09光电课程设计最新课件.doc

光控定时器设计09级光电、电科专业电子线路课程设计课件张永清紫金学院电子信息与光电技术系2011.09电子线路课程设计目的和内容 电子线路课程设计是一门理论和实践相结合的课程。它融入了现代电子设计的新思想和新方法，架起一座利用单元模块实现电子系统的桥梁，帮助学生进一步提高电子设计能力。对于推动信息电子类学科面向21世纪课程体系和课程内容改革，引导、培养大学生创新意识、协作精神和理论联系实际的学风，加强学生工程实践能力的训练和培养，促进广大学生踊跃参加课外科技活动和提高毕业生的就业率都会起到了良好作用。该课程主要内容：（1）了解和掌握一个完整的电子系统设计方法和概念；（2）通过对电子系统的设计、实验仿真、安装和调试，了解和掌握电子系统研发产品的基本过程。（3）了解和掌握一些常见的单元电路设计方法和在电子系统中的应用：包括模拟电路、数字电路，信号调理电路、放大电路，滤波电路、比较电路、光电耦合电路，信号发生电路、计数器电路等。（4）通过编写设计文档与报告，进一步提高学生撰写科技文档的能力。（5）电子线路课程设计课题：设计并制作一个基于模电和数电技术的光控定时器。光控定时器设计 0904021班电子线路课程设计课件1、任务 设计并制作一个基于模电/数电技术的光控定时器。2、要求2.1 基本要求（1）时标信号时标信号为正弦信号。频率：1Hz100Hz；幅度：峰-峰值300mV。（2）光照度输出电平光照度（40 lux）：2.50V；光照度（20 lux）：1.50V。（3）定时和显示器定时时间：99S；显示位数：2位LED数码管。（4）启动按钮触摸式按钮开关。（5）继电器和负载5V直流继电器和LED指示灯。2.2 发挥部分（1）定时时间0s99s可调。（2）秒信号时标电路设计。（3）实现时标电路和光控定时器的隔离。（4）其他。2.3 设计报告（1）系统方案比较与选择、方案描述。（2）理论分析与计算（3）电路设计主电路原理图及说明。（4）仿真结果仿真电路、方法、说明及波形图。（5）测试结果测试结果完整性、测试结果分析。（6）使用说明书2.4 实物要求根据光控定时器要求，结合模电和数电的基础理论知识，完成方案、电路设计和仿真，并在面包板上完成连接、装配、调试和演示。2.5 实验器材回收 根据紫金学院实验设备处要求，实验器材要回收，请妥善保管个人领用的工具、面包板和元器件等，丢失和损害要按价赔偿。3、考核与评分标准电子线路课程设计要求一人一组、独立完成，在学生设计过程中鼓励自主设计，积极创新。学生的课程设计成绩主要从出勤情况、设计论证、设计仿真、实物验收、回答问题、设计报告等方面评定： （1）出勤情况：考查学生能否服从指导教师安排，是否无故缺勤，有无迟到早退现象等。 （2）设计论证：考查学生对设计方案的论证、相关知识的理解情况，考查学生是否具有独立分析、解决问题的能力，在规定时间内能否完成基本部分电路，以及提高部分电路的完成情况。（3）设计仿真：考查学生基本的实验仿真能力和熟练程度等。（4）实物验收：考查学生对整体设计项目的掌握、实施和电路设计准确程度。（5）设计报告：考查学生是否认真撰写设计报告，报告内容是否客观实际，论文格式是否符合科技论文要求。 （6）由指导教师根据以上5个方面给出每个学生的的成绩，其中出勤情况(10%)、设计论证（10%)、设计仿真(10%)、实物验收(50%)、论设计报告(20%)。学生成绩分为优秀、良好、中、及格、不及格。优秀：无缺课、迟到、早退，学习态度端正；设计方案正确、相关理论知识准备充分；实验操作熟练；独立完成全部设计项目、圆满完成设计的基本部分和提高部分，并有创新之处；能够正确回答指导教师的问题；论文报告书写规范、内容完成并符合客观实际，质量优秀；对整体设计项目的理解和掌握程度好。良好：无缺课、迟到、早退，学习态度端正；设计方案正确、相关理论知识准备充分；实验操作熟练；独立完成全部设计项目、圆满完成设计的基本部分和提高部分；能够正确回答指导教师的问题；论文报告书写规范、内容完成并符合客观实际，质量优秀；对整体设计项目的理解和掌握程度良好。中：无缺课、迟到、早退，学习态度端正；设计方案正确、相关理论知识准备较充分；实验操作较较熟练；独立完成全部设计项目、较好地完成设计的基本部分；能够正确回答指导教师的问题；论文报告书写规范、内容完成并符合客观实际，质量良好；对整体设计项目的理解和掌握程度较好。及格：无缺课、迟到、早退，学习态度端正；设计方案基本正确、相关理论知识准备较充分；实验操作熟练程度一般；能在老师和同学的协助下完成设计项目的基本部分；能够较正确回答指导教师的问题；论文报告书写规范、内容完成并符合客观实际，质量一般；对整体设计项目的理解和掌握程度一般。有以下情况之一者为不及格：无故缺课学时超过总课时三分之一及以上，学习态度不端正；无设计论证方案，相关理论知识准备不足；未完成设计项目的基本部分；论文报告书写不规范、错误明显；抄拷他人实验程序或论文报告。4、日程课程设计安排：第三周停课一周，9.13 9.19全天，0904021班进行电子线路课程设计。第三周的周六和周日不休息，第四周的周一不停课。4.1 上课9.13 上午8：00 10：00 上课， 地点：教B-204室。 下午14：00 15：00 领取元器件与工具， 地点：实B212室。4.2 仿真9.14 仿真实验， 地点：实C203和204室。4.3 安装、调试和验收9.14 9.16 安装和调试。 地点：实C203和204室。9.17 9.19 实物验收。 地点：实C203和204室。9.21 中午 每个同学递交电子线路课程设计报告打印稿，班长递交班级电子线路课程设计报告光盘。 地点：实B311室。4.4 实验室开放时间9.13 9.19 地点：实C203和204室上午 8：0012：00 ，下午 13：0017：00。5、参考资料1 谢自美电子线路综合设计武汉：华中科技大学出版社20062 郭勇余小平电子系统综合设计北京：北京大学出版社20073 蒋立平数字逻辑电路与系统设计.：北京：电子工业出版社20084 高吉祥电子技术基础实验与课程设计(2版).北京：电子工业出版社.20055 杨刚电子系统与实践北京：电子工业出版社20036 谢自美电子线路设计实验测试（第二版）武汉：华中科技大学出版社20007 胡宴如耿苏燕模拟电子技术基础北京：高等教育出版社20038 杨吉祥詹宏英电子测量技术基础南京：东南大学出版社19999 周文良电子电路设计与实践.北京：国防工业出版社2011.110 王松武电子创新设计与实践北京：国防工业出版社2010511 刘霞等电子设计与实践北京：电子工业出版社2009.412 元红妍张鑫电子综合设计实验教程济南：山东大学2005.7 课程设计指导老师：张永清李元浩曾志鹏朱 丹盛辉李 昂单小琴 136751258296、电子系统设计概述6.1 电子系统基本构成电子系统可以由若干子系统组成，子系统可以由若干子功能，模块组成，子功能模块可以由若干电子器件组成。电子系统构成示意图如图1。图1 电子系统构成示意图。6.2 电子系统设计工程问题（1）电子系统设计的一般方法：电子系统设计要求注重可行性、性能、可靠性、成本、功耗、使用方便和易维护性等。（2）总体方案的设计与选择：由技术指标将系统功能分解为若干子系统，形成若干单元功能模块。（3）单元电路的设计与选择：尽量采用熟悉的电路，注重开发利用新电路、新器件。要求电路简单，工作可靠，经济实用。6.3 电子系统设计的一般流程电子系统设计的一般流程如图2。图2 电子系统设计的一般流程图6.4 设计报告内容与格式设计报告书写格式应符电子线路课程设计报告书写格式范例。设计报告应包括如下内容：1、引言、设计要求与技术指标的确定； 2、方案选择、可行性论证和工作原理；3、单元电路设计、元件和参数选择4、仿真实验电路和波形图； 5、原始设计修改部分的说明； 6、功能与测试结果(仪器的使用及型号)； 7、安装与调试中发现的问题、故障排除方法及改进措施；结论；参考资料；附录。附录中应包含的内容：总电路图、单元电路图、元件布局图、输入/输出信号接线图、主要集成电路管脚排列图、真值表和全部元器件清单。7、光控定时器应用与光电器件7.1 光控定时器应用当满足一定光照度（自然光）时，光控定时器可以在规定的时间内自动驱动负载，按动触摸开关可多次重复驱动负载（负载形式可改变），定时时间由定时器的预置端数值设定。7.2 光照度和勒克斯光照度的单位是勒克斯lux，可用照度计直接测量。光照度的单位是勒克斯，被光均匀照射的物体，在1平方米面积上得到的光通量是1流明时，它的照度是1勒克斯。有时为了充分利用光源，常在光源上附加一个反射装置，使得某些方向能够得到比较多的光通量，以增加这一被照面上的照度。例如汽车前灯、手电筒、摄影灯等。以下是各种环境照度值：单位lux 黑夜：0.0010.02；月夜：0.020.3；阴天室内：550；阴天室外：50500；晴天室内：1001000；夏季中午太阳光下的照度：约为10*6次方；阅读书刊时所需的照度：5060；家用摄像机标准照度：1400 7.3 光电器件简介7.3.1 光敏管常见光敏器件有光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管等。光敏三极管（Phototransistor）和普通三极管相似，也有电流（Current）放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。 通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿（Temperature compensation）和附加控制等作用。当具有光敏特性的PN 结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。光敏三极管与普通半导体三极管一样，是采用半导体制作工艺制成的具有NPN 或PNP 结构的半导体管。它在结构上与半导体三极管相似，它的引出电极通常只有两个，也有三个的。光敏三极管和普通三极管的结构相类似。不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏三极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通三极管光敏三极管的结构如图3。为适应光电转换的要求，它的基区面积做得较大，发射区面积做得较小，入射光主要被基区吸收。和光敏二极管一样，管子的芯片被装在带有玻璃透镜金属管壳内，当光照射时，光线通过透镜集中照射在芯片上。图3 光敏三极管结构图当有光照射在基区时，激发产生的电子-空穴对增加了少数载流子的浓度，使集电结反向饱和电流大大增加，这就是光敏三极管集电结的光生电流。该电流注入发射结进行放大，成为光敏三极管集电极与发射极间电流，它就是光敏三极管的光电流。可以看出，光敏三极管利用普通半导体三极管的放大作用，将光敏二极管的光电流放大了( I + hFE) 倍。所以，光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。将光敏三极管接在图4电路中，光敏三极管的集电极接正电位，其发射极接负电位。当无光照射时，流过光敏三极管的电流，就是正常情况下光敏三极管集电极与发射极之间的穿透电流Iceo 它也是光敏三极管的暗电流，其大小为Iceo =(1 + hFE) I式中: Icbo-集电极与基极间的饱和电流;hFE -共发射极直流放大系数。图4 光敏三极管典型应用电路7.3.2 光耦合器光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力，在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。 光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。7.3.3 光耦隔离放大器ISO100是光耦隔离放大器。实现了高精确度、线性化和长时间温度稳定性。精细匹配光耦和对放大器采用激光修正，确保了其卓越的统调性能和低失调误差。ISO100可作为一个电流-电压变换器，其输入与输出端之间具有最小750V(2500V实验电压)电压，有效地断开了输入端与输出端之间公共电流的联系，具有超低漏电流，在240V/60Hz时最大漏电流为0.3A。用一个外部电阻可轻易地实现输出电压。ISO100的DC和AC性能突出，并具有多功能性，使得其在解决复杂的隔离题目时可提供极好的解决方案。例如，ISO100有能力工作在很多模式下，包括同相(单极性和双极性)和反相同相(单极性和双极性)配置，两个精密电流源可实现双极性工作。由于在这些不需要单电源工作的场合，用ISO100设计电路，可以几乎不用外围元件。输出电压Vout可以轻易地由IINRF确定，增益的变化可由改变一个电阻值来确定。另外，ISO100有足够的带宽来放大大多数产业和测试仪器的信号。7.3.4 功能（1）测量光强、光亮度和光照度等。（2）实现光电隔离，在信号传输过程中，光耦合器对输入、输出电信号有良好的隔离作用，在各种电路中得到广泛的应用。（3）非接触测量转速。转矩传感器在旋转轴上安装着60条齿缝的测速轮，在传感器外壳上安装的一只由发光二极管及光敏三极管组成的槽型光电开关架，测速轮的每一个齿将发光二极管的光线遮挡住时，光敏三极管就输出一个高电平，当光线通过齿缝射到光敏管的窗口时，光敏管就输出一个低电平，旋转轴每转一圈就可得到60个脉冲，每秒钟检测到的脉冲数等于每分钟的转速值。 例如：电机转速为1000转/分钟，特征系数为60，实测1分钟，计数器计数值1000转*60，如测1秒，计数器计数值为1000转。8、光控定时器设计8.1 光控定时器原理框图基于模电和数电技术的光控定时器可由五部分电路构成：触摸开关电路、光照度信号采集器，定时计数电路，逻辑控制电路和负载控制电路等组成，光控定时器方框图如图5。定时计数电路光照信号计数闸门触摸开关启 动时标负载控制电路信号负载图5 光控定时器方框图8.2 工作原理由图5光控定时器原理框图经细化后可形成电原理框图如图6。光强信号R-S触发器触摸开关触发整 形时 标信号调理负 载控制电路清 0继电器2位定时计数器图6 光控定时器电原理图本设计主要包括光照度信号采集电路，信号调理器、计数启动信号产生电路（单稳触发器），计数闸门电路（R-S触发器）、计数、译码驱动、显示电路、逻辑控制电路和继电器电路等。（1）光照度信号光照度信号经采集，放大器放大和电压比较器整形后，光照度输出为1，对应弱光，光照度输出为0，对应强光。（2）计数触发信号（单稳态电路）由光照度信号的上升沿触发单稳触发器1，产生计数启动信号，宽度一般约1ms，由电路中的RC值决定，计数触发信号使R-S触发器置1，打开计数器的一个计数控制端。（3）闸门信号（R-S触发器）当R-S触发器的输出为1，光照度信号也为1时，计数器可以进行计数和显示。继电器控制电路被接通，使负载点亮。（4）计数器采用,74LS160、74LS47和七段共阳数码管组成十进计数器电路，最大计数值100，74LS160输入端口的预置数可改变计数器的计数值。两个计数控制端分别由闸门信号和光照度信号控制。（5）继电器电路继电器电路由闸门信号和光照度信号控制，当两个信号都为1时，继电器被接通， LED发光二极管点亮。（6）触摸开关当光照度信号为1时，按触摸开关可在规定时间内点亮负载。（7）复位采用上电复位和计数器溢信号控制复位端8.3 时序参考图时序参考图如图7。图7 时序参考图当光度照信号从01时，其上升沿触发单稳电路产生计数启动信号，使计数闸门置1（RS触发器），自动启动负载，计数器开始计数。计数器产生的溢出信号，可使计数闸门置0（RS触发器），计数器清0，负载关闭。当光度照信号为1，触摸按钮使计数闸门置1（RS触发器），可手动启动负载。计数器开始计数。计数器产生的溢出信号，可使计数闸门置0（RS触发器），计数器清0，负载关闭。当光度照信号为0时，由于计数闸门的一控制端被光度照信号置0，计数器仍不工作，触摸按钮开关无效。9、电路设计9.1 光电管、放大器和电压比较器电路（1）光电管的应用光敏三极管基本应用电路如图8。 图8 光敏三极管基本应用电路图（2）放大器设计该放大器可以把技术指标规定的光电信号放大到足够的电平，以驱动后级的电压比较器，放大器可采用OP07集成运放，如图9和图10。图9 反相放大器图10 反相加法放大器（3）比较器设计比较器电路如图11，电压比较器的主要作用是把输入模拟光强信号转换成数字信号，电压比较器参考端的基准电压调整为2.0V左右，当输入端电压大于参考端电压时，该比较器电路实现翻转，完成对光强信号的整形。电压比较器可采用LM339，该芯片中含四个独立的比较器电路，由于其输出端为集电极开路，必须外接4K7上拉电阻才可正常工作。图11 电压比较器电路9.2 计数触发信号产生器计数触发信号产生器均用74LS123单稳态电路构成，74LS123内部含两个独立的单稳态电路，图12为由74LS123单稳态电路构成的计数触发信号产生器。通常是固定Ct，调整电路中的Rt值，可以得到不同脉宽的触发信号，注意的是，用光强输出信号的上升沿来触发单稳电路。电路中清0信号也由74LS123单稳态电路产生，取计数器溢出信号的上升沿触发单稳电路，调整R、C值，可得到合适宽度的清0信号。图12 由74LS123构成的计数触发和清0信号电路9.3 计数闸门电路（R-S触发器） R-S触发器电路如图13。由74LS20与非门电路组成，U15B的输出电平分别接计数器的一个计数控制端和继电器控制电路的一个输入端口。置1端，分别接计数触发信号和手动触摸开关，置0端，接清0信号。在设计中要确保R-S触发器的置1、置0控制端口平时均为1。.图13 RS触发器电路图9.4 计数器电路计数器、译码驱动和显示电路可分别采用74LS160、74LS47 和 LED七段共阳数码管。 74LS47译码驱动输出为低电平有效，输出端接共阳七段LED数码管。由74LS160组成的二级同步级联10*10=100进制计数器电路如图14。其中：EP和ET为计数控制端，1有效，LD和Rn为预置端和清0端，0有效。C为进位端，CP为时标输入端。74LS47译码驱动输入端与74LS160的D0、D1、D2和D3连接。74LS47译码驱动输出端与分别与共阳七段LED数码管的a、b、c、d、e、f和g连接。图14 由74LS160组成的二级同步级联10*10=100进制计数器电路图9.5 继电器驱动电路继电器驱动电路由继电器，三极管和与非门组成。电路如图15。图15 继电器驱动电路光强信号输出电平与R-S触发器输出电平驱动继电器示意图如图16。图16 继电器控制电路示意图9.6 电路布局电路设计完毕，在面包板上搭接电路之前，首先要考虑本设计信号的基本走向和各元器件在面包板上的相应位置，合理的元器件布局可以方便连线、减小干扰和有利电路调试，面包板上电路元器件布局参考图如图17。图17 面包板电路元器件布局参考图9.6.1 面包板使用方法本面包板由四块彼此独立的单元模板组合而成。红线贯通，一般可作为+电源线，蓝线贯通一般可作为地线。模块分割槽：DIP封装的集成电路管脚中心线（芯片缺口）对准分割槽插下。面包板分割槽水平方向上的小孔彼此都不通，面包板分割槽纵向方向上的小孔彼此都相通。9.6.2 电路芯片排列注意信号流向和芯片管脚的一致性，留有彼此连线的空间，显示器的排列要符合视角观察要求；9.6.3 连接线连接线要做到平直、有序、尽可能短、牢靠和美观。要方便调试，便于查看、分断和分辨。10、电路调试10.1 注意事项在电路调试之前要注意以下事项：（1）检查芯片位置方向，检查芯片电源和地连线正确。（2）检查各芯片和器件的连接线是否正确。（3）检查LED数码管各个管脚连线是否正确。（4）放大器电路采用5V供电，数字电路电压为+5V。10.2 调试注意：为简化和方便整体电路的调试工作，可根据每一个单元电路的技术要求进行相对独立的调试，每部分电路工作正常后，再进行其它电路的调试工作。（1）光电管遮挡光敏三极管改变输入光照度时，用三用表观察光电管电路输出端电平，电路正常时，输出电平约为0.1V2.5V左右，改变负载电阻得到不同的输出电平。（2）放大器调整光照度三极管的输出信号为500mV，用示波器观察光照度放大器的输入和输出信号波形，调整放大器放大倍数为24。（3）电压比较器在放大器后接电压比较器，保持光照度放大器信号输出端幅度范围为0.5V2.5V，调整电压比较器的参考基准电压为1.5V，用示波器观察电压比较器输出端应为0或1（TTL电平），并与光线强弱同步变化。（4）计数电路 计数电路在不加输入时基信号时，计数器、译码驱动和数码管电路如接线正确，数码管应该显示00，否则检查连接或更换器件。（5）触发和清0信号产生器 74LS123内部含两个独立的单稳态电路，可分别产生触发和清0信号。用光照输出信号的上升沿，作为输入触发源，产生器1输出计数启动触发信号，宽度由R1、C1值确定，可调整脉冲宽度为1ms左右，取C1=100n, R2=100k。用计数器产生的溢出信号上升沿，作为输入触发源，产生器2输出清0，宽度由R2、C2值确定，可调整整脉冲宽度为1ms左右，取C2 =100n, R2=100k。（6）计数闸门（R-S触发器） 计数闸门(R-S触发器)由74LS20与非门电路组成，其置0和置1端的各3个输入电平平时应均为1。当置1端为0时，R-S触发器输出端为高电平，接计数器的一个计数控制端。10.3 实验仪器示波器：TDO2022A；功率函数信号发生器： SP1631A；三路稳压电源：MPS-3003L-3；万用表：UNI-T。10.4 主要器件本设计采用的主要器件有：74LS00 、74LS04、74LS20、74LS160 、74LS47、74LS123 、LM339 、OP07、LM324、七段LED数码管、光敏三极管、发光二极管、开关