《低频电子线路》课程设计)

1、辽宁师范大低频电子线路课程设计学（ 2009 级本科）题目：红外控制 9学院：物理与电子技术学院专业：电子信息工程班级：班级学号：姓名：指导教师：完成日期： 2011 年 6 月 23 日模拟电子技术课程设计：红外控制九一 内容摘要红外控制 9红外遥控发射接收系统。该系统主要通过三极管NPN、集成块CD4011以及若干元器件组成红外发射装置产生38 40KHZ频率的信号，由光电二极管接收并通过NE555 振荡电路，经过电解电容和二极管作用使小灯发光以达到设计目的。二 关键词一般 PCB基本设计流程如下： 前期准备 ->PCB结构设计 ->PCB布局 -> 布线 -> 布

2、线优化和丝印 -> 网络和 DRC检查和结构检查 -> 制版。第一：前期准备。这包括准备元件库和原理图。“工欲善其事，必先利其器” ，要做出一块好的板子，除了要设计好原理之外，还要画得好。在进行PCB设计之前，首先要准备好原理图SCH的元件库和 PCB的元件库。元件库可以用peotel自带的库，但一般情况下很难找到合适的，最好是自己根据所选器件的标准尺寸资料自己做元件库。 原则上先做PCB的元件库， 再做 SCH的元件库。 PCB的元件库要求较高， 它直接影响板子的安装；SCH的元件库要求相对比较松，只要注意定义好管脚属性和与PCB元件的对应关系就行。PS：注意标准库中的隐藏管脚。

3、之后就是原理图的设计，做好后就准备开始做PCB设计了。第二： PCB结构设计。 这一步根据已经确定的电路板尺寸和各项机械定位，在PCB设计环境下绘制PCB板面，并按定位要求放置所需的接插件、按键/ 开关、螺丝孔、装配孔等等。并充分考虑和确定布线区域和非布线区域（如螺丝孔周围多大范围属于非布线区域） 。第三： PCB布局。布局说白了就是在板子上放器件。这时如果前面讲到的准备工作都做好的话，就可以在原理图上生成网络表（Design->CreateNetlist），之后在 PCB图上导入网络表 （ Design->LoadNets ）。就看见器件哗啦啦的全堆上去了，各管脚之间还有飞线提示

4、连接。然后就可以对器件布局了。一般布局按如下原则进行：按电气性能合理分区，一般分为：数字电路区( 即怕干扰、又产生干扰) 、模拟电路区( 怕干扰 ) 、功率驱动区（干扰源） ；完成同一功能的电路，应尽量靠近放置，并调整各元器件以保证连线最为简洁；同时，调整各功能块间的相对位置使功能块间的连线最简洁；对于质量大的元器件应考虑安装位置和安装强度；发热元件应与温度敏感元件分开放置，必要时还应考虑热对流措施； I/O 驱动器件尽量靠近印刷板的边、靠近引出接插件；时钟产生器（如：晶振或钟振）要尽量靠近用到该时钟的器件；在每个集成电路的电源输入脚和地之间，需加一个去耦电容（一般采用高频性能好的独石电容）

5、；电路板空间较密时，也可在几个集成电路周围加一个钽电容。继电器线圈处要加放电二极管（1N4148即可）；布局要求要均衡，疏密有序，不能头重脚轻或一头沉需要特别注意，在放置元器件时，一定要考虑元器件的实际尺寸大小（所占面积和高度） 、元器件之间的相对位置，以保证电路板的电气性能和生产安装的可行性和便利性同时，应该在保证上面原则能够体现的前提下，适当修改器件的摆放，使之整齐美观，如同样的器件要摆放整齐、方向一致，不能摆得“错落有致”。这个步骤关系到板子整体形象和下一步布线的难易程度，所以一点要花大力气去考虑。布局时，对不太肯定的地方可以先作初步布线，充分考虑。第四：布线。布线是整个PCB设计中最重

6、要的工序。这将直接影响着PCB板的性能好坏。在 PCB 的设计过程中，布线一般有这么三种境界的划分：首先是布通，这时 PCB设计时的最基本的要求。如果线路都没布通，搞得到处是飞线，那将是一块不合格的板子，可以说还没入门。其次是电器性能的满足。这是衡量一块印刷电路板是否合格的标准。这是在布通之后，认真调整布线，使其能达到最佳的电器性能。接着是美观。假如你的布线布通了，也没有什么影响电器性能的地方，但是一眼看过去杂乱无章的，加上五彩缤纷、花花绿绿的，那就算你的电器性能怎么好，在别人眼里还是垃圾一块。这样给测试和维修带来极大的不便。布线要整齐划一，不能纵横交错毫无章法。这些都要在保证电器性能和满足其

7、他个别要求的情况下实现，否则就是舍本逐末了。布线时主要按以下原则进行：一般情况下，首先应对电源线和地线进行布线，以保证电路板的电气性能。在条件允许的范围内，尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线电源线信号线，通常信号线宽为：，最细宽度可达，电源线一般为。 对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路, 即构成一个地网来使用（模拟电路的地则不能这样使用）预先对要求比较严格的线（如高频线）进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。振荡器外壳接地，时钟线要尽量短，且不能引得到处都是。时

8、钟振荡电路下面、特殊高速逻辑电路部分要加大地的面积，而不应该走其它信号线，以使周围电场趋近于零；尽可能采用45o 的折线布线，不可使用90o 折线，以减小高频信号的辐射；（要求高的线还要用双弧线）任何信号线都不要形成环路，如不可避免，环路应尽量小；信号线的过孔要尽量少；关键的线尽量短而粗，并在两边加上保护地。通过扁平电缆传送敏感信号和噪声场带信号时，要用“地线- 信号 - 地线”的方式引出。关键信号应预留测试点，以方便生产和维修检测用原理图布线完成后，应对布线进行优化；同时，经初步网络检查和DRC检查无误后，对未布线区域进行地线填充，用大面积铜层作地线用, 在印制板上把没被用上的地方都与地相连

9、接作为地线用。或是做成多层板，电源，地线各占用一层。 PCB布线工艺要求线一般情况下，信号线宽为(12mil)，电源线宽为 (30mil)或(50mil)；线与线之间和线与焊盘之间的距离大于等于(13mil)，实际应用中，条件允许时应考虑加大距离；布线密度较高时，可考虑（但不建议）采用IC 脚间走两根线，线的宽度为(10mil)，线间距不小于 (10mil)。特殊情况下，当器件管脚较密，宽度较窄时，可按适当减小线宽和线间距。焊盘（ PAD）焊盘（ PAD）与过渡孔（ VIA）的基本要求是：盘的直径比孔的直径要大于；例如，通用插脚式电阻、电容和集成电路等，采用盘 / 孔尺寸（ 63mil/32m

10、il ），插座、插针和二极管 1N4007 等，采用（ 71mil/39mil ）。实际应用中，应根据实际元件的尺寸来定， 有条件时， 可适当加大焊盘尺寸； PCB板上设计的元件安装孔径应比元件管脚的实际尺寸大左右。过孔（ VIA）一般为 (50mil/28mil) ；当布线密度较高时，过孔尺寸可适当减小，但不宜过小，可考虑采用 (40mil/24mil) 。焊盘、线、过孔的间距要求PADandVIA：（ 12mil ）PADandPAD：（ 12mil ）PADandTRACK：（ 12mil ）TRACKandTRACK：（ 12mil ）密度较高时：PADandVIA：（ 10mil ）

11、PADandPAD：（ 10mil ）PADandTRACK：（ 10mil ）TRACKandTRACK：（ 10mil ）第五：布线优化和丝印。 “没有最好的，只有更好的” ！不管你怎么挖空心思的去设计，等你画完之后，再去看一看，还是会觉得很多地方可以修改的。一般设计的经验是：优化布线的时间是初次布线的时间的两倍。感觉没什么地方需要修改之后，就可以铺铜了（ Place->polygonPlane ）。铺铜一般铺地线（注意模拟地和数字地的分离） ，多层板时还可能需要铺电源。时对于丝印，要注意不能被器件挡住或被过孔和焊盘去掉。同时，设计时正视元件面，底层的字做镜像处理，以免混淆层面。第六

12、：网络和 DRC检查和结构检查。首先，在确定电路原理图设计无误的前提下，将所生成的 PCB 网络文件与原理图网络文件进行物理连接关系的网络检查（ NETCHECK），并根据输出文件结果及时对设计进行修正，以保证布线连接关系的正确性；网络检查正确通过后，对 PCB设计进行 DRC检查，并根据输出文件结果及时对设计进行修正，以保证 PCB布线的电气性能。最后需进一步对 PCB的机械安装结构进行检查和确认。第七：制版。在此之前，最好还要有一个审核的过程。PCB设计是一个考心思的工作，谁的心思密，经验高，设计出来的板子就好。所以设计时要极其细心，充分考虑各方面的因数（比如说便于维修和检查这一项很多人就

13、不去考虑） ，精益求精，就一定能设计出一个好板子。图 1 芯片功能图图 2 CD4011 内部保护网络图 3 图图4逻辑图逻辑表达式： Y = 真值表A=XYQ动作00禁止011设定100重置11不变无(1) 当 X=0、Y=0 时，将使两个 NAND门之输出均为 1，违反触发器之功用，故禁止使用。如真值表第一列。(2) 当 X=0、Y=1 时，由于 X=1导致 NAND-A的输出为” 1”，使得 NAND-B的两个输入均为” 1”，因此 NAND-B的输出为” 0”，如真值表第二列。(3) 当 X=1、Y=0 时，由于 Y=0导致 NAND-B的输出为” 1”，使得 NAND-1的两个输入均

14、为” 1，因此 NAND-A的输出为” 0”，如真值表第三列。(4) 当 X=1、Y=1时，因为一个”1 不影响 NAND门的输出， 所以两个 NAND 门的输出均不改变状态，如真值表第四列。注：由于资料来源有限，请自行对应逻辑符号。管脚功能：1A 数据输入端2A 数据输入端3A 数据输入端4A 数据输入端1B 数据输入端2B 数据输入端3B 数据输入端4B 数据输入端VDD 电源正VSS 地1Y 数据输出端2Y 数据输出端3Y 数据输出端4Y 数据输出端VDD电压范围： .5V to 18?功耗：双列普通封装700mW? 小型封装 500mW工作温度范围： CD4011BM -55 - +1

15、25 CD4011BC -40 - +85 ?ne555是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。ne555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。ne555时基电路有两种封装形式有，一是dip双列直插 8脚封装，另一种是sop-8 小型（ smd）封装形式。其他ha17555、 lm555、 ca555分属不同的公司生产的产品。内部结构和工作原理都相同。ne555的内部结构可等效成 23个晶体三极管 .17 个电阻 . 两个二极管 . 组成了比较器 .RS 触发器 . 等多组单元电路 . 特别是由三只精度较高 5k 电阻构成

16、了一个电阻分压器 . 为上 . 下比较器提供基准电压 . 所以称之为属于 cmos工艺制造 .NE555引脚图介绍如下1地 GND2触发3输出4复位5控制电压6门限 ( 阈值）7放电8电源电压 Vcc. NE555 的特点有：1. 只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。2. 它的操作电源电压范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。3. 其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。4. 它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。5. 静态电流最大值VCC =

17、 5 V, RL = =6mA VCC =15 V, RL = =15mANE555引脚图功能配置说明下：图 1-2 NE555 各脚功能 - 管脚图Pin 1 (接地 ) - 地线 ( 或共同接地 ) ，通常被连接到电路共同接地。Pin 2 ( 触发点 ) - 这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于 2/3 VCC，下缘须低于 1/3 VCC 。Pin 3 (输出 ) - 当时间周期开始 555的输出输出脚位，移至比电源电压少伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200mA 。Pin 4 (重置 ) - 一个低逻辑电位送至这

18、个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。Pin 5 (控制 ) - 这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下, 这输入能用来改变或调整输出频率。Pin 6 ( 重置锁定 ) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至 2/3 VCC 以上时启动这个动作。Pin 7 (放电)-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。Pin 8 (V +) -这是 555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+伏

19、特(最小值 ) 至+16伏特 ( 最大值) 。4. 红外发射接收原理红外遥控的概述：红外线的光谱位于红色光之外，波长是 m，比红光的波长还长。红外遥控是利用红外线进行传递信息的一种控制方式，红外遥控具有抗干扰，电路简单，容易编码和解码，功耗小，成本低的优点。红外遥控几乎适用所有家电的控制。一、红外遥控系统结构红外遥控系统的主要部分为调制、发射和接收，如图1 所示：图1红外遥控系统1. 调制红外遥控是以调制的方式发射数据，就是把数据和一定频率的载波进行“与”操作，这样既可以提高发射效率又可以降低电源功耗。调制载波频率一般在 30khz 到 60khz 之间，大多数使用的是 38kHz，占空比 1

20、/3 的方波，如图 2 所示，这是由发射端所使用的455kHz 晶振决定的。在发射端要对晶振进行整数分频，分频系数一般取12，所以455kHz÷12 kHz 38kHz。图 2 载波波形1. 发射系统目前有很多种芯片可以实现红外发射，可以根据选择发出不同种类的编码。由于发射系统一般用电池供电，这就要求芯片的功耗要很低，芯片大多都设计成可以处于休眠状态，当有按键按下时才工作，这样可以降低功耗芯片所用的晶振应该有足够的耐物理撞击能力，不能选用普通的石英晶体，一般是选用陶瓷共鸣器，陶瓷共鸣器准确性没有石英晶体高，但通常一点误差可以忽略不计。红外线通过红外发光二极管(LED) 发射出去，红外

21、发光二极管（红外发射管）内部构造与普通的发光二极管基本相同，材料和普通发光二极管不同，在红外发射管两端施加一定电压时，它发出的是红外线而不是可见光。1一体化红外接收头红外信号收发系统的典型电路如图所示，红外接收电路通常被厂家集成在一个元件中，成为一体化红外接收头。内部电路包括红外监测二极管，放大器，限副器，带通滤波器，积分电路，比较器等。红外监测二极管监测到红外信号，然后把信号送到放大器和限幅器，限幅器把脉冲幅度控制在一定的水平，而不论红外发射器和接收器的距离远近。交流信号进入带通滤波器，带通滤波器可以通过 30khz 到 60khz 的负载波，通过解调电路和积分电路进入比较器，比较器输出高低

22、电平，还原出发射端的信号波形。注意输出的高低电平和发射端是反相的，这样的目的是为了提高接收的灵敏度。一体化红外接收头，如图5a：?红外接收头的种类很多，引脚定义也不相同，一般都有三个引脚，包括供电脚，接地和信号输出脚。根据发射端调制载波的不同应选用相应解调频率的接收头。红外接收头内部放大器的增益很大，很容易引起干扰，因此在接收头的供电脚上须加上滤波电容，一般在22uf 以上。有的厂家建议在供电脚和电源之间接入330 欧电阻，进一步降低电源干扰。红外发射器可从遥控器厂家定制，也可以自己用单片机的PWM产生，家庭遥控推荐使用红外发射管(L5IR4-45) 的可产生的PWM, PWM占空比设置为1/

23、3,通过简单的定时中断开关PWM, 即可产生发射波形。主体部分一 设计内容及要求1. 设计内容 根据原理图制出PCB图 将电脑绘制的 PCB图转印到铜板上 腐蚀铜板打孔涂松香 晾干焊接调试2. 要求通过三极管 NPN、集成块 CD4011以及若干元器件组成红外发射装置产生3840KHZ频率的信号，由光电二极管接收并通过NE555振荡电路，经过电解电容和二极管作用使小灯发光。二 . 原理图及工作原理1. 流程图2. 原理图接收装置发光装置发射装置3. PCB 图4. 工作原理红外线通过红外发光二极管(LED) 发射出去，红外发光二极管（红外发射管）内部构造与普通的发光二极管基本相同，材料和普通发

24、光二极管不同，在红外发射管两端施加一定电压时，它发出的是红外线而不是可见光。通过三极管NPN、集成块CD4011以及若干元器件组成红外发射装置产生38 40KHZ频率的信号，由光电二极管接收并通过NE555振荡电路，经过电解电容和二极管作用使小灯发光。三元器件的识别1. 二极管正负极的判定二极管的主要特点是单向导电作用。可以用于交流电的整流和无线电波的检波。判断二极管极性用万能表 R*1 R*10 R*100 档均可。 红、黑表笔分别搭在被测二极管两端，如果表针动作幅度较大（满度的一半以上），则接红笔端为负极。如果表针不动或微动，则红笔端为正极。 一只管子要反复测几次，好的管子在正向导通时阻值

25、较小（表针摆动较大），反向电阻极大表针几乎不动。2. 三极管电极的判定(a) 判定基极。用万用表 R×100 或 R×1k 挡测量管子三个电极中每两个极之间的正、反向电阻值。当用第一根表笔接某一电极，而第二表笔先后接触另外两个电极 均测得低阻值时，则第一根表笔所接的那个电极即为基极 b。这时，要注意万用表表笔的极性，如果红表笔接的是基极 b。黑表笔分别接在其他两极时，测得的阻值 都较小，则可判定被测管子为 PNP型三极管；如果黑表笔接的是基极 b，红表笔分别接触其他两极时， 测得的阻值较小，则被测三极管为 NPN型管(b) 判定三极管集电极 c 和发射极 e。( 以 PNP

26、型三极管为例 ) 将万用表置于 R×100或 R×1K 挡，红表笔基极 b，用黑表笔分别接触另外两个管脚时，所测得的 两个电阻值会是一个大一些，一个小一些。在阻值小的一次测量中，黑表笔所接管脚为集电极；在阻值较大的一次测量中，黑表笔所接管脚为发射极。3. 红外发射接收管电极确定红外发射管与接收管的方法。红外对管的外形与普通圆形的发光二极管类似。可用型或其他型号指针式三用表的电阻挡，测量红外对管的极间电阻，以判别红外对管。判据一：在红外对管的端部不受光线照射的条件下调换表笔测量，发射管的正向电阻小，反向电阻大，且黑表笔接正极（长引脚）时，电阻小的（）是发射管。注：）黑表笔接正

27、极，红表笔接负极时测量正向电阻。4. 电解电容正负极的判定电容极性极性电容正负极判断。 只有电解电容的正极接电源正 （电阻挡时的黑表笔） ，负端接电源负（电阻挡时的红表笔）时，电解电容的漏电流才小（漏电阻大）。四组装调试1. 使用的主要仪器和仪表制板机、打孔机、示波器、稳压电源、交流毫伏表、信号发生器、万用表、电焊等。2. 调试电路的方法和技巧将示波器的正极与三极管的C极相连，负极与地线相连，同时信号发生器的正极与电源线相连，负极与地线相连，测出方波，方波频率在38 40KHZ之间3. 调试中出现的故障、原因及排除方法调试中有可能会出现杂波而无方波的情况，要耐心调节，也有能是电路板在焊接的时候

28、发生了短路，由于电源电压为 5V，可以根据电路原理及特性，利用万用表测出各支路的电压，查找出问题所在，及时改正。焊板过程中注意，既不能放在锡丝太久也不能太短的时间了，因为太久了可能会影响电路板上的镀铜脱落，太短了的话又可能会导致虚焊。当电子器件焊接错误或者是需要再次焊接时们应该很小心的拔出原来的器件，以防止弄坏电路板上的镀铜。在调试过程中注意轻拿轻放，不要把元器件及导线弄掉。调试中最多的是没有现象出现，或是现象不明显。很有可能是焊短路或是断路，元器件虚焊。接电源时注意正负极，以防烧坏元器件。使用万用表时注意量程。若是没有现象，要逐一检查各部分是否有短路或断路发生。使用示波器时注意周期的计算，得到稳定波形。五总结与展望1设计电路的特点电路的布线清晰，一目了然，元器件摆放美观，总体来说，布局还算可以，焊接点位置大小适中。2. 方案的优缺点设计方案的总体思路有误，由于对元器件没有做到充分的了解，导致把发射端的CD4011当做了 74LS00的输入输出