光電系統(tǒng)課程設計思路講義課件

1、光電系統(tǒng)課程設計2013光電系統(tǒng)課程設計思路講義課件第一章 緒言一、課程內(nèi)容安排及有關事項 1、開設本課程的目的和意義 a. 了解電子電路的基本設計過程 b. 拓寬同學們的知識面 c. 探索科學合理的設計方法 d. 學習使用一種EDA 軟件(Altium)， 為今后的工作和學習打基礎 e. 以小組為單位設計一個基于單片機的小型光 電系統(tǒng) 第一章 緒言一、課程內(nèi)容安排及有關事項2、課程基本內(nèi)容 a. 講解電子電路的基本設計過程 b. 講解電子電路的設計難點 c. 講解有關的生產(chǎn)工藝 d. 講解元器件的有關知識 e. 介紹原理圖的有關設計技術 f. 介紹印制板圖的有關設計技術 g. 用15周的時間

2、完成一個小型光電系統(tǒng)的設計2、課程基本內(nèi)容3、該課程涉及的相關知識模擬電子技術數(shù)字電子技術單片機原理與接口技術光學系統(tǒng)與光電探測器電子電路制造工藝電磁兼容性設計3、該課程涉及的相關知識 4、教學方法 講課部分 a. 重點講設計思路和設計方法 b. 從系統(tǒng)、從工程設計的角度來講問題 系統(tǒng)：設計方案的系統(tǒng)性 知識結構的系統(tǒng)性 工程：理論聯(lián)系實際 4、教學方法工程設計部分 核心理念： DIY 設計一個基于單片機的小型光電系統(tǒng)，學會根據(jù)設計題目的技術指標，從工程設計的角度出發(fā)，進行電子線路的方案論證、元器件選擇、成本核算、系統(tǒng)優(yōu)化、原理圖繪制、PCB圖繪制、設計文檔整理、設計報告撰寫等。工程設計部分5

3、、學習方法 a.變被動學習為主動學習 b.學習創(chuàng)新思維方法 c.培養(yǎng)自學能力 d.提高外語閱讀水平 e.要舍得花時間、花精力，沒有捷徑可走 f. 要培養(yǎng)團隊合作精神，多想多問多討論 g. 要學會找資料，擴大自己的信息來源5、學習方法 a.變被動學習為主動學習 主要信息來源： a.互聯(lián)網(wǎng) 公司網(wǎng)站 專業(yè)論壇 b.電子、計算機類期刊 電子產(chǎn)品世界 電子技術與應用 今日電子 電子元器件 電子產(chǎn)品設計 c.專著 d.教科書 主要信息來源： 6、課程考核方法：理論考試40% 筆試(開卷)工程設計60% 分層次實施 第一階段：只需完成設計報告即可 第二階段：需完成設計作品的圖紙設計、加工、裝配、 軟硬件調

4、試和性能測試6、課程考核方法：理論考試40%7、 參考書a.“Altium Designer 電子設計應用教程” 高歌 著 ，電子工業(yè)出版社b. “光電控制系統(tǒng)技術與應用”，韓兵 著，電子工業(yè)出版社c. “電子設備的電磁兼容性設計” 區(qū)健昌 著 ，電子工業(yè)出版社d. 電子元器件數(shù)據(jù)手冊和應用手冊 登陸公司網(wǎng)站下載e. “電磁兼容和印刷電路板” Mark I. Montrose著，劉元安譯，人民郵電出版社f. “電子工藝實訓教材”，孫惠康主編 g. “電子產(chǎn)品制造技術”，王衛(wèi)平主編，清華大學出版社h. MCS-51系列教科書及相關參考書7、 參考書a.“Altium Designer 電子設計應

5、8、總體時間安排1-6周：上課7-9周：原理方案設計，第9周周六原理方案討論課10-12周：原理方案優(yōu)化，PCB設計，第11周周六PCB設計討論課12周周五：第二階段上交設計文檔13周：指導教師篩選可送加工的作品14-16周：PCB加工，電子元器件準備，第16周安排一次裝配調試方法討論課17周：設計作品裝配調試，現(xiàn)場驗收18周周五：上交設計報告8、總體時間安排1-6周：上課9、本人的聯(lián)系方式Tel：87544833E_mail: 實驗室：南五樓4259、本人的聯(lián)系方式Tel：87544833二、EDA簡介 EDA (Electronic Design Automation)主要軟件供應商十幾家

6、，基本上為國外廠家主流軟件：高端：Cadence Mentor普通：Altium Designer OrCAD Power PCB 二、EDA簡介 EDA (Electronic Protel系列軟件發(fā)展過程1985：Protel Tango (DOS)1991：Protel Tango (Windows)1999：Protel 992000：Protel 99 SE2002：Protel DXP2006：Altium Designer 062009：Altium Designer 09 光電系統(tǒng)課程設計思路講義課件第二章 光電系統(tǒng)基本設計原則第二章 光電系統(tǒng)基本設計原則典型光電系統(tǒng)構成典型光

7、電系統(tǒng)構成電子電路的基本設計過程 任務書資料收集方案論證原理圖仿真制版圖設計文件加工裝配產(chǎn)品調試電子電路的基本設計過程 任務書資料收集方案論證原理圖仿真制版一、成本設計1.影響成本的幾個因素 a、元器件方面 精度：A/D的分辨率，運放的零點漂移等 速度：CPU的主頻，A/D的采樣速率等 功耗：筆記本與臺式機CPU的差異 溫度等級： 相對成本 民用 0 70 1 工業(yè) -40 85 2 4 汽車 -40 125 35 軍用 -55 150 10 （出口限制） 封裝：陶瓷，塑料，金屬外殼 批量大小：零售，批量一、成本設計b、印制板 板材：陶瓷，環(huán)氧樹脂，聚四氟乙烯，撓性 層數(shù)：單面，雙面，多層 工

8、藝：有鉛/無鉛，孔徑 表面處理：字符，阻焊，焊盤處理（噴錫、沉金、沉銀） 線條復雜程度：最細可達0.05mm 加工周期：1 15天 批量：單件，成批生產(chǎn)b、印制板2、降低成本的主要措施： a、物盡所用，量體裁衣 在滿足系統(tǒng)總體性能的前提下，器件性能夠用即可 設計誤區(qū)： 用的器件越好，代表設計水平越高 用的器件越好，系統(tǒng)的性能會越高 2、降低成本的主要措施： a、物盡所用，量體裁衣b、硬件軟化 在不影響系統(tǒng)性能的情況下，能夠用軟件實現(xiàn)的功能盡量用軟件實現(xiàn) 作用：可降低硬件成本 設計靈活 典型例子： 鍵盤防抖動 數(shù)字濾波器設計 b、硬件軟化c、充分挖掘CPU的系統(tǒng)資源 CPU上的可用資源： 中斷控

9、制器 定時器/計數(shù)器 WDT（看門狗） 存儲器：FLASH_ROM SRAM 串口：SPI I2C UART USB CAN I/O口 A/D D/A RTC（實時時鐘） 比較器 PWM（脈沖寬度調制器） QFP（光電脈沖編碼器） LCD驅動器 c、充分挖掘CPU的系統(tǒng)資源 d、盡量多的采用新技術 摩爾定律1.新型號元器件集成度高，一片可取代舊器件多片2.新器件性價比高3.老器件越往后價格越高，直到停產(chǎn)，導致產(chǎn)品的材料、裝配及維修成本都很高 d、盡量多的采用新技術二、熱設計： 1、電路中的主要熱源： a變壓器INOUTPIPOPO=k PI k1二、熱設計： 1、電路中的主要熱源： a變壓b電

10、源電路 線性電源電路PD= ( VI VO )IL + VI ISVI VO 3V IS = 10 MA b電源電路PD= ( VI VO )IL + V光電系統(tǒng)課程設計思路講義課件開關電源特點：1、效率高：高達98 2、輸入電壓范圍大：85V270V 3、體積小，重量輕，成本低 4、噪聲大開關電源特點：1、效率高：高達98光電系統(tǒng)課程設計思路講義課件C電子元器件消耗的功率功率 芯片 電阻D功率驅動電路 電機 電磁鐵 電磁閥 揚聲器 C電子元器件消耗的功率功率2發(fā)熱帶來的影響： a電路不能正常工作，甚至完 全損壞 b降低元器件的使用壽命 c 影響系統(tǒng)精度： A/D 和 D/A的參考源 運放的零

11、點漂移 光電傳感器暗電流、熱噪聲 d能量使用效率低2發(fā)熱帶來的影響： a電路不能正常工作，甚至完 3、改善熱性能的措施：（1）降低系統(tǒng)功耗 a、選用CMOS器件 b、選用高集成度的芯片 c、降低電路工作頻率 d、選用高效率器件：LED、步進電機 e、改變電路的工作模式 f、降低電路的工作電壓： 5V 3.3V 2.7V 2.5V 1.8V 0.9V3、改善熱性能的措施：（1）降低系統(tǒng)功耗 （2）提高電源電路的轉換功率： a線性電源 開關電源 b使用低壓差穩(wěn)壓器（3）及時排出系統(tǒng)內(nèi)的熱量（4）優(yōu)化電路布局，正確安裝發(fā)熱器件（2）提高電源電路的轉換功率： a線性電源 三、 電磁兼容性設計 EMCE

12、lectron-Magnetic Compatibility EMIElectron-Magnetic Interference 電磁干擾頻率范圍： 0 150KHz 150KHz 30MHz 30MHz 300MHz 300MHz 1GHz 1GHz18GHz 三、 電磁兼容性設計 EMC部分國際權威電磁兼容性認證機構IEC - 國際電工技術委員會FCC -美國聯(lián)邦通信委員會CE - 歐共體JIS - 日本GBXXXX - 中國部分國際權威電磁兼容性認證機構光電系統(tǒng)課程設計思路講義課件1主要干擾源： （1）、繼電器 電弧放電 （2）、電機 電刷觸點切換 （3）、激光器電源 脈沖 上萬伏 （4

13、）、可控硅 開關噪聲 （5）、高頻數(shù)字電路 高頻噪聲 （6）、電源變壓器 漏磁 （7）、尖峰放電如雷電等 短時高壓 （8）、射頻裝備如雷達等 高頻噪聲 （9）、開關電源 開關噪聲1主要干擾源： （1）、繼電器 2系統(tǒng)中容易受干擾的部分：a 弱信號檢測電路 b計算機信號線（數(shù)據(jù)、地址、控制）c數(shù)/模、模/數(shù)轉換電路2系統(tǒng)中容易受干擾的部分：a 弱信號檢測電路 3. 常用的解決方法： a屏蔽：針對微弱信號探測器、 變壓器 屏蔽層3. 常用的解決方法： a屏蔽：針對微弱信號探測器b隔離：電隔離調制解調VIVOV+2000V隔離特點：1、可隔離模擬電壓信號, 隔離電壓高達2000V 2、線性度可達0.

14、1% 3、價格高（3001000元人民幣） 4、體積大生產(chǎn)公司：ADI AD202KN TIb隔離：電隔離調制解調VIVOV+2000V隔離特點：1光電隔離VIVOR1R2特點1、用于開關信號隔離，隔離電壓高達8000V2、體積小3、成本低（15元人民幣）4、可選的型號很多 4N25 4N30 6N37 TLP521 TLP541光電隔離VIVOR1R2特點c濾波：電源電路、放大電路ff00濾波器頻響曲線Av輸入信號頻譜c濾波：電源電路、放大電路ff00濾波器頻響曲線Av輸入d 優(yōu)化布線： 回路設計 多層板應用 優(yōu)選板材料 e 軟件算法d 優(yōu)化布線：四、機械性能設計 沖擊、振動、加速度 1 電

15、路板安裝固定方法 2 電路板機械強度 （大小、形狀、厚度、板材） 3 元器件的固定方法 4 電源線的抗拉、抗折強度 5 外殼的機械強度四、機械性能設計 沖擊、振動、加速度 1五、可維修性設計 1 完備的信號測試點 2 足夠的維修空間 3 元件封裝型式的選擇 4 設計系統(tǒng)自檢軟硬件， 便于故障定位五、可維修性設計 1 完備的信號測試點 六、人體工藝和美學設計 手感：大小、重量、 表面質量 使用者差異：身高、用手習慣 外觀：形狀、比例、布局 色彩搭配六、人體工藝和美學設計七、工藝特性設計 1、 電路板的加工工藝 a層數(shù)：單面、雙面、多層 b板材：酚醛(FR-1)、環(huán)氧（FR-4）、 聚四氟乙烯、陶

16、瓷、撓性 c表面工藝： 鉛錫、鍍金、阻焊、絲印 d精細度：孔徑 導線寬度 e阻抗控制七、工藝特性設計 1、 電路板的加工工藝 a 2元件裝插工藝： 人工流水線 自動裝插 3焊接工藝： 手工、浸焊、波峰焊、 回流焊、熱風焊 2元件裝插工藝： 人工流水線 自動裝插八、高新技術的應用1、電子元器件方面 a . 通用數(shù)字邏輯器件： 淘汰系列：74xx74LSxx74Fxx 現(xiàn)用系列： COMS HC/HCT AC/ACT LVT, LCX，LVC VCC：5V 3.3V 2.5V 1.8V八、高新技術的應用1、電子元器件方面 a . 通用b.可編程邏輯器件小規(guī)?？删幊唐骷?PAL/GAL 1000門

17、復雜可編程邏輯器件： CPLD 500050000門現(xiàn)場可編程邏輯器件： FPGA 10000門技術特點：可隨時更改設計方案，有些器件可在線編程（ISP）可用高級語言編程(VHDL Verilog HDL)保密性能好性能價格比高功耗低生產(chǎn)公司：XILINX ALTERA LATTICEb.可編程邏輯器件小規(guī)?？删幊唐骷?PAL/GAL 光電系統(tǒng)課程設計思路講義課件 b. 單片機（以51系列為例） 標準型號（80年推出，20多年前淘汰） 無片內(nèi)存儲器（ROMless） 80C31 掩模型（MASK） 80C51 紫外光擦除型EPROM 87C51 8051兼容廠家（30多家）： Atmel A

18、T89C51/52 SILICON LAB C8051F310 PHILIPS 87LPC767 SST SST89C51 CYPRESS WINBOND ADI b. 單片機（以51系列為例） 標準型號ROM: 1K 64KRAM: 128B 256B 256+4K 80C51 80C52 C8051F040中斷源（數(shù)目）：5 20多個主頻：612MHz DC 0MHz工作電壓：5V 1 .V 6V指令周期：12 1 個時鐘周期ROM: 1K 64K 功耗：幾百mA 幾十mA 幾mAA其它特性：芯片上集成的外設資源更豐富 A/D、D/A、比較器 PWM ：（電機控制） WDT：（Watchd

19、og Timer） Timer：5個 DPTR：2個 串口：2個SIO ，I2C, SPI, CAN LCD驅動 價格：低至3元 功耗：幾百mA 幾十mA 幾WDT (Watchdog Timer) RST CLR 時鐘發(fā)生器CPUWDTWDT (Watchdog Timer) c. DSP (Digital Signal Processor) 主要特點： 特殊的芯片結構多總線哈佛結構 速度高 單周期指令，并行處理（多達64處理單元）， 硬件乘法器 硬件堆棧，大容量片上內(nèi)存(最大6MB)， 高速時鐘(201500MHz) 外部可擴展存儲器：高達2GB DDR2 DDR3 片上資源豐富 A/D,

20、 TIMER, PWM, WDT, RTC SPI, SCI, I2C, USB, CAN, PLL 性價比高 最低2美元生產(chǎn)廠家 TI, ADI , MOTOROLA , LUCENT, SIMENS NEC, FUJITSU, ZILOG,IDTc. DSP (Digital Signal Proce光電系統(tǒng)課程設計思路講義課件ARM由英國ARM公司授權，全球幾十家公司生產(chǎn)系列：ARM7 ARM11，Cortex-A8/A9成本低，功耗低集成度高，接口豐富 DRAM USB RTC INTERNET LCD PCI A/D D/A I2C SPI UART 軟件支持豐富，可運行操作系統(tǒng)主要

21、用于信息終端和便攜式設備ARM由英國ARM公司授權，全球幾十家公司生產(chǎn)光電系統(tǒng)課程設計思路講義課件 d. 接口芯片 A/D、D/A： 高速：高達1G SPS 高分辨率：8 24位 低功耗： 自帶帶參考源：1V 4.096V 串行接口：SPI I2C 電源管理：不用時可關閉該器件的電源 d. 接口芯片 A/D、D/A： e . 運放： 早期運放 新型運放 工作電壓： 3V 15V 1.5V 5V 輸出幅度： VDD-1.5V VDD- 0.1V rail to rail（滿擺幅） 低噪聲 低功耗 e . 運放： f. 傳感器： 帶放大器：PIN光電探測器 數(shù)字化：溫度傳感器 CMOS圖像傳感器f

22、. 傳感器： 帶放大器：PIN光電探測2、 設計方法方面： a、模擬方式數(shù)字方式 b、硬件方法軟件方法 c、單一方法多學科綜合方法2、 設計方法方面： a、模擬方式數(shù)字方式 第 三 章 光電系統(tǒng)課程設計流程 第 三 章 光電系統(tǒng)課程設計流程一、 明確設計任務 課程設計任務書可能包括以下內(nèi)容：1、 性能指標精度、速度、測量范圍、 輸出范圍、顯示方式 、功能鍵、接口方法 2、軟件要求： 使用平臺、界面、數(shù)據(jù)處理方法一、 明確設計任務 3、 工作環(huán)境： （在本課設中不作要求） 溫度 濕度 振動等 4、 供電要求： 交流供電: 220V/50Hz 直流供電:電池 3、 工作環(huán)境： （在本課設中不作要求） 二、 技術資料準備 資料來源： 1、 專利文獻 2、已有單元技術 3、公開刊物 4、元器件技術手冊二、 技術資料準備 資料來源： 1、 專三、 方案論證與總體設計1、總體框架設計 光機電原理