间按给定指令变化）与振荡器产生的确定频率的三角波叠加，然后利用线性组件产生宽度可变的矩形脉冲，经基极的驱动回路放大后加到功率放大器晶体管的基极,控制其开关周期及导通的持续时间。电流调节器输出的直流电压电平,是由插补器输出的速度指令转化而来的。经过脉宽调制器变为周期固定,脉宽可变的脉冲信号,脉冲宽度的变化随着速度指令变化而变化。由于脉冲周期不变，脉冲宽度改变将使脉冲平均电压改变.2）、脉宽调制器（PWM）的组成脉冲宽度调制器的种类很多，但从构成来看，都是由两部分组成,一是调

49、制信号发生器，二是比较放大器。而调制信号发生器都是采用三角波发生器或锯齿波发生器。图 6.37 为一种用三角波作为调制信号的脉宽调制器,该脉宽调制器适合双极性可逆式开关功率放大器。其中图（a)为三角波发生器，三角波发生器由二级运算放大器组成。第一级运算放大器 Q1组成的线路，实际上是频率确定的自激方波发生器，在它的输出端接上一个由运算放大器 Q2构成的积分器。其工作过程如下:设在电源接通瞬间 Q1的输出电压均为 Vd(运算放大器电源电压)，被送到 Q2的反相输入端.Q2组成的电路是一个积分器，输出电压逐渐升高，按线性比例关系上升，同时又被反馈到 Q1的输入端与 uB（uB通过 R2正反馈到 Q

50、1的输入端）进行比较，当比较之后的 uA>0 时，也就立即翻转，由于正反馈的作用，瞬间达到最大值 uB= + Vd。此时，t= t1而 u = VdR5/R2。而在 t1t<T 的区间，由 Q2输入端为 +Vd，经积分 Q2的输出电压 u线性下降.当 t=T 时，uA略小于零,Q1再次翻转为原来状态 Vd，即 uB= Vd，而 u = - VdR5/R2。如此，周而复始，形成自激振荡，于是在 Q2的输出端得到一串三角波电压，各点波形见图 6.38 中的上图.图 6.37 中的（b）,（c）为比较放大器电路,该线路能实现图 6。38 中的 ub1，ub2，ub3和 ub4的波形。在晶

51、体管 T1的前面电路中设有比较放大器 Q3,三角波电压u与控制电压 u比较后送入Q3的输入端。当 uer=0 时,运算放大器 Q3输出电压的正负半波脉宽相等(图中未画）。当uer>0 时，比较放大器 Q3的输出脉冲正半波宽度小于负半波宽度，而当 uer0 时，比较放大器Q3输出脉冲正半波宽度大于负半波宽度。如果三角波的线性度很好，则输出脉冲宽度可正比于控制电压uer，从而实现了模拟电压脉冲的转换.图中 ub1、ub2、ub3和 ub4是在一种特定情况下（输入信号为u+ uer)放大器 Q3、Q4、Q5和 Q6同时分别产生的 4 种脉冲信号.图中晶体管T1、T2、T3、T4是为了脉宽调制器

52、的驱动功率并保证它的正脉冲输出。3）、开关功率放大器开关功率放大器是脉宽调制速度单元的主回路。从结构形式可分为 T型放大器和 H 型放大器，在工作方式上又都有双极性和单极性 2 种工作方式。下面介绍一种用得最为广泛的 H 型开关电路，其电路图如图 6。39 所示。它由 4 个晶体管和 4 个续流二极管组成的桥式回路。M 为直流伺服电机，直流供电电源 +Ed由三相全波整流电源供给。它的控制方法为：将脉宽调制器输出的脉冲波 u b1，u b2，u b3和 u b4经基极驱动电路、光电藕合电路变为 Ub1，Ub2,Ub3和 Ub4信号加到开关功率放大器 4 个晶体管的基极，它们的波形见图 6。38，

53、是 ub1，ub2，ub3和 ub4驱动放大后的脉冲波，Ub1，Ub2，Ub3和 Ub4在相位、极性上与 ub1，ub2,ub3和 ub4相同.当电机工作在电动机状态时(即非制动、减速状态），在 0t<t1的时间区间内，Ub2，Ub3电压为正,T2和 T3饱和导通，在电枢两端加上直流电源向电机供给能量，这时电流方向从电源+Ed经 T3、电机电枢、T2、回到电源.在 tt<t2时，Ub1，Ub3均为负值,T1和 T3截止,电源 +Ed被切断,而此时 Ub3为正，因此由电枢电感的作用,电流经 T2和续流二极管 D4继续导通。在t2tt3时，Ub2，Ub3同时为正，+ Ed又经 T2和 T3加至电枢两端，电流继续流通。在 t3t T时，Ub2，Ub4同时为负，电源 +Ed再次被切断，Ub3为正值，由于电枢电感的作用,电枢电流经 T3和 D1而继续流通.由此可见,主回路输出电压（加在电枢上的电压）UAB是在 0 和 +Ed之间变。4）、数字脉冲比较器图 6.17 所示为该比较器的构成原理图。图中 U1,U4，U5,Us，U9均为或非门;U2，U3,U6，U7为D触发器；U12为八位移位寄存器；U10,U11为单稳态触发器；U14为可逆计数器。当指令脉冲 Pc