光电系统课程设计.ppt

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 AltiumDesigner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 MarkI 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 87544833E mail wybhust 办公室 南五楼425 二 EDA简介EDA ElectronicDesignAutomation 主要软件供应商十几家 基本上为国外厂家主流软件 高端 CadenceMentor普通 AltiumDesignerOrCADPowerPCB Protel系列软件发展过程1985 ProtelTango DOS 1991 ProtelTango Windows 1999 Protel992000 Protel99SE2002 ProtelDXP2006 AltiumDesigner062009 AltiumDesigner09 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 3 4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 ROMSRAM串口 SPII2CUARTUSBCANI O口A DD ARTC 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 PO kPIk 1 b 电源电路 作用 AC DC220V24 12380V5 3 3 2 5 1 8 1 2 0 9 线性电源电路 PD VI VO IL VI ISVI VO 3VIS 10MA 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 85V 270V3 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i78核3 5G140WC8051F3100 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 5V3 3V2 5V1 8V1 2V0 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 MagneticCompatibilityEMI Electron MagneticInterference电磁干扰频率范围 0 150KHz150KHz 30MHz30MHz 300MHz300MHz 1GHz1GHz 18GHz 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 2000V隔离 特点 1 可隔离模拟电压信号 隔离电压高达2000V2 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 ADIAD202KNTI 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8000V2 体积小3 成本低 1 5元人民币 4 可选的型号很多4N254N306N37TLP521TLP541 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 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 74xx 74LSxx 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 CPLD2000 50000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 VHDLVerilogHDL 保密性能好 性能价格比高 功耗低生产公司 XILINXALTERALattice 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EPROM87C518051兼容厂家 30多家 AtmelAT89C51 52SILICONLABC8051F310C8051F020 040PHILIPS87LPC767SSTSST89C51CYPRESSWINBONDADI ROM 1K 64KRAM 128B 256B 256 4K80C5180C52C8051F040中断源 数目 5 20多个主频 6 12MHz DC 60MHz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mA A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 WatchdogTimer Timer 5个DPTR 2个串口 2个SIO I2C SPI CANLCD驱动价格 低至3元人民币 WDT WatchdogTimer WDT N位计数器 c DSP DigitalSignalProcessor 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 1500MHz 外部可扩展存储器 高达2GBDDR2DDR3 片上资源丰富 A D TIMER PWM WDT RTCSPI SCI I2C 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DRAMUSBRTCFlashRomINTERNETLCDA DD AI2CSPIUARTCAN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1GSPS高分辨率 8 24位低功耗 自带带参考源 1V 4 096V串行接口 SPII2C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 1Vrailtorail 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 UARTSPII2C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