光电系统课程设计.ppt

1、光电系统课程设计2013,第一章 绪言,一、课程内容安排及有关事项 1、开设本课程的目的和意义 a. 了解电子电路的基本设计过程 b. 拓宽同学们的知识面 c. 探索科学合理的设计方法 d. 学习使用一种EDA 软件(Altium)， 为今后的工作和学习打基础 e. 以小组为单位设计一个基于单片机的小型光 电系统,2、课程基本内容 a. 讲解电子电路的基本设计过程 b. 讲解电子电路的设计难点 c. 讲解有关的生产工艺 d. 讲解元器件的有关知识 e. 介绍原理图的有关设计技术 f. 介绍印制板图的有关设计技术 g. 用15周的时间完成一个小型光电系统的设计,3、该课程涉及的相关知识,模拟电子

2、技术 数字电子技术 单片机原理与接口技术 光学系统与光电探测器 电子电路制造工艺 电磁兼容性设计,4、教学方法 讲课部分 a. 重点讲设计思路和设计方法 b. 从系统、从工程设计的角度来讲问题 系统：设计方案的系统性 知识结构的系统性 工程：理论联系实际,工程设计部分 核心理念： DIY 设计一个基于单片机的小型光电系统，学会根据设计题目的技术指标，从工程设计的角度出发，进行电子线路的方案论证、元器件选择、成本核算、系统优化、原理图绘制、PCB图绘制、设计文档整理、设计报告撰写等。,5、学习方法,a.变被动学习为主动学习 b.学习创新思维方法 c.培养自学能力 d.提高外语阅读水平 e.要舍得

3、花时间、花精力，没有捷径可走 f. 要培养团队合作精神，多想多问多讨论 g. 要学会找资料，扩大自己的信息来源,主要信息来源： a.互联网 公司网站 专业论坛 b.电子、计算机类期刊 电子产品世界 电子技术与应用 今日电子 电子元器件 电子产品设计 c.专著 d.教科书,6、课程考核方法：,理论考试40% 笔试(开卷) 工程设计60% 分层次实施 第一阶段：只需完成设计报告即可 第二阶段：需完成设计作品的图纸设计、加工、装配、 软硬件调试和性能测试,7、 参考书,a.“Altium Designer 电子设计应用教程” 高歌 著 ，电子工业出版社 b. “光电控制系统技术与应用”，韩兵 著，电

4、子工业出版社 c. “电子设备的电磁兼容性设计” 区健昌 著 ，电子工业出版社 d. 电子元器件数据手册和应用手册 登陆公司网站下载 e. “电磁兼容和印刷电路板” Mark I. Montrose著，刘元安译，人民邮电出版社 f. “电子工艺实训教材”，孙惠康主编 g. “电子产品制造技术”，王卫平主编，清华大学出版社 h. MCS-51系列教科书及相关参考书,8、总体时间安排,1-6周：上课 7-9周：原理方案设计，第9周周六原理方案讨论课 10-12周：原理方案优化，PCB设计，第11周周六PCB设计讨论课 12周周五：第二阶段上交设计文档 13周：指导教师筛选可送加工的作品 14-16

5、周：PCB加工，电子元器件准备，第16周安排一次装配调试方法讨论课 17周：设计作品装配调试，现场验收 18周周五：上交设计报告,9、本人的联系方式,Tel：87544833 E_mail: 实验室：南五楼425,二、EDA简介 EDA (Electronic Design Automation)主要软件供应商十几家，基本上为国外厂家主流软件：高端：Cadence Mentor普通：Altium Designer OrCAD Power PCB,Protel系列软件发展过程 1985：Protel Tango (DOS) 1991：Protel Tango (Windows) 1999：Pro

6、tel 99 2000：Protel 99 SE 2002：Protel DXP 2006：Altium Designer 06 2009：Altium Designer 09,第二章 光电系统基本设计原则,典型光电系统构成,电子电路的基本设计过程,任务书,资料收集,方案论证,原理图,仿真,制版图,设计文件,加工,装配,产品,调试,一、成本设计 1.影响成本的几个因素 a、元器件方面 精度：A/D的分辨率，运放的零点漂移等 速度：CPU的主频，A/D的采样速率等 功耗：笔记本与台式机CPU的差异 温度等级： 相对成本 民用 0 70 1 工业 -40 85 2 4 汽车 -40 125 35

7、军用 -55 150 10 （出口限制） 封装：陶瓷，塑料，金属外壳 批量大小：零售，批量,b、印制板 板材：陶瓷，环氧树脂，聚四氟乙烯，挠性 层数：单面，双面，多层 工艺：有铅/无铅，孔径 表面处理：字符，阻焊，焊盘处理（喷锡、沉金、沉银） 线条复杂程度：最细可达0.05mm 加工周期：1 15天 批量：单件，成批生产,2、降低成本的主要措施： a、物尽所用，量体裁衣 在满足系统总体性能的前提下，器件性能够用即可 设计误区： 用的器件越好，代表设计水平越高 用的器件越好，系统的性能会越高,b、硬件软化 在不影响系统性能的情况下，能够用软件实现的功能尽量用软件实现 作用：可降低硬件成本 设计灵

8、活 典型例子： 键盘防抖动 数字滤波器设计,c、充分挖掘CPU的系统资源 CPU上的可用资源： 中断控制器 定时器/计数器 WDT（看门狗） 存储器：FLASH_ROM SRAM 串口：SPI I2C UART USB CAN I/O口 A/D D/A RTC（实时时钟） 比较器 PWM（脉冲宽度调制器） QFP（光电脉冲编码器） LCD驱动器,d、尽量多的采用新技术 摩尔定律 1.新型号元器件集成度高，一片可取代旧器件多片 2.新器件性价比高 3.老器件越往后价格越高，直到停产，导致产品的材料、装配及维修成本都很高,二、热设计： 1、电路中的主要热源： a变压器,IN,OUT,PI,PO,P

9、O=k PI k1,b电源电路 线性电源电路,PD= ( VI VO )IL + VI IS VI VO 3V IS = 10 MA,开关电源,特点：1、效率高：高达98 2、输入电压范围大：85V270V 3、体积小，重量轻，成本低 4、噪声大,C电子元器件消耗的功率功率 芯片 电阻 D功率驱动电路 电机 电磁铁 电磁阀 扬声器,2发热带来的影响： a电路不能正常工作，甚至完 全损坏 b降低元器件的使用寿命 c 影响系统精度： A/D 和 D/A的参考源 运放的零点漂移 光电传感器暗电流、热噪声 d能量使用效率低,3、改善热性能的措施：（1）降低系统功耗 a、选用CMOS器件 b、选用高集成

10、度的芯片 c、降低电路工作频率 d、选用高效率器件：LED、步进电机 e、改变电路的工作模式 f、降低电路的工作电压： 5V 3.3V 2.7V 2.5V 1.8V 0.9V,（2）提高电源电路的转换功率： a线性电源 开关电源 b使用低压差稳压器（3）及时排出系统内的热量（4）优化电路布局，正确安装发热器件,三、 电磁兼容性设计 EMCElectron-Magnetic Compatibility EMIElectron-Magnetic Interference 电磁干扰频率范围： 0 150KHz 150KHz 30MHz 30MHz 300MHz 300MHz 1GHz 1GHz18G

11、Hz,部分国际权威电磁兼容性认证机构 IEC - 国际电工技术委员会 FCC -美国联邦通信委员会 CE - 欧共体 JIS - 日本 GBXXXX - 中国,1主要干扰源： （1）、继电器 电弧放电 （2）、电机 电刷触点切换 （3）、激光器电源 脉冲 上万伏 （4）、可控硅 开关噪声 （5）、高频数字电路 高频噪声 （6）、电源变压器 漏磁 （7）、尖峰放电如雷电等 短时高压 （8）、射频装备如雷达等 高频噪声 （9）、开关电源 开关噪声,2系统中容易受干扰的部分：a 弱信号检测电路 b计算机信号线（数据、地址、控制）c数/模、模/数转换电路,3. 常用的解决方法： a屏蔽：针对微弱信号探

12、测器、 变压器,屏蔽层,b隔离：电隔离,调制,解调,VI,VO,V+,2000V隔离,特点：1、可隔离模拟电压信号, 隔离电压高达2000V 2、线性度可达0.1% 3、价格高（3001000元人民币） 4、体积大,生产公司：ADI AD202KN TI,光电隔离,VI,VO,R1,R2,特点 1、用于开关信号隔离，隔离电压高达8000V 2、体积小 3、成本低（15元人民币） 4、可选的型号很多 4N25 4N30 6N37 TLP521 TLP541,c滤波：电源电路、放大电路,f,f0,0,滤波器频响曲线,Av,输入信号频谱,d 优化布线： 回路设计 多层板应用 优选板材料 e 软件算法

13、,四、机械性能设计 冲击、振动、加速度 1 电路板安装固定方法 2 电路板机械强度 （大小、形状、厚度、板材） 3 元器件的固定方法 4 电源线的抗拉、抗折强度 5 外壳的机械强度,五、可维修性设计 1 完备的信号测试点 2 足够的维修空间 3 元件封装型式的选择 4 设计系统自检软硬件， 便于故障定位,六、人体工艺和美学设计 手感：大小、重量、 表面质量 使用者差异：身高、用手习惯 外观：形状、比例、布局 色彩搭配,七、工艺特性设计 1、 电路板的加工工艺 a层数：单面、双面、多层 b板材：酚醛(FR-1)、环氧（FR-4）、 聚四氟乙烯、陶瓷、挠性 c表面工艺： 铅锡、镀金、阻焊、丝印 d

14、精细度：孔径 导线宽度 e阻抗控制,2元件装插工艺： 人工流水线 自动装插 3焊接工艺： 手工、浸焊、波峰焊、 回流焊、热风焊,八、高新技术的应用1、电子元器件方面 a . 通用数字逻辑器件： 淘汰系列：74xx74LSxx74Fxx 现用系列： COMS HC/HCT AC/ACT LVT, LCX，LVC VCC：5V 3.3V 2.5V 1.8V,b.可编程逻辑器件,小规模可编程器件： PAL/GAL 1000门 复杂可编程逻辑器件： CPLD 500050000门 现场可编程逻辑器件： FPGA 10000门 技术特点： 可随时更改设计方案，有些器件可在线编程（ISP） 可用高级语言编

15、程(VHDL Verilog HDL) 保密性能好 性能价格比高 功耗低 生产公司：XILINX ALTERA LATTICE,b. 单片机（以51系列为例） 标准型号（80年推出，20多年前淘汰） 无片内存储器（ROMless） 80C31 掩模型（MASK） 80C51 紫外光擦除型EPROM 87C51 8051兼容厂家（30多家）： Atmel AT89C51/52 SILICON LAB C8051F310 PHILIPS 87LPC767 SST SST89C51 CYPRESS WINBOND ADI,ROM: 1K 64K RAM: 128B 256B 256+4K 80C51

16、 80C52 C8051F040 中断源（数目）：5 20多个 主频：612MHz DC 0MHz 工作电压：5V 1 .V 6V 指令周期：12 1 个时钟周期,功耗：几百mA 几十mA 几mAA其它特性：芯片上集成的外设资源更丰富 A/D、D/A、比较器 PWM ：（电机控制） WDT：（Watchdog Timer） Timer：5个 DPTR：2个 串口：2个SIO ，I2C, SPI, CAN LCD驱动 价格：低至3元,WDT (Watchdog Timer),WDT,c. DSP (Digital Signal Processor) 主要特点： 特殊的芯片结构多总线哈佛结构 速度

17、高 单周期指令，并行处理（多达64处理单元）， 硬件乘法器 硬件堆栈，大容量片上内存(最大6MB)， 高速时钟(201500MHz) 外部可扩展存储器：高达2GB DDR2 DDR3 片上资源丰富 A/D, TIMER, PWM, WDT, RTC SPI, SCI, I2C, USB, CAN, PLL 性价比高 最低2美元生产厂家 TI, ADI , MOTOROLA , LUCENT, SIMENS NEC, FUJITSU, ZILOG,IDT,ARM,由英国ARM公司授权，全球几十家公司生产 系列：ARM7 ARM11，Cortex-A8/A9 成本低，功耗低 集成度高，接口丰富 D

18、RAM USB RTC INTERNET LCD PCI A/D D/A I2C SPI UART 软件支持丰富，可运行操作系统 主要用于信息终端和便携式设备,d. 接口芯片 A/D、D/A： 高速：高达1G SPS 高分辨率：8 24位 低功耗： 自带带参考源：1V 4.096V 串行接口：SPI I2C 电源管理：不用时可关闭该器件的电源,e . 运放： 早期运放 新型运放 工作电压： 3V 15V 1.5V 5V 输出幅度： VDD-1.5V VDD- 0.1V rail to rail（满摆幅） 低噪声 低功耗,f. 传感器： 带放大器：PIN光电探测器 数字化：温度传感器 CMOS图像传感器,2、 设计方法方面： a、模拟方式数字方式 b、硬件方法软件方法 c、单一方法多学科综合方法,第 三 章 光电系统课程设计流程,一、 明确设计任务 课程设计任务书可能包括以下内容：1、 性能指标精度、速度、测量范围、 输出范围、显示方式 、功能键、接口方法 2、软件要求： 使用平台、界面、数据处理方法,3、 工作环境： （在本课设中不作要求） 温度 湿度 振动等 4、 供电要求： 交流供电: 220V/50Hz 直流供电:电池,二、 技术资料准备 资料来源： 1、 专利文献 2、已有单元技术 3、公开刊物