光电系统课程设计

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光电系统课程设计,2015,1,、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.,完成一个小型,光电系统,的设计,第一章 绪言,2,、该课程涉及的相关知识,模拟电子技术,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,3,、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。,4,、学习方法,a.,主动学习，培养自学能力,b.,不走捷径，善于发现问题、解决问题,c.,要培养团队合作精神,d.,要学会找资料，阅读外文资料,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,5,、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,6,、 参考书,“,Altium Designer,电子设计应用教程”,高歌 著 ，电子工业出版社,其它参考资料,a. “,光电控制系统技术与应用”，韩兵 著,，,电子工业出版社,b. “,电子设备的电磁兼容性设计”,区健昌 著 ，电子工业出版社,c.,电子元器件数据手册和应用手册 ，可登陆公司网站下载,d. “,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,e. “,电子工艺实训教材”，孙惠康主编,f. “,电子产品制造技术”，王卫平主编，清华大学出版社,g. MCS-51,系列教科书及相关参考书,7,、总体时间安排,1-6,周：上课,7-9,周：原理方案设计，第,8,周周六原理方案讨论课,10-11,周：原理方案优化，,PCB,设计，第,10,周周六,PCB,设计讨论课,11,周周,五,：,第二阶段上交设计文档,12,周：,指导教师筛选可加工的作品,13-15,周：,PCB,加工，电子元器件准备,16,周：设计作品装配调试，现场验收,17,周周五：上交设计报告,8,、本人的联系方式,Tel,：,87544833,办公室：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,：,Protel 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 3,汽车,-40 125,34,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，孔径大小,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 设计灵活,典型例子：,键盘防抖动：硬件防抖 ,软件防抖,滤波器设计：模拟 ,数字,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 I,2,C 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,P,I,P,O,P,O,=k P,I,k1,b,电源电路,作用：,AC,DC,220V 24,，,12,380V 5,，,3.3,，,2.5,，,1.8,，,1.2,，,0.9,线性电源电路,P,D,= ( V,I, V,O,)IL + V,I, I,S,VI VO 3V IS = 10 MA,线性电源电路,线性电源实物照片,开关电源,特点：1、效率高：高达98,2、输入电压范围大：85,V270V,3、,体积小，重量轻，成本低,4、噪声大,开关电源实物照片,开关电源原理图,线性电源,20W,开关电源,350W,C,电子元器件消耗的功率功率,芯片 ： 酷睿,i7 8,核,3.5G 140W,C8051F310 0.066W,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： 5,V 3.3V 2.5V 1.8V 1.2V 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,EMC,Electron-Magnetic Compatibility,EMI,Electron-Magnetic Interference,电磁干扰,频率范围,： 0, 150KHz,150,KHz 30MHz 30MHz 300MHz 300MHz 1GHz 1GHz18GHz,电磁干扰的传播途径：,辐射：通过空间的电磁波传播能量,天线效应：发射、接收,传导：通过导线传递干扰,电源线,信号电缆,电磁干扰传输示意图,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,CCC -,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：针对微弱信号探测器、 变压器,屏蔽层,b,隔离：变压器隔离,调制,解调,VI,VO,V+,2000,V,隔离,特点：1、可隔离,模拟电压信号, 隔离电压高达2000,V,2、线性度可达0.1%,3、价格高（,300,1000,元人民币）,4、体积大,生产公司：,ADI AD202KN,TI,AD202,原理框图,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8000,V,2、,体积小,3、成本低（,1,5,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,f,0,0,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,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,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：,74,xx74LSxx,74Fxx,现用系列：,COMS HC/HCT AC/ACT LVT, LCX,，,LVC,电源：,5V,3.3V,2.5V,1.5V,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 200050000,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 C8051F020/040 PHILIPS 87LPC767 SST SST89C51 CYPRESS WINBOND ADI,ROM: 1K 64K,RAM: 128B 256B 256+4K,80C51 80C52 C8051F040,中断源（数目）：5 ,20,多个,主频：612,MHz DC 60MHz,工作电压：5,V 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,：（脉冲宽度控制）,WDT,：（,Watchdog Timer,）,Timer,：,5,个,DPTR,：,2,个,串口：,2,个,SIO,，,I,2,C, SPI, CAN LCD,驱动 价格：低至,3,元人民币,WDT (Watchdog Timer),RST,CLR,时钟发生器,CPU,WDT,N,位计数器,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),， 主频,(20,1500MH,z,),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, I,2,C, USB, CAN, PLL,性价比高,最低,2,美元,生产厂家,TI, ADI,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/A15,成本低，功耗低,集成度高，接口丰富,DRAM USB RTC Flash,Rom,INTERNET LCD,A/D D/A I,2,C SPI UART CAN,软件支持丰富，可运行操作系统,应用：信息终端、便携式设备、工业控制,MIPS,构架,ARM,构架,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 I,2,C,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,高功率,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、,单一方法学科综合,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,：,（湿度 振动等在本课设中不作要求）,实验室室温,4,、,供电要求,：,交流供电:,220V/50Hz,直流供电:,AC/DC,电源适配器，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,4、,元器件,技术手册,三、,方案论证与,总体设计,1、,总体框架设计,光机电原理综合设计,光学：光源、光学结构,机械：运动件、支撑件、机体,传感器：光电类 其它类,硬件：信号处理、单片机及外设,数字逻辑电路、电源电路,软件：,C,、汇编,2、误差分配与精度分析,a、,光机电各模块误差分配,b、,电子电路部分,传感器 放大器,A/D,转换器 软件计算误差,3、,时序分析,主要是单片机接口时序,存储器,A/D、D/A,串行通信：,UART SPI I,2,C,等,中断时序,4、,信号波形分析：,A、,模拟信号波形,信号特征：幅度，极性，频率范围，,周期性特征，直流分量大小,噪声特征：噪声种类，噪声频谱,B、,组合逻辑信号,电平种类：,TTL，CMOS,5、,软件流程设计,总流程设计 顺序流程设计 时分 子流程设计 复杂流程设计 中断,关键点：时序图 流程图,6、,软硬件功能切块,组员之间的任务分工要合理,四、,关键元器件选型,性能：能否满足设计要求？ 价格：是否能够满足成本设计要求？ 封装：是否有利于实验测试和装配？ 供货：最小购买量是否有要求？,供货是否及时？ 技术支持,：相关的技术资料是否方便获得？,是否有参考源代码？,五、,成本分析,（以光电系统课设为例）,原材料,：,单片机,光电传感器,其它电子元器件,装配材料：导线 开关 螺钉 焊丝,PCB,加工：,50 200,元,六、,技术验证：,1、,软件仿真,放大器设计 滤波器设计,2、单元技术实验,光电探测电路：光电池 光电管,信号处理电路：放大 滤波 整形,驱动电路：电机驱动 等,七、,系统优化,成本最低,器件最少,体积最小,重量最轻,功耗最低,性能价格比最高,可靠性符合要求,八、加工装配调试,加工：,PCB,在专业厂家加工,原理实验场地：学院公共实验室,装配调试场地：学院公共实验室,