光电系统设计(第一章、绪论).ppt

1光电系统设计光电系统设计第一章第一章 绪论绪论武树斌武树斌2一、课程内容安排及有关事项一、课程内容安排及有关事项n开设本课程的目的和意义；开设本课程的目的和意义；n基本内容；基本内容；n该课程涉及的相关知识；该课程涉及的相关知识；n教学方法；教学方法；n考核方法；考核方法；n教材及参考书；教材及参考书；n教师的联系方式；教师的联系方式；31、开设本课程的目的和意义、开设本课程的目的和意义n了解电子电路的基本设计过程；了解电子电路的基本设计过程；n拓宽同学们的知识面；拓宽同学们的知识面；n探索科学合理的设计方法；探索科学合理的设计方法；n学习使用一种学习使用一种EDA 软件，为今后的工作软件，为今后的工作和学习打基础；和学习打基础；4nEDA软件的发展过程；软件的发展过程；n电子电路的基本设计过程；电子电路的基本设计过程；n电子电路的设计难点；电子电路的设计难点；n有关的生产工艺；有关的生产工艺；n元器件的有关知识；元器件的有关知识；n原理图的有关设计技术；原理图的有关设计技术；n印制板图的有关设计技术；印制板图的有关设计技术；2、基本内容、基本内容53 3、该课程涉及的相关知识、该课程涉及的相关知识n电路基本理论电路基本理论n模拟电子技术模拟电子技术n数字电子技术数字电子技术n单片机原理与接口技术单片机原理与接口技术n数字逻辑电路设计数字逻辑电路设计n电子电路制造工艺电子电路制造工艺n电磁兼容性设计电磁兼容性设计6n重点讲设计思路；重点讲设计思路；n提高课程内容的技术立足点；提高课程内容的技术立足点；n从系统、从工程设计的角度来讲问题；从系统、从工程设计的角度来讲问题；4 4、教学方法、教学方法75 5、考核方法、考核方法n考试考试 课程设计；课程设计；n考试：笔试；考试：笔试；86 6、教材及参考书教材及参考书nProtel 电路设计教程电路设计教程，江思敏等著，清华大学出版社；，江思敏等著，清华大学出版社；n电子电路实用抗干扰技术电子电路实用抗干扰技术，诸邦田著，人民邮电出版社；，诸邦田著，人民邮电出版社；n电子设备的电磁兼容性设计电子设备的电磁兼容性设计，区健昌著，电子工业出版社，区健昌著，电子工业出版社n相关元器件数据手册和应用手册；相关元器件数据手册和应用手册；n电磁兼容和印刷电路板电磁兼容和印刷电路板，Mark I.Montrose著，刘元安著，刘元安译，人民邮电出版社；译，人民邮电出版社；n电子工艺实训教材电子工艺实训教材，孙惠康主编；，孙惠康主编；n电磁兼容性设计电磁兼容性设计，百同云编，北京邮电大学出版社；，百同云编，北京邮电大学出版社；97 7、上机时间安排、上机时间安排n见课表见课表108 8、教师的联系方式、教师的联系方式nTelTel：nE_mail:E_mail:n实验室：南五楼实验室：南五楼42542511EDA简介简介(Electronic Design Automation)12EDA技术的发展历程（技术的发展历程（1）n20世纪世纪70年代的计算机辅助设计年代的计算机辅助设计CAD阶段阶段早早期期的的电电子子系系统统硬硬件件设设计计采采用用的的是是分分立立元元件件，随随着着集集成成电电路路的的出出现现和和应应用用，硬硬件件设设计计进进入入到到发发展展的的初初级级阶阶段段。初初级级阶阶段段的的硬硬件件设设计计大大量量选选用用中中、小小规规模模标标准集成电路。准集成电路。传传统统的的手手工工布布图图方方法法无无法法满满足足产产品品复复杂杂性性的的要要求求，更不能满足工作效率的要求。更不能满足工作效率的要求。这这一一阶阶段段开开始始用用计计算算机机辅辅助助进进行行IC版版图图编编辑辑和和PCB布布局局布布线线，取取代代了了手手工工操操作作，产产生生了了计计算算机机辅辅助助设计的概念。设计的概念。13EDA技术的发展历程（技术的发展历程（2）n20世纪世纪80年代的计算机辅助工程设计年代的计算机辅助工程设计CAE阶段阶段初初级级阶阶段段的的硬硬件件设设计计是是用用大大量量不不同同型型号号的的标标准准芯芯片片实实现现电电子子系系统统设设计计的的。随随着着微微电电子子工工艺艺的的发发展展，相相继继出出现现了了集集成成上上万万只只晶晶体体管管的的微微处处理理器器、集集成成几几十十万万直直到到上上百百万万储储存存单单元元的随机存储器和只读存储器。的随机存储器和只读存储器。与与CAD相相比比，除除了了纯纯粹粹的的图图形形绘绘制制功功能能外外，又又增增加加了了电电路路功功能能设设计计和和结结构构设设计计，并并且且通通过过电电气气连连接接网网络络表表将将两两者者结结合合在在一一起起，以以实实现现工工程程设设计计，这这就就是是计计算算机机辅辅助助工工程程的的概概念念。CAE的的主主要要功功能能是是：原原理理图图输输入入，逻逻辑辑仿仿真真，电电路路分分析析，自自动布局布线，动布局布线，PCB后分析。后分析。14EDA技术的发展历程（技术的发展历程（3）n20世纪世纪90年代电子系统设计自动化年代电子系统设计自动化EDA阶段阶段为为了了满满足足千千差差万万别别的的系系统统用用户户提提出出的的设设计计要要求求，最最好好的的办办法法是是由由用用户户自自己己设设计计芯芯片片，让让他他们们把把想想设设计计的的电电路路直直接接设设计计在在自自己己的的专专用用芯芯片片上上。微微电电子子技技术术的的发发展展，特特别别是是可可编编程程逻逻辑辑器器件件的的发发展展，使使得得微微电电子子厂厂家家可可以以为为用用户户提提供供各各种种规规模模的的可可编编程程逻逻辑辑器器件件，使使设设计计者者通通过过设设计芯片实现电子系统功能。计芯片实现电子系统功能。15EDA技术的发展历程（技术的发展历程（4）n第四代第四代EDA合成和局部设计；合成和局部设计；从从 印制版；印制版；布线设计一体化布线设计一体化；单芯片系统单芯片系统(SOCSystem On Chip)；VHDL；Verilog；16EDA国内外现状国内外现状n软件供应商软件供应商 400 多家多家主要厂商：主要厂商：Cadence MentorSynopsys View Logic ZukenProtel(DXP)OrCAD Power PCB17常用的工具常用的工具n模拟仿真分析软件模拟仿真分析软件，主要用于单元电路或子，主要用于单元电路或子系统的设计，在信号输入端加入模拟信号，在系统的设计，在信号输入端加入模拟信号，在输出端可以观测模拟结果，如输出端可以观测模拟结果，如Pspice；n计算机绘图排版软件计算机绘图排版软件，主要用于绘图电路原理，主要用于绘图电路原理图和设计印刷电路板的版图，如图和设计印刷电路板的版图，如Protel；n现场可编程器件的开发软件现场可编程器件的开发软件，主要用于可编程，主要用于可编程器件如器件如CPLD、FPGA的开发，如的开发，如Quartus，ISE；18EDA技术的设计方法技术的设计方法n采用采用“自顶向下自顶向下”的设计方法。的设计方法。顶层顶层系统级系统级底层底层部件模块级部件模块级中间层中间层子系统级子系统级设计实现设计实现元件级元件级19一般电子系统的组成一般电子系统的组成信号获取信号获取传感器传感器/输输入电路入电路预处理预处理信号调理放信号调理放大、衰减、大、衰减、滤波等滤波等信号处理信号处理采集、分析、采集、分析、计算、变换、计算、变换、传输、决策传输、决策等等信号的执行信号的执行显示、驱动、显示、驱动、输出电路输出电路外界信息外界信息负载负载控制电路控制电路电源电源信号获取信号获取信号获取信号获取：通过传感器，将外界信息变换为电信号；：通过传感器，将外界信息变换为电信号；：通过传感器，将外界信息变换为电信号；：通过传感器，将外界信息变换为电信号；预处理预处理预处理预处理：解决信号的放大、衰减、滤波等（信号调理），便于随后的分析；：解决信号的放大、衰减、滤波等（信号调理），便于随后的分析；：解决信号的放大、衰减、滤波等（信号调理），便于随后的分析；：解决信号的放大、衰减、滤波等（信号调理），便于随后的分析；信号的执行信号的执行信号的执行信号的执行：完成信号处理结果的显示、负载的驱动以及输出电路等；：完成信号处理结果的显示、负载的驱动以及输出电路等；：完成信号处理结果的显示、负载的驱动以及输出电路等；：完成信号处理结果的显示、负载的驱动以及输出电路等；控制电路控制电路控制电路控制电路：完成对各部分动作的控制，协调各部分的工作；：完成对各部分动作的控制，协调各部分的工作；：完成对各部分动作的控制，协调各部分的工作；：完成对各部分动作的控制，协调各部分的工作；20当前电子系统的特点当前电子系统的特点n模拟电路仍然是重要的组成部分，我们所要测量的物理量模拟电路仍然是重要的组成部分，我们所要测量的物理量大多以模拟量的形式存在，所以系统中的模拟电路一般必大多以模拟量的形式存在，所以系统中的模拟电路一般必不可少，特别是输入电路、信号调理和输出电路部分；不可少，特别是输入电路、信号调理和输出电路部分；n数字化是信号处理和电子系统设计的大趋势，对于规模较数字化是信号处理和电子系统设计的大趋势，对于规模较大的数字电路，固定的中、小规模器件几乎已被可编程逻大的数字电路，固定的中、小规模器件几乎已被可编程逻辑器件（辑器件（CPLD、FPGA等）所代替；等）所代替；n以微处理器（以微处理器（CPU、MCU、DSP）为核心的嵌入式系统，）为核心的嵌入式系统，已成为系统中控制和信号处理的核心；已成为系统中控制和信号处理的核心；n软件设计可使系统的自动化、智能化、多功能化变得容易软件设计可使系统的自动化、智能化、多功能化变得容易实现，软件可简化设计、降低成本。实现，软件可简化设计、降低成本。211、传感器的分类（、传感器的分类（1）n温度、湿度传感器；温度、湿度传感器；n转速、流量、速度、加速度传感器；转速、流量、速度、加速度传感器；n压力、应变、位移传感器；压力、应变、位移传感器；n光电传感器；光电传感器；221、传感器的分类（、传感器的分类（2）n基本传感器：基本传感器：能将被测物理量转换为电信号，功能简能将被测物理量转换为电信号，功能简单、性能不理想、后续处理复杂而不便使用，如热电单、性能不理想、后续处理复杂而不便使用，如热电偶、热电组、光电二极管等；偶、热电组、光电二极管等；n模拟集成传感器：模拟集成传感器：把敏感器件和转换电路以及外围处把敏感器件和转换电路以及外围处理电路集成在一个模拟集成电路中，输出标准的电压理电路集成在一个模拟集成电路中，输出标准的电压或电流信号，外围电路简单，使用方便；或电流信号，外围电路简单，使用方便；n智能传感器：智能传感器：把敏感器件、转换电路、把敏感器件、转换电路、A/D转换器、转换器、数字处理电路集成在一个器件中，软、硬件结合，具数字处理电路集成在一个器件中，软、硬件结合，具有较强的数据处理与控制能力；有较强的数据处理与控制能力；n网络化传感器：网络化传感器：具有标准总线接口，能够方便地构建具有标准总线接口，能够方便地构建分布式测量系统。分布式测量系统。232、模拟信号处理及信号变换、模拟信号处理及信号变换n经传感器获得的电信号大多是比较微弱的模拟经传感器获得的电信号大多是比较微弱的模拟信号，而且可能含有噪声和干扰，因此需要放信号，而且可能含有噪声和干扰，因此需要放大或滤波、整形、限幅、比较、变换等预处理大或滤波、整形、限幅、比较、变换等预处理信号调理信号调理。n信号调理器信号调理器是传感器和数字处理系统之间不可是传感器和数字处理系统之间不可缺少的部分。缺少的部分。n集成运算放大器在信号调理中起到重要的作用。集成运算放大器在信号调理中起到重要的作用。242.1 信号的放大信号的放大集成运放集成运放n精度要求；精度要求；n是否要求单电源供电；是否要求单电源供电；n对工作速度和带宽的要求；对工作速度和带宽的要求；n负载驱动能力；负载驱动能力；n价格和获取渠道；价格和获取渠道；252.2 集成运放的应用分类集成运放的应用分类n通用型集成运算放大器（如通用型集成运算放大器（如LM324，LM741，LM747等）；等）；n精密型运算放大器（如精密型运算放大器（如OP07，OP27等）；等）；n高速、宽带放大器，广泛应用于无线通信、光高速、宽带放大器，广泛应用于无线通信、光电测量等领域，典型器件电测量等领域，典型器件AD811；n仪用放大器（测量放大器），广泛应用于精密仪用放大器（测量放大器），广泛应用于精密测量，工业现场数据采集和预处理等领域，典测量，工业现场数据采集和预处理等领域，典型器件如型器件如AD620，AD624等；等；262.3 模拟开关模拟开关n控制信号的通断，闭合时相当于短路，关断时控制信号的通断，闭合时相当于短路，关断时相当于开路，要求通断响应速度快，各通道开相当于开路，要求通断响应速度快，各通道开关间隔离度好。关间隔离度好。n典型器件：典型器件：nCC4066nCD4051nMAX4541272.4 数控电位器数控电位器n可通过程序指令实现可编程电阻调节；n用以实现增益、电平和幅度等量的精确控制。n典型器件：nX9241；nX9511；282.5 滤波器滤波器n有源滤波器（分立、单片集成有源滤波器（分立、单片集成MAX270）；）；n无源滤波器（石英晶体、陶瓷、声表面滤波器）；无源滤波器（石英晶体、陶瓷、声表面滤波器）；292.6 模拟信号隔离模拟信号隔离n在工业控制、生物医疗等信号检测和信号传输中，减小干在工业控制、生物医疗等信号检测和信号传输中，减小干扰、保护设备安全，需要在电气上进行隔离。扰、保护设备安全，需要在电气上进行隔离。n隔离就是在保证信号传输的同时，切断输出电路和输入电隔离就是在保证信号传输的同时，切断输出电路和输入电路电流或电阻的联系，使二者不共地；路电流或电阻的联系，使二者不共地；n采用变压器耦合、光耦合实现隔离采用变压器耦合、光耦合实现隔离n非线性：非线性：4N25 4N26 4N35 4N36 PC817n线性：线性：TLP521 n隔离放大器隔离放大器nAD215；nISO100；302.7 V/F、F/V变换变换n与与A/D、D/A变换功能类似，完成电压和频率变换功能类似，完成电压和频率之间的变换，比数值量化的之间的变换，比数值量化的A/D、D/A简单；简单；n将电压转换成频率信号之后抗干扰能力大大增将电压转换成频率信号之后抗干扰能力大大增强，适合信号的远距离传输；强，适合信号的远距离传输；n在遥控、遥测或噪声环境中适合采用在遥控、遥测或噪声环境中适合采用V/F-F/V变换；变换；n典型器件：典型器件：nLM331；313、数据采集、数据采集nA/D转换考虑的问题：转换考虑的问题：转换范围；转换范围；分辨率；分辨率；转换精度；转换精度；转换时间；转换时间；量化误差；量化误差；323.1 A/D转换器的类型转换器的类型n普通低速转换器普通低速转换器nADC0809，AD574A，并行输出；，并行输出；nTLC548，TLC549，串行输出：，串行输出：n高速转换器高速转换器nADS5481，Max Sample Rate：50M；nADS5482，Max Sample Rate：105M；n高精度转换器高精度转换器n ADS1672，Resolution：24；n ADS1675，Resolution：24；333.2 D/A转换器的类型转换器的类型n普通数模转换器普通数模转换器nDAC0832nTLV2542，TLV5614，TLV5620n高速数模转换器高速数模转换器nDAC5681nDAC5688n高精度数模转换器高精度数模转换器nDAC8581nDAC8832344、信号的执行、信号的执行n继电器；继电器；n电动机（直流电动机、步进电动机）；电动机（直流电动机、步进电动机）；n显示器件（发光二极管、七段数码管、显示器件（发光二极管、七段数码管、液晶显示模块、喇叭等）；液晶显示模块、喇叭等）；35电子电路的基本设计过程电子电路的基本设计过程任任务务书书资资料料收收集集方方案案论论证证原原理理图图仿仿真真制制版版图图设计文件设计文件加加工工装装配配产产品品调调试试36电子电路的基本设计过程（续）电子电路的基本设计过程（续）n接到任务书后，仔细审题，分析题目的要求和各项技术指标的含接到任务书后，仔细审题，分析题目的要求和各项技术指标的含义，明确该题目的重点、难点以及关键技术。义，明确该题目的重点、难点以及关键技术。n资料收集资料收集：通过图书馆、资料室或网络检索相关参考资料，参考：通过图书馆、资料室或网络检索相关参考资料，参考一些与设计课题相同或者相近的电路方案，查阅能够满足技术指一些与设计课题相同或者相近的电路方案，查阅能够满足技术指标要求的器件。通过资料收集，防止闭门造车，充分了解类似题标要求的器件。通过资料收集，防止闭门造车，充分了解类似题目的功能和性能，从而评估所设计题目的可行性和成本预算。目的功能和性能，从而评估所设计题目的可行性和成本预算。n方案论证方案论证：通过对收集的资料的分析与研究，可以知道对于同一：通过对收集的资料的分析与研究，可以知道对于同一个题目，实现的方案可能会有多种，要逐一分析每种方案的优缺个题目，实现的方案可能会有多种，要逐一分析每种方案的优缺点和可行性，经过充分比较，选择一种技术上先进、合理、可行点和可行性，经过充分比较，选择一种技术上先进、合理、可行性价比较高的方案。一次方案为蓝图，根据任务书的要求，提出性价比较高的方案。一次方案为蓝图，根据任务书的要求，提出自己的实现方案。设计总体框图（将制定的方案按照功能分成若自己的实现方案。设计总体框图（将制定的方案按照功能分成若干个互相联系的模块），分配技术指标（将每个模块实现的功能干个互相联系的模块），分配技术指标（将每个模块实现的功能和主要技术指标进行分配），设计单元电路（可以参考一些典型和主要技术指标进行分配），设计单元电路（可以参考一些典型的实用电路或其组合，并可进行实验仿真）。的实用电路或其组合，并可进行实验仿真）。37这门课程的学习方法这门课程的学习方法1、了解这门课的特点、了解这门课的特点实用性强，适应面广实用性强，适应面广 高层次：高层次：产品研发，产品测试产品研发，产品测试 中间层次：中间层次：产品生产管理，技术支持产品生产管理，技术支持 低层次：低层次：产品的维修维护产品的维修维护38这门课程的学习方法这门课程的学习方法2、注重学习方法、注重学习方法 a.变被动学习为主动学习；变被动学习为主动学习；b.学习创新思维方法；学习创新思维方法；c.培养自学能力；培养自学能力；d.提高外语阅读水平；提高外语阅读水平；39这门课程的学习方法这门课程的学习方法3、扩大信息来源、扩大信息来源 互联网；互联网；电子、计算机类期刊，如：电子、计算机类期刊，如：电子产品世界电子产品世界，电子技术与应用电子技术与应用，今日电子今日电子，电子元器件电子元器件；4、要舍得花时间、花精力，没有捷径可走、要舍得花时间、花精力，没有捷径可走5、要培养团队合作精神，多想多问多讨论、要培养团队合作精神，多想多问多讨论