光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課件

光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

2013

光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

20131第一章緒言一、課程內(nèi)容安排及有關(guān)事項(xiàng)1、

開設(shè)本課程的目的和意義

a.了解電子電路的基本設(shè)計(jì)過(guò)程

b.拓寬同學(xué)們的知識(shí)面

c.探索科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方法

d.學(xué)習(xí)使用一種EDA軟件(Altium)，

為今后的工作和學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)e.以小組為單位設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的小型光

電系統(tǒng)

第一章緒言一、課程內(nèi)容安排及有關(guān)事項(xiàng)22、課程基本內(nèi)容a.

講解電子電路的基本設(shè)計(jì)過(guò)程

b.講解電子電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)

c.

講解有關(guān)的生產(chǎn)工藝

d.

講解元器件的有關(guān)知識(shí)

e.

介紹原理圖的有關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)

f.

介紹印制板圖的有關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)g.用15周的時(shí)間完成一個(gè)小型光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2、課程基本內(nèi)容33、該課程涉及的相關(guān)知識(shí)模擬電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)單片機(jī)原理與接口技術(shù)光學(xué)系統(tǒng)與光電探測(cè)器電子電路制造工藝電磁兼容性設(shè)計(jì)3、該課程涉及的相關(guān)知識(shí)44、教學(xué)方法

講課部分

a.

重點(diǎn)講設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法

b.

從系統(tǒng)、從工程設(shè)計(jì)的角度來(lái)講問(wèn)題系統(tǒng)：設(shè)計(jì)方案的系統(tǒng)性

知識(shí)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性工程：理論聯(lián)系實(shí)際

4、教學(xué)方法5工程設(shè)計(jì)部分

核心理念：DIY

設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的小型光電系統(tǒng)，學(xué)會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)題目的技術(shù)指標(biāo)，從工程設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，進(jìn)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(shè)計(jì)文檔整理、設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫等。工程設(shè)計(jì)部分65、學(xué)習(xí)方法a.變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)b.學(xué)習(xí)創(chuàng)新思維方法c.培養(yǎng)自學(xué)能力

d.提高外語(yǔ)閱讀水平

e.要舍得花時(shí)間、花精力，沒(méi)有捷徑可走f.要培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神，多想多問(wèn)多討論g.要學(xué)會(huì)找資料，擴(kuò)大自己的信息來(lái)源5、學(xué)習(xí)方法a.變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)7主要信息來(lái)源：a.互聯(lián)網(wǎng)

公司網(wǎng)站專業(yè)論壇

b.電子、計(jì)算機(jī)類期刊

《電子產(chǎn)品世界》《電子技術(shù)與應(yīng)用》

《今日電子》《電子元器件》《電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)》c.專著d.教科書

主要信息來(lái)源：86、課程考核方法：理論考試40%

筆試(開卷)工程設(shè)計(jì)60%

分層次實(shí)施第一階段：只需完成設(shè)計(jì)報(bào)告即可第二階段：需完成設(shè)計(jì)作品的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、加工、裝配、

軟硬件調(diào)試和性能測(cè)試6、課程考核方法：理論考試40%97、參考書a.“AltiumDesigner電子設(shè)計(jì)應(yīng)用教程”

高歌著，電子工業(yè)出版社b.“光電控制系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用”，韓兵著，電子工業(yè)出版社c.“電子設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計(jì)”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(cè)和應(yīng)用手冊(cè)登陸公司網(wǎng)站下載e.“電磁兼容和印刷電路板”

MarkI.Montrose著，劉元安譯，人民郵電出版社f.“電子工藝實(shí)訓(xùn)教材”，孫惠康主編g.“電子產(chǎn)品制造技術(shù)”，王衛(wèi)平主編，清華大學(xué)出版社h.MCS-51系列教科書及相關(guān)參考書7、參考書a.“AltiumDesigner電子設(shè)計(jì)應(yīng)108、總體時(shí)間安排1-6周：上課7-9周：原理方案設(shè)計(jì)，第9周周六原理方案討論課10-12周：原理方案優(yōu)化，PCB設(shè)計(jì)，第11周周六PCB設(shè)計(jì)討論課12周周五：第二階段上交設(shè)計(jì)文檔13周：指導(dǎo)教師篩選可送加工的作品14-16周：PCB加工，電子元器件準(zhǔn)備，第16周安排一次裝配調(diào)試方法討論課17周：設(shè)計(jì)作品裝配調(diào)試，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收18周周五：上交設(shè)計(jì)報(bào)告8、總體時(shí)間安排1-6周：上課119、本人的聯(lián)系方式Tel：87544833實(shí)驗(yàn)室：南五樓4259、本人的聯(lián)系方式Tel：8754483312二、EDA簡(jiǎn)介

EDA(ElectronicDesignAutomation)

主要軟件供應(yīng)商十幾家，基本上為國(guó)外廠家

主流軟件：

高端：

CadenceMentor

普通：

AltiumDesignerOrCADPowerPCB二、EDA簡(jiǎn)介

EDA(Electronic13Protel系列軟件發(fā)展過(guò)程1985：ProtelTango(DOS)1991：ProtelTango(Windows)1999：Protel992000：Protel99SE2002：ProtelDXP2006：AltiumDesigner062009：AltiumDesigner09光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課件14第二章

光電系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)原則第二章

光電系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)原則15典型光電系統(tǒng)構(gòu)成典型光電系統(tǒng)構(gòu)成16電子電路的基本設(shè)計(jì)過(guò)程

任務(wù)書資料收集方案論證原理圖仿真制版圖設(shè)計(jì)文件加工裝配產(chǎn)品調(diào)試電子電路的基本設(shè)計(jì)過(guò)程任務(wù)書資料收集方案論證原理圖仿真制版17一、成本設(shè)計(jì)1.影響成本的幾個(gè)因素

a、元器件方面精度：A/D的分辨率，運(yùn)放的零點(diǎn)漂移等速度：CPU的主頻，A/D的采樣速率等功耗：筆記本與臺(tái)式機(jī)CPU的差異溫度等級(jí)：相對(duì)成本

民用0~70℃1

工業(yè)-40~85℃2~4

汽車-40~125℃3~5

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(shè)計(jì)18b、印制板

板材：陶瓷，環(huán)氧樹脂，聚四氟乙烯，撓性層數(shù)：?jiǎn)蚊?，雙面，多層工藝：有鉛/無(wú)鉛，孔徑表面處理：字符，阻焊，焊盤處理（噴錫、沉金、沉銀）線條復(fù)雜程度：最細(xì)可達(dá)加工周期：1–15天批量：?jiǎn)渭?，成批生產(chǎn)b、印制板192、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(shè)計(jì)誤區(qū)：

用的器件越好，代表設(shè)計(jì)水平越高

用的器件越好，系統(tǒng)的性能會(huì)越高

2、降低成本的主要措施：

a、物盡所用，量體裁衣

20b、硬件軟化在不影響系統(tǒng)性能的情況下，能夠用軟件實(shí)現(xiàn)的功能盡量用軟件實(shí)現(xiàn)作用：可降低硬件成本設(shè)計(jì)靈活典型例子：鍵盤防抖動(dòng)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)b、硬件軟化21c、充分挖掘CPU的系統(tǒng)資源

CPU上的可用資源：中斷控制器定時(shí)器/計(jì)數(shù)器WDT（看門狗）存儲(chǔ)器：FLASH_ROMSRAM串口：SPII2CUARTUSBCANI/O口

A/DD/ARTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）比較器

PWM（脈沖寬度調(diào)制器）

QFP（光電脈沖編碼器）

LCD驅(qū)動(dòng)器

c、充分挖掘CPU的系統(tǒng)資源22

d、盡量多的采用新技術(shù)

摩爾定律1.新型號(hào)元器件集成度高，一片可取代舊器件多片2.新器件性價(jià)比高3.老器件越往后價(jià)格越高，直到停產(chǎn)，導(dǎo)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(shù)23二、熱設(shè)計(jì)：

1、

電路中的主要熱源：

a．變壓器INOUTPIPOPO=kPIk<1二、熱設(shè)計(jì)：

1、

電路中的主要熱源：

a．變壓24b．電源電路

線性電源電路PD=(VI–VO)×IL+VI×ISVI–VO≥3VIS=10MAb．電源電路PD=(VI–VO)×IL+V25光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課件26開關(guān)電源特點(diǎn)：1、效率高：高達(dá)98％2、輸入電壓范圍大：85V～270V3、體積小，重量輕，成本低4、噪聲大開關(guān)電源特點(diǎn)：1、效率高：高達(dá)98％27光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課件28C．電子元器件消耗的功率功率芯片電阻D．功率驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)電磁鐵電磁閥

揚(yáng)聲器

C．電子元器件消耗的功率功率292．發(fā)熱帶來(lái)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(yùn)放的零點(diǎn)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(lái)的影響：

a．電路不能正常工作，甚至完30

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(jìn)電機(jī)

e、改變電路的工作模式

f、降低電路的工作電壓：

5V3.3V2.7V2.5V1.8V0.9V

3、改善熱性能的措施：

（1）降低系統(tǒng)功耗

31（2）提高電源電路的轉(zhuǎn)換功率：

a．線性電源→開關(guān)電源

b．使用低壓差穩(wěn)壓器

（3）及時(shí)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(zhuǎn)換功率：

a．線性電源32

三、

電磁兼容性設(shè)計(jì)

EMC——Electron-Magnetic

Compatibility

EMI——Electron-Magnetic

Interference

電磁干擾頻率范圍：

0～150KHz

150KHz～30MHz

30MHz～300MHz

300MHz～1GHz

1GHz~18GHz三、

電磁兼容性設(shè)計(jì)

EMC33部分國(guó)際權(quán)威電磁兼容性認(rèn)證機(jī)構(gòu)IEC----國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)FCC----美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)CE----歐共體JIS----日本GBXXXX----中國(guó)部分國(guó)際權(quán)威電磁兼容性認(rèn)證機(jī)構(gòu)34光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課件351．主要干擾源：

（1）、繼電器電弧放電

（2）、電機(jī)電刷觸點(diǎn)切換

（3）、激光器電源脈沖上萬(wàn)伏

（4）、可控硅開關(guān)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(shí)高壓

（8）、射頻裝備如雷達(dá)等高頻噪聲

（9）、開關(guān)電源開關(guān)噪聲1．主要干擾源：

（1）、繼電器362．系統(tǒng)中容易受干擾的部分：

a．弱信號(hào)檢測(cè)電路b．

計(jì)算機(jī)信號(hào)線（數(shù)據(jù)、地址、控制）

c．

數(shù)/模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路

2．系統(tǒng)中容易受干擾的部分：

a．弱信號(hào)檢測(cè)電路373.常用的解決方法：

a．屏蔽：針對(duì)微弱信號(hào)探測(cè)器、

變壓器

屏蔽層3.常用的解決方法：

a．屏蔽：針對(duì)微弱信號(hào)探測(cè)器38b．隔離：電隔離

調(diào)制解調(diào)VIVOV+2000V隔離特點(diǎn)：1、可隔離模擬電壓信號(hào),隔離電壓高達(dá)2000V2、線性度可達(dá)0.1%3、價(jià)格高（300～1000元人民幣）4、體積大生產(chǎn)公司：ADIAD202KNTIb．隔離：電隔離

調(diào)制解調(diào)VIVOV+2000V隔離特點(diǎn)：139光電隔離VIVOR1R2特點(diǎn)1、用于開關(guān)信號(hào)隔離，隔離電壓高達(dá)8000V2、體積小3、成本低（1～5元人民幣）4、可選的型號(hào)很多4N254N306N37TLP521TLP541光電隔離VIVOR1R2特點(diǎn)40c．濾波：電源電路、放大電路

ff00濾波器頻響曲線Av輸入信號(hào)頻譜c．濾波：電源電路、放大電路

ff00濾波器頻響曲線Av輸入41d．優(yōu)化布線：

回路設(shè)計(jì)

多層板應(yīng)用

優(yōu)選板材料

e．軟件算法

d．優(yōu)化布線：42四、機(jī)械性能設(shè)計(jì)

沖擊、振動(dòng)、加速度

1．

電路板安裝固定方法

2．

電路板機(jī)械強(qiáng)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(qiáng)度

5．

外殼的機(jī)械強(qiáng)度

四、機(jī)械性能設(shè)計(jì)

沖擊、振動(dòng)、加速度

143五、可維修性設(shè)計(jì)

1．

完備的信號(hào)測(cè)試點(diǎn)

2．

足夠的維修空間

3．

元件封裝型式的選擇

4．

設(shè)計(jì)系統(tǒng)自檢軟硬件，

便于故障定位

五、可維修性設(shè)計(jì)

1．

完備的信號(hào)測(cè)試點(diǎn)

44六、人體工藝和美學(xué)設(shè)計(jì)

手感：大小、重量、表面質(zhì)量使用者差異：身高、用手習(xí)慣外觀：形狀、比例、布局色彩搭配六、人體工藝和美學(xué)設(shè)計(jì)45七、工藝特性設(shè)計(jì)

1、

電路板的加工工藝

a．層數(shù)：?jiǎn)蚊?、雙面、多層

b．板材：酚醛(FR-1)、環(huán)氧（FR-4）、

聚四氟乙烯、陶瓷、撓性

c．表面工藝：

鉛錫、鍍金、阻焊、絲印

d．精細(xì)度：孔徑導(dǎo)線寬度

e．阻抗控制七、工藝特性設(shè)計(jì)

1、

電路板的加工工藝

a46

2．元件裝插工藝：

人工流水線

自動(dòng)裝插

3．焊接工藝：

手工、浸焊、波峰焊、

回流焊、熱風(fēng)焊

2．元件裝插工藝：

人工流水線

自動(dòng)裝插

47八、高新技術(shù)的應(yīng)用

1、電子元器件方面

a.

通用數(shù)字邏輯器件：

淘汰系列：74xx→74LSxx-→74Fxx

現(xiàn)用系列：

COMS→HC/HCT→AC/ACT

→LVT,LCX，LVC

VCC：5V→3.3V→→八、高新技術(shù)的應(yīng)用

1、電子元器件方面

a.通用48b.可編程邏輯器件小規(guī)?？删幊唐骷篜AL/GAL≤1000門復(fù)雜可編程邏輯器件：CPLD5000～50000門現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件：FPGA≥10000門技術(shù)特點(diǎn)：①可隨時(shí)更改設(shè)計(jì)方案，有些器件可在線編程（ISP）②可用高級(jí)語(yǔ)言編程(VHDLVerilogHDL)③保密性能好④性能價(jià)格比高⑤功耗低生產(chǎn)公司：XILINXALTERALATTICEb.可編程邏輯器件小規(guī)?？删幊唐骷篜AL/GAL49光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課件50

b.

單片機(jī)（以51系列為例）

標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)（80年推出，20多年前淘汰）

無(wú)片內(nèi)存儲(chǔ)器（ROMless）80C31

掩模型（MASK）80C51

紫外光擦除型EPROM87C51

8051兼容廠家（30多家）：

AtmelAT89C51/52

SILICONLABC8051F310

PHILIPS87LPC767

SSTSST89C51

CYPRESS

WINBOND

ADIb.

單片機(jī)（以51系列為例）

標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)51ROM:1K~64KRAM:128B→256B→256+4K80C5180C52C8051F040中斷源（數(shù)目）：5→20多個(gè)主頻：6～12MHz→DC～６0MHz工作電壓：5V→1.２V～6V指令周期：12→1個(gè)時(shí)鐘周期ROM:1K~64K52

功耗：幾百mA→幾十mA→

幾mA→μA

其它特性：芯片上集成的外設(shè)資源更豐富

A/D、D/A、比較器

PWM：（電機(jī)控制）

WDT：（WatchdogTimer）

Timer：5個(gè)

DPTR：2個(gè)

串口：2個(gè)SIO，I2C,SPI,CAN

LCD驅(qū)動(dòng)

價(jià)格：低至3元

功耗：幾百mA→幾十mA→

幾53WDT(WatchdogTimer)RST

CLR時(shí)鐘發(fā)生器CPUWDTWDT(WatchdogTimer)54c.DSP(DigitalSignalProcessor)

主要特點(diǎn)：

?特殊的芯片結(jié)構(gòu)—多總線哈佛結(jié)構(gòu)

?速度高—單周期指令，并行處理（多達(dá)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(shí)鐘(20∽1500MHz)

外部可擴(kuò)展存儲(chǔ)器：高達(dá)2GBDDR2DDR3

?片上資源豐富—

A/D,TIMER,PWM,WDT,RTC

SPI,SCI,I2C,USB,CAN,PLL

?性價(jià)比高—最低2美元

生產(chǎn)廠家—

TI,ADI,MOTOROLA,LUCENT,SIMENS

NEC,FUJITSU,ZILOG,IDTc.DSP(DigitalSignalProce55光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課件56ARM由英國(guó)ARM公司授權(quán)，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

DRAMUSBRTCINTERNETLCDPCIA/DD/AI2CSPIUART軟件支持豐富，可運(yùn)行操作系統(tǒng)主要用于信息終端和便攜式設(shè)備ARM由英國(guó)ARM公司授權(quán)，全球幾十家公司生產(chǎn)57光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課件58

d.接口芯片

A/D、D/A：

高速：高達(dá)1GSPS

高分辨率：8~24位

低功耗：

自帶帶參考源：1V~4.096V

串行接口：SPII2C

電源管理：不用時(shí)可關(guān)閉該器件的電源d.接口芯片

A/D、D/A：

59e.運(yùn)放：

早期運(yùn)放新型運(yùn)放

工作電壓：±3V~±15V±1.5V~±5V

輸出幅度：｜VDD｜-1.5V｜VDD｜-0.1V

railtorail（滿擺幅）

低噪聲

低功耗

e.運(yùn)放：

60f.傳感器：

帶放大器：PIN光電探測(cè)器

數(shù)字化：溫度傳感器CMOS圖像傳感器f.傳感器：

帶放大器：PIN光電探測(cè)612、

設(shè)計(jì)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(xué)科綜合方法2、

設(shè)計(jì)方法方面：

a、模擬方式→數(shù)字方式

62

第三章

光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)流程

第三章

光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)流程

63

一、

明確設(shè)計(jì)任務(wù)

課程設(shè)計(jì)任務(wù)書可能包括以下內(nèi)容：

1、

性能指標(biāo)

精度、速度、測(cè)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(tái)、界面、數(shù)據(jù)處理方法

一、

明確設(shè)計(jì)任務(wù)

64

3、工作環(huán)境：

（在本課設(shè)中不作要求）

溫度濕度振動(dòng)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(shè)中不作要求）

65二、

技術(shù)資料準(zhǔn)備

資料來(lái)源：

1、

專利文獻(xiàn)

2、

已有單元技術(shù)

3、

公開刊物

4、

元器件技術(shù)手冊(cè)

二、

技術(shù)資料準(zhǔn)備

資料來(lái)源：

1、專66三、

方案論證與總體設(shè)計(jì)

1、總體框架設(shè)計(jì)

光機(jī)電原理綜合設(shè)計(jì)光學(xué)：光源、光學(xué)結(jié)構(gòu)機(jī)械：運(yùn)動(dòng)件、支撐件、機(jī)體傳感器：光電類其它類硬件：信號(hào)處理、單片機(jī)及外設(shè)數(shù)字邏輯電路、電源電路軟件：C、匯編三、

方案論證與總體設(shè)計(jì)

1、總體框架設(shè)計(jì)

672、誤差分配與精度分析

a、

光機(jī)電各大部分誤差分配

b、

電子電路部分分配

傳感器放大器

A/D轉(zhuǎn)換器軟件計(jì)算誤差

2、誤差分配與精度分析

a、

光機(jī)電各大部分誤差分配

683、時(shí)序分析

主要是單片機(jī)接口時(shí)序、

A/D、D/A、

中斷信號(hào)、I/O口設(shè)計(jì)

3、時(shí)序分析

主要是單片機(jī)接口時(shí)序、694、信號(hào)波形分析：A、模擬信號(hào)波形信號(hào)特征：幅度，極性，頻率范圍，周期性特征，直流分量大小噪聲特征：噪聲種類，噪聲頻譜B、組合邏輯信號(hào)電平種類：TTL，CMOS

4、信號(hào)波形分析：A、模擬信號(hào)波形705、軟件流程設(shè)計(jì)

總流程設(shè)計(jì)順序流程設(shè)計(jì)時(shí)分

子流程設(shè)計(jì)復(fù)雜流程設(shè)計(jì)中斷

關(guān)鍵點(diǎn)：畫流程圖

6、軟硬件功能切塊

組員之間的任務(wù)分工

5、軟件流程設(shè)計(jì)

總流程設(shè)計(jì)順序流程設(shè)計(jì)71四、

關(guān)鍵元器件選型

性能

價(jià)格

封裝

供貨情況

技術(shù)支持

四、

關(guān)鍵元器件選型

性能

價(jià)格

封裝

72五、

成本分析

以課設(shè)為例

原材料：

單片機(jī)

光電傳感器

其它電子元器件

裝配材料：導(dǎo)線開關(guān)螺釘焊絲PCB加工：200元左右

五、

成本分析

以課設(shè)為例73六、

技術(shù)驗(yàn)證：

1、軟件仿真

放大器設(shè)計(jì)濾波器設(shè)計(jì)

2、單元技術(shù)實(shí)驗(yàn)

光電探測(cè)電路：光電池光電管

信號(hào)處理電路：放大濾波整形

驅(qū)動(dòng)電路：電機(jī)等

六、

技術(shù)驗(yàn)證：

1、軟件仿真

74七、

系統(tǒng)優(yōu)化成本最低器件最少體積最小重量最輕功耗最低性能價(jià)格比最高可靠性符合要求七、

系統(tǒng)優(yōu)化成本最低75八、加工裝配調(diào)試

加工：PCB在專業(yè)廠家加工

裝配調(diào)試：在南七樓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行八、加工裝配調(diào)試76

光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

2013

光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

201377第一章緒言一、課程內(nèi)容安排及有關(guān)事項(xiàng)1、

開設(shè)本課程的目的和意義

a.了解電子電路的基本設(shè)計(jì)過(guò)程

b.拓寬同學(xué)們的知識(shí)面

c.探索科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方法

d.學(xué)習(xí)使用一種EDA軟件(Altium)，

為今后的工作和學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)e.以小組為單位設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的小型光

電系統(tǒng)

第一章緒言一、課程內(nèi)容安排及有關(guān)事項(xiàng)782、課程基本內(nèi)容a.

講解電子電路的基本設(shè)計(jì)過(guò)程

b.講解電子電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)

c.

講解有關(guān)的生產(chǎn)工藝

d.

講解元器件的有關(guān)知識(shí)

e.

介紹原理圖的有關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)

f.

介紹印制板圖的有關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)g.用15周的時(shí)間完成一個(gè)小型光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2、課程基本內(nèi)容793、該課程涉及的相關(guān)知識(shí)模擬電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)單片機(jī)原理與接口技術(shù)光學(xué)系統(tǒng)與光電探測(cè)器電子電路制造工藝電磁兼容性設(shè)計(jì)3、該課程涉及的相關(guān)知識(shí)804、教學(xué)方法

講課部分

a.

重點(diǎn)講設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法

b.

從系統(tǒng)、從工程設(shè)計(jì)的角度來(lái)講問(wèn)題系統(tǒng)：設(shè)計(jì)方案的系統(tǒng)性

知識(shí)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性工程：理論聯(lián)系實(shí)際

4、教學(xué)方法81工程設(shè)計(jì)部分

核心理念：DIY

設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的小型光電系統(tǒng)，學(xué)會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)題目的技術(shù)指標(biāo)，從工程設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，進(jìn)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(shè)計(jì)文檔整理、設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫等。工程設(shè)計(jì)部分825、學(xué)習(xí)方法a.變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)b.學(xué)習(xí)創(chuàng)新思維方法c.培養(yǎng)自學(xué)能力

d.提高外語(yǔ)閱讀水平

e.要舍得花時(shí)間、花精力，沒(méi)有捷徑可走f.要培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神，多想多問(wèn)多討論g.要學(xué)會(huì)找資料，擴(kuò)大自己的信息來(lái)源5、學(xué)習(xí)方法a.變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)83主要信息來(lái)源：a.互聯(lián)網(wǎng)

公司網(wǎng)站專業(yè)論壇

b.電子、計(jì)算機(jī)類期刊

《電子產(chǎn)品世界》《電子技術(shù)與應(yīng)用》

《今日電子》《電子元器件》《電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)》c.專著d.教科書

主要信息來(lái)源：846、課程考核方法：理論考試40%

筆試(開卷)工程設(shè)計(jì)60%

分層次實(shí)施第一階段：只需完成設(shè)計(jì)報(bào)告即可第二階段：需完成設(shè)計(jì)作品的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、加工、裝配、

軟硬件調(diào)試和性能測(cè)試6、課程考核方法：理論考試40%857、參考書a.“AltiumDesigner電子設(shè)計(jì)應(yīng)用教程”

高歌著，電子工業(yè)出版社b.“光電控制系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用”，韓兵著，電子工業(yè)出版社c.“電子設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計(jì)”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(cè)和應(yīng)用手冊(cè)登陸公司網(wǎng)站下載e.“電磁兼容和印刷電路板”

MarkI.Montrose著，劉元安譯，人民郵電出版社f.“電子工藝實(shí)訓(xùn)教材”，孫惠康主編g.“電子產(chǎn)品制造技術(shù)”，王衛(wèi)平主編，清華大學(xué)出版社h.MCS-51系列教科書及相關(guān)參考書7、參考書a.“AltiumDesigner電子設(shè)計(jì)應(yīng)868、總體時(shí)間安排1-6周：上課7-9周：原理方案設(shè)計(jì)，第9周周六原理方案討論課10-12周：原理方案優(yōu)化，PCB設(shè)計(jì)，第11周周六PCB設(shè)計(jì)討論課12周周五：第二階段上交設(shè)計(jì)文檔13周：指導(dǎo)教師篩選可送加工的作品14-16周：PCB加工，電子元器件準(zhǔn)備，第16周安排一次裝配調(diào)試方法討論課17周：設(shè)計(jì)作品裝配調(diào)試，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收18周周五：上交設(shè)計(jì)報(bào)告8、總體時(shí)間安排1-6周：上課879、本人的聯(lián)系方式Tel：87544833實(shí)驗(yàn)室：南五樓4259、本人的聯(lián)系方式Tel：8754483388二、EDA簡(jiǎn)介

EDA(ElectronicDesignAutomation)

主要軟件供應(yīng)商十幾家，基本上為國(guó)外廠家

主流軟件：

高端：

CadenceMentor

普通：

AltiumDesignerOrCADPowerPCB二、EDA簡(jiǎn)介

EDA(Electronic89Protel系列軟件發(fā)展過(guò)程1985：ProtelTango(DOS)1991：ProtelTango(Windows)1999：Protel992000：Protel99SE2002：ProtelDXP2006：AltiumDesigner062009：AltiumDesigner09光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課件90第二章

光電系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)原則第二章

光電系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)原則91典型光電系統(tǒng)構(gòu)成典型光電系統(tǒng)構(gòu)成92電子電路的基本設(shè)計(jì)過(guò)程

任務(wù)書資料收集方案論證原理圖仿真制版圖設(shè)計(jì)文件加工裝配產(chǎn)品調(diào)試電子電路的基本設(shè)計(jì)過(guò)程任務(wù)書資料收集方案論證原理圖仿真制版93一、成本設(shè)計(jì)1.影響成本的幾個(gè)因素

a、元器件方面精度：A/D的分辨率，運(yùn)放的零點(diǎn)漂移等速度：CPU的主頻，A/D的采樣速率等功耗：筆記本與臺(tái)式機(jī)CPU的差異溫度等級(jí)：相對(duì)成本

民用0~70℃1

工業(yè)-40~85℃2~4

汽車-40~125℃3~5

軍用-55~150℃10（出口限制）封裝：陶瓷，塑料，金屬外殼批量大?。毫闶?，批量一、成本設(shè)計(jì)94b、印制板

板材：陶瓷，環(huán)氧樹脂，聚四氟乙烯，撓性層數(shù)：?jiǎn)蚊?，雙面，多層工藝：有鉛/無(wú)鉛，孔徑表面處理：字符，阻焊，焊盤處理（噴錫、沉金、沉銀）線條復(fù)雜程度：最細(xì)可達(dá)加工周期：1–15天批量：?jiǎn)渭?，成批生產(chǎn)b、印制板952、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(shè)計(jì)誤區(qū)：

用的器件越好，代表設(shè)計(jì)水平越高

用的器件越好，系統(tǒng)的性能會(huì)越高

2、降低成本的主要措施：

a、物盡所用，量體裁衣

96b、硬件軟化在不影響系統(tǒng)性能的情況下，能夠用軟件實(shí)現(xiàn)的功能盡量用軟件實(shí)現(xiàn)作用：可降低硬件成本設(shè)計(jì)靈活典型例子：鍵盤防抖動(dòng)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)b、硬件軟化97c、充分挖掘CPU的系統(tǒng)資源

CPU上的可用資源：中斷控制器定時(shí)器/計(jì)數(shù)器WDT（看門狗）存儲(chǔ)器：FLASH_ROMSRAM串口：SPII2CUARTUSBCANI/O口

A/DD/ARTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）比較器

PWM（脈沖寬度調(diào)制器）

QFP（光電脈沖編碼器）

LCD驅(qū)動(dòng)器

c、充分挖掘CPU的系統(tǒng)資源98

d、盡量多的采用新技術(shù)

摩爾定律1.新型號(hào)元器件集成度高，一片可取代舊器件多片2.新器件性價(jià)比高3.老器件越往后價(jià)格越高，直到停產(chǎn)，導(dǎo)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(shù)99二、熱設(shè)計(jì)：

1、

電路中的主要熱源：

a．變壓器INOUTPIPOPO=kPIk<1二、熱設(shè)計(jì)：

1、

電路中的主要熱源：

a．變壓100b．電源電路

線性電源電路PD=(VI–VO)×IL+VI×ISVI–VO≥3VIS=10MAb．電源電路PD=(VI–VO)×IL+V101光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課件102開關(guān)電源特點(diǎn)：1、效率高：高達(dá)98％2、輸入電壓范圍大：85V～270V3、體積小，重量輕，成本低4、噪聲大開關(guān)電源特點(diǎn)：1、效率高：高達(dá)98％103光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課件104C．電子元器件消耗的功率功率芯片電阻D．功率驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)電磁鐵電磁閥

揚(yáng)聲器

C．電子元器件消耗的功率功率1052．發(fā)熱帶來(lái)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(yùn)放的零點(diǎn)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(lái)的影響：

a．電路不能正常工作，甚至完106

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(jìn)電機(jī)

e、改變電路的工作模式

f、降低電路的工作電壓：

5V3.3V2.7V2.5V1.8V0.9V

3、改善熱性能的措施：

（1）降低系統(tǒng)功耗

107（2）提高電源電路的轉(zhuǎn)換功率：

a．線性電源→開關(guān)電源

b．使用低壓差穩(wěn)壓器

（3）及時(shí)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(zhuǎn)換功率：

a．線性電源108

三、

電磁兼容性設(shè)計(jì)

EMC——Electron-Magnetic

Compatibility

EMI——Electron-Magnetic

Interference

電磁干擾頻率范圍：

0～150KHz

150KHz～30MHz

30MHz～300MHz

300MHz～1GHz

1GHz~18GHz三、

電磁兼容性設(shè)計(jì)

EMC109部分國(guó)際權(quán)威電磁兼容性認(rèn)證機(jī)構(gòu)IEC----國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)FCC----美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)CE----歐共體JIS----日本GBXXXX----中國(guó)部分國(guó)際權(quán)威電磁兼容性認(rèn)證機(jī)構(gòu)110光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課件1111．主要干擾源：

（1）、繼電器電弧放電

（2）、電機(jī)電刷觸點(diǎn)切換

（3）、激光器電源脈沖上萬(wàn)伏

（4）、可控硅開關(guān)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(shí)高壓

（8）、射頻裝備如雷達(dá)等高頻噪聲

（9）、開關(guān)電源開關(guān)噪聲1．主要干擾源：

（1）、繼電器1122．系統(tǒng)中容易受干擾的部分：

a．弱信號(hào)檢測(cè)電路b．

計(jì)算機(jī)信號(hào)線（數(shù)據(jù)、地址、控制）

c．

數(shù)/模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路

2．系統(tǒng)中容易受干擾的部分：

a．弱信號(hào)檢測(cè)電路1133.常用的解決方法：

a．屏蔽：針對(duì)微弱信號(hào)探測(cè)器、

變壓器

屏蔽層3.常用的解決方法：

a．屏蔽：針對(duì)微弱信號(hào)探測(cè)器114b．隔離：電隔離

調(diào)制解調(diào)VIVOV+2000V隔離特點(diǎn)：1、可隔離模擬電壓信號(hào),隔離電壓高達(dá)2000V2、線性度可達(dá)0.1%3、價(jià)格高（300～1000元人民幣）4、體積大生產(chǎn)公司：ADIAD202KNTIb．隔離：電隔離

調(diào)制解調(diào)VIVOV+2000V隔離特點(diǎn)：1115光電隔離VIVOR1R2特點(diǎn)1、用于開關(guān)信號(hào)隔離，隔離電壓高達(dá)8000V2、體積小3、成本低（1～5元人民幣）4、可選的型號(hào)很多4N254N306N37TLP521TLP541光電隔離VIVOR1R2特點(diǎn)116c．濾波：電源電路、放大電路

ff00濾波器頻響曲線Av輸入信號(hào)頻譜c．濾波：電源電路、放大電路

ff00濾波器頻響曲線Av輸入117d．優(yōu)化布線：

回路設(shè)計(jì)

多層板應(yīng)用

優(yōu)選板材料

e．軟件算法

d．優(yōu)化布線：118四、機(jī)械性能設(shè)計(jì)

沖擊、振動(dòng)、加速度

1．

電路板安裝固定方法

2．

電路板機(jī)械強(qiáng)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(qiáng)度

5．

外殼的機(jī)械強(qiáng)度

四、機(jī)械性能設(shè)計(jì)

沖擊、振動(dòng)、加速度

1119五、可維修性設(shè)計(jì)

1．

完備的信號(hào)測(cè)試點(diǎn)

2．

足夠的維修空間

3．

元件封裝型式的選擇

4．

設(shè)計(jì)系統(tǒng)自檢軟硬件，

便于故障定位

五、可維修性設(shè)計(jì)

1．

完備的信號(hào)測(cè)試點(diǎn)

120六、人體工藝和美學(xué)設(shè)計(jì)

手感：大小、重量、表面質(zhì)量使用者差異：身高、用手習(xí)慣外觀：形狀、比例、布局色彩搭配六、人體工藝和美學(xué)設(shè)計(jì)121七、工藝特性設(shè)計(jì)

1、

電路板的加工工藝

a．層數(shù)：?jiǎn)蚊?、雙面、多層

b．板材：酚醛(FR-1)、環(huán)氧（FR-4）、

聚四氟乙烯、陶瓷、撓性

c．表面工藝：

鉛錫、鍍金、阻焊、絲印

d．精細(xì)度：孔徑導(dǎo)線寬度

e．阻抗控制七、工藝特性設(shè)計(jì)

1、

電路板的加工工藝

a122

2．元件裝插工藝：

人工流水線

自動(dòng)裝插

3．焊接工藝：

手工、浸焊、波峰焊、

回流焊、熱風(fēng)焊

2．元件裝插工藝：

人工流水線

自動(dòng)裝插

123八、高新技術(shù)的應(yīng)用

1、電子元器件方面

a.

通用數(shù)字邏輯器件：

淘汰系列：74xx→74LSxx-→74Fxx

現(xiàn)用系列：

COMS→HC/HCT→AC/ACT

→LVT,LCX，LVC

VCC：5V→3.3V→→八、高新技術(shù)的應(yīng)用

1、電子元器件方面

a.通用124b.可編程邏輯器件小規(guī)模可編程器件：PAL/GAL≤1000門復(fù)雜可編程邏輯器件：CPLD5000～50000門現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件：FPGA≥10000門技術(shù)特點(diǎn)：①可隨時(shí)更改設(shè)計(jì)方案，有些器件可在線編程（ISP）②可用高級(jí)語(yǔ)言編程(VHDLVerilogHDL)③保密性能好④性能價(jià)格比高⑤功耗低生產(chǎn)公司：XILINXALTERALATTICEb.可編程邏輯器件小規(guī)模可編程器件：PAL/GAL125光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課件126

b.

單片機(jī)（以51系列為例）

標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)（80年推出，20多年前淘汰）

無(wú)片內(nèi)存儲(chǔ)器（ROMless）80C31

掩模型（MASK）80C51

紫外光擦除型EPROM87C51

8051兼容廠家（30多家）：

AtmelAT89C51/52

SILICONLABC8051F310

PHILIPS87LPC767

SSTSST89C51

CYPRESS

WINBOND

ADIb.

單片機(jī)（以51系列為例）

標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)127ROM:1K~64KRAM:128B→256B→256+4K80C5180C52C8051F040中斷源（數(shù)目）：5→20多個(gè)主頻：6～12MHz→DC～６0MHz工作電壓：5V→1.２V～6V指令周期：12→1個(gè)時(shí)鐘周期ROM:1K~64K128

功耗：幾百mA→幾十mA→

幾mA→μA

其它特性：芯片上集成的外設(shè)資源更豐富

A/D、D/A、比較器

PWM：（電機(jī)控制）

WDT：（WatchdogTimer）

Timer：5個(gè)

DPTR：2個(gè)

串口：2個(gè)SIO，I2C,SPI,CAN

LCD驅(qū)動(dòng)

價(jià)格：低至3元

功耗：幾百mA→幾十mA→

幾129WDT(WatchdogTimer)RST

CLR時(shí)鐘發(fā)生器CPUWDTWDT(WatchdogTimer)130c.DSP(DigitalSignalProcessor)

主要特點(diǎn)：

?特殊的芯片結(jié)構(gòu)—多總線哈佛結(jié)構(gòu)

?速度高—單周期指令，并行處理（多達(dá)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(shí)鐘(20∽1500MHz)

外部可擴(kuò)展存儲(chǔ)器：高達(dá)2GBDDR2DDR3

?片上資源豐富—

A/D,TIMER,PWM,WDT,RTC

SPI,SCI,I2C,USB,CAN,PLL

?性價(jià)比高—最低2美元

生產(chǎn)廠家—

TI,ADI,MOTOROLA,LUCENT,SIMENS

NEC,FUJITSU,ZILOG,IDTc.DSP(DigitalSignalProce131光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課件132ARM由英國(guó)ARM公司授權(quán)，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

DRAMUSBRTCINTERNETLCDPCIA/DD/AI2CSPIUART軟件支持豐富，可運(yùn)行操作系統(tǒng)主要用于信息終端和便攜式設(shè)備ARM由英國(guó)ARM公司授權(quán)，全球幾十家公司生產(chǎn)133光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課件134

d.接口芯片

A/D、D/A：

高速：高達(dá)1GSPS

高分辨率：8~24位

低功耗：

自帶帶參考源：1V~4.096V

串行接口：SPII2C

電源管理：不用時(shí)可關(guān)閉該器件的電源d.接口芯片

A/D、D/A：

135e.運(yùn)放：