光电系统课程设计
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光电系统课程设计
c．滤波：电源电路、放大电路
Av
输入信 号频谱
滤波器 频响曲 线
0
f0
f
光电系统课程设计
d． 优化布线： 回路设计 多层板应用 优选板材料
e． 软件算法
光电系统课程设计
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
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
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
工程设计部分 核心理念： DIY
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
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
b.可编程逻辑器件
光电系统课程设计
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
二、热设计：
1、 电路中的主要热源： a．变压器
IN
OUT
PI
PO
PO=k PI k<1
光电系统课程设计
光电系统课程设计
第一章 绪言
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
光电系统课程设计
2、该课程涉及的相关知识
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
光电系统课程设计
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
理 图
真
版 图
集证
设计文件
产
调
装
加
品
试
配
工
光电系统课程设计
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℃
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
光电系统课程设计
8、本人的联系方式
Tel： E_mail: 办公室：南五楼425
光电系统课程设计
二、EDA简介
b．电源电路
作用：AC → DC 220V 24，12 380V 5，3.3， 2.5，1.8， 1.2，0.9
光电系统课程设计
线性电源电路
PD= ( VI – VO )×IL + VI× IS VI – VO ≥ 3V IS = 10 光M电系A统课程设计
线性电源电路
光电系统课程设计
线性电源实物照片
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
b．隔离：变压器隔离
VI
调制
解调
VO 2000V隔离
V+
特点：1、可隔离模拟电压信号, 隔离电压高达2000V
电阻 ：
D．功率驱动电路
电机 电磁铁 电磁阀 扬声器
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
3、改善热性能的措施：
（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
光电系统课程设计
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 150KHz ～ 30MHz 30MHz ～ 300MHz 300MHz ～ 1GHz
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
七、工艺特性设计
（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： 5V 3.3V 2.5V 1.8V 1.2V 0.9V
光电系统课程设计
（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
小规模可编程器件： PAL/GAL ≤1000门 复杂可编程逻辑器件： CPLD 2000～50000门 现场可编程逻辑器件： FPGA ≥10000门 技术特点： ①可随时更改设计方案，有些器件可在线编程（ISP） ②可用高级语言编程(VHDL Verilog HDL) ③保密性能好 ④性能价格比高 ⑤功耗低
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
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
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。
光电系统课程设计
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
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
光电系统课程设计
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
AT89C51/52
SILICON LAB C8051F310 C8051F020/040
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
光电系统课程设计
AD202原理框图
光电系统课程设计
光电隔离
R1
R2
VI
VO
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（1～5元人民币） 4、可选的型号很多
4N25 4N30 6N37 TLP521 TLP541
光电系统课程设计
第二章 光电系统基本设计原则
光电系统课程设计
典型光电系统构成
人机接口： 键盘
显示器
光源
光学系统
光电探测及信 号处理
机械结构
控制输出： 电机 继电器
开关信号
微处理器
存储单元
通信接口： 网络 USB 232 无线
电源
光电系统课程设计
电子电路的基本设计过程
任
资
方
原
仿
制
务 书
料 收
案 论
生产公司：XILINX ALTERA Lattice
光电系统课程设计
光电系统课程设计
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
1GHz~18GHz
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
电磁干扰传输示意图
光电系统课程设计
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
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
光电系统课程设计
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
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 光电系统课程设计
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 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
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
6、 参考书
“Altium Designer 电子设计应用教程” 高歌 著 ，电子工业出版社
光电系统课程设计
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”
光电系统课程设计
开关电源
特点：1、效率高：高达98％
2、输入电压范围大：85V～270V
3、体积小，重量轻，成本低
4、噪声大
光电系统课程设计
开关电源实物照片
光电系统课程设计
开关电源原理图
光电系统课程设计
开关电源 350W
线性电源 20W
光电系统课程设计
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
c．滤波：电源电路、放大电路
Av
输入信 号频谱
滤波器 频响曲 线
0
f0
f
光电系统课程设计
d． 优化布线： 回路设计 多层板应用 优选板材料
e． 软件算法
光电系统课程设计
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
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
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
工程设计部分 核心理念： DIY
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
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
b.可编程逻辑器件
光电系统课程设计
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
二、热设计：
1、 电路中的主要热源： a．变压器
IN
OUT
PI
PO
PO=k PI k<1
光电系统课程设计
光电系统课程设计
第一章 绪言
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
光电系统课程设计
2、该课程涉及的相关知识
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
光电系统课程设计
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
理 图
真
版 图
集证
设计文件
产
调
装
加
品
试
配
工
光电系统课程设计
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℃
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
光电系统课程设计
8、本人的联系方式
Tel： E_mail: 办公室：南五楼425
光电系统课程设计
二、EDA简介
b．电源电路
作用：AC → DC 220V 24，12 380V 5，3.3， 2.5，1.8， 1.2，0.9
光电系统课程设计
线性电源电路
PD= ( VI – VO )×IL + VI× IS VI – VO ≥ 3V IS = 10 光M电系A统课程设计
线性电源电路
光电系统课程设计
线性电源实物照片
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
b．隔离：变压器隔离
VI
调制
解调
VO 2000V隔离
V+
特点：1、可隔离模拟电压信号, 隔离电压高达2000V
电阻 ：
D．功率驱动电路
电机 电磁铁 电磁阀 扬声器
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
3、改善热性能的措施：
（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
光电系统课程设计
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 150KHz ～ 30MHz 30MHz ～ 300MHz 300MHz ～ 1GHz
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
七、工艺特性设计
（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： 5V 3.3V 2.5V 1.8V 1.2V 0.9V
光电系统课程设计
（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
小规模可编程器件： PAL/GAL ≤1000门 复杂可编程逻辑器件： CPLD 2000～50000门 现场可编程逻辑器件： FPGA ≥10000门 技术特点： ①可随时更改设计方案，有些器件可在线编程（ISP） ②可用高级语言编程(VHDL Verilog HDL) ③保密性能好 ④性能价格比高 ⑤功耗低
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
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
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。
光电系统课程设计
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
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
光电系统课程设计
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
AT89C51/52
SILICON LAB C8051F310 C8051F020/040
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
光电系统课程设计
AD202原理框图
光电系统课程设计
光电隔离
R1
R2
VI
VO
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（1～5元人民币） 4、可选的型号很多
4N25 4N30 6N37 TLP521 TLP541
光电系统课程设计
第二章 光电系统基本设计原则
光电系统课程设计
典型光电系统构成
人机接口： 键盘
显示器
光源
光学系统
光电探测及信 号处理
机械结构
控制输出： 电机 继电器
开关信号
微处理器
存储单元
通信接口： 网络 USB 232 无线
电源
光电系统课程设计
电子电路的基本设计过程
任
资
方
原
仿
制
务 书
料 收
案 论
生产公司：XILINX ALTERA Lattice
光电系统课程设计
光电系统课程设计
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
1GHz~18GHz
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
电磁干扰传输示意图
光电系统课程设计
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
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
光电系统课程设计
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
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 光电系统课程设计
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 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
光电系统课程设计
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
光电系统课程设计
6、 参考书
“Altium Designer 电子设计应用教程” 高歌 著 ，电子工业出版社
光电系统课程设计
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”
光电系统课程设计
开关电源
特点：1、效率高：高达98％
2、输入电压范围大：85V～270V
3、体积小，重量轻，成本低
4、噪声大
光电系统课程设计
开关电源实物照片
光电系统课程设计
开关电源原理图
光电系统课程设计
开关电源 350W
线性电源 20W
光电系统课程设计
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