光电系统设计(第一章、绪论).ppt

1,光电系统设计,第一章绪论,武树斌,2,一、课程内容安排及有关事项,开设本课程的目的和意义；基本内容；该课程涉及的相关知识；教学方法；考核方法；教材及参考书；教师的联系方式；,3,1、开设本课程的目的和意义,了解电子电路的基本设计过程；拓宽同学们的知识面；探索科学合理的设计方法；学习使用一种EDA软件，为今后的工作和学习打基础；,4,EDA软件的发展过程；电子电路的基本设计过程；电子电路的设计难点；有关的生产工艺；元器件的有关知识；原理图的有关设计技术；印制板图的有关设计技术；,2、基本内容,5,3、该课程涉及的相关知识,电路基本理论模拟电子技术数字电子技术单片机原理与接口技术数字逻辑电路设计电子电路制造工艺电磁兼容性设计,6,重点讲设计思路；提高课程内容的技术立足点；从系统、从工程设计的角度来讲问题；,4、教学方法,7,5、考核方法,考试课程设计；考试：笔试；,8,6、教材及参考书,Protel电路设计教程，江思敏等著，清华大学出版社；电子电路实用抗干扰技术，诸邦田著，人民邮电出版社；电子设备的电磁兼容性设计，区健昌著，电子工业出版社相关元器件数据手册和应用手册；电磁兼容和印刷电路板，MarkI.Montrose著，刘元安译，人民邮电出版社；电子工艺实训教材，孙惠康主编；电磁兼容性设计，百同云编，北京邮电大学出版社；,9,7、上机时间安排,见课表,10,8、教师的联系方式,Tel_mail:shubinwu实验室：南五楼425,11,EDA简介(ElectronicDesignAutomation),12,EDA技术的发展历程（1）,20世纪70年代的计算机辅助设计CAD阶段早期的电子系统硬件设计采用的是分立元件，随着集成电路的出现和应用，硬件设计进入到发展的初级阶段。初级阶段的硬件设计大量选用中、小规模标准集成电路。传统的手工布图方法无法满足产品复杂性的要求，更不能满足工作效率的要求。这一阶段开始用计算机辅助进行IC版图编辑和PCB布局布线，取代了手工操作，产生了计算机辅助设计的概念。,13,EDA技术的发展历程（2）,20世纪80年代的计算机辅助工程设计CAE阶段初级阶段的硬件设计是用大量不同型号的标准芯片实现电子系统设计的。随着微电子工艺的发展，相继出现了集成上万只晶体管的微处理器、集成几十万直到上百万储存单元的随机存储器和只读存储器。与CAD相比，除了纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，以实现工程设计，这就是计算机辅助工程的概念。CAE的主要功能是：原理图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，PCB后分析。,14,EDA技术的发展历程（3）,20世纪90年代电子系统设计自动化EDA阶段为了满足千差万别的系统用户提出的设计要求，最好的办法是由用户自己设计芯片，让他们把想设计的电路直接设计在自己的专用芯片上。微电子技术的发展，特别是可编程逻辑器件的发展，使得微电子厂家可以为用户提供各种规模的可编程逻辑器件，使设计者通过设计芯片实现电子系统功能。,15,EDA技术的发展历程（4）,第四代EDA合成和局部设计；从印制版；布线设计一体化；单芯片系统(SOCSystemOnChip)；VHDL；Verilog；,16,EDA国内外现状,软件供应商400多家主要厂商：CadenceMentorSynopsysViewLogicZukenProtel(DXP)OrCADPowerPCB,17,常用的工具,模拟仿真分析软件，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，在输出端可以观测模拟结果，如Pspice；计算机绘图排版软件，主要用于绘图电路原理图和设计印刷电路板的版图，如Protel；现场可编程器件的开发软件，主要用于可编程器件如CPLD、FPGA的开发，如Quartus，ISE；,18,EDA技术的设计方法,采用“自顶向下”的设计方法。,顶层系统级,底层部件模块级,中间层子系统级,设计实现元件级,19,一般电子系统的组成,信号获取,传感器/输入电路,预处理,信号调理放大、衰减、滤波等,信号处理,采集、分析、计算、变换、传输、决策等,信号的执行,显示、驱动、输出电路,外界信息,负载,信号获取：通过传感器，将外界信息变换为电信号；,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；,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；,控制电路：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,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不可少，特别是输入电路、信号调理和输出电路部分；,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辑器件（CPLD、FPGA等）所代替；,以微处理器（CPU、MCU、DSP）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；,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。,21,1、传感器的分类（1）,温度、湿度传感器；转速、流量、速度、加速度传感器；压力、应变、位移传感器；光电传感器；,22,1、传感器的分类（2）,基本传感器：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，如热电偶、热电组、光电二极管等；,模拟集成传感器：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，输出标准的电压或电流信号，外围电路简单，使用方便；,智能传感器：把敏感器件、转换电路、A/D转换器、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；,网络化传感器：具有标准总线接口，能够方便地构建分布式测量系统。,23,2、模拟信号处理及信号变换,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，因此需要放大或滤波、整形、限幅、比较、变换等预处理信号调理。信号调理器是传感器和数字处理系统之间不可缺少的部分。集成运算放大器在信号调理中起到重要的作用。,24,2.1信号的放大集成运放,精度要求；是否要求单电源供电；对工作速度和带宽的要求；负载驱动能力；价格和获取渠道；,25,2.2集成运放的应用分类,通用型集成运算放大器（如LM324，LM741，LM747等）；精密型运算放大器（如OP07，OP27等）；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AD811；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，典型器件如AD620，AD624等；,26,2.3模拟开关,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，各通道开关间隔离度好。典型器件：CC4066CD4051MAX4541,27,2.4数控电位器,可通过程序指令实现可编程电阻调节；用以实现增益、电平和幅度等量的精确控制。典型器件：X9241；X9511；,28,2.5滤波器,有源滤波器（分立、单片集成MAX270）；无源滤波器（石英晶体、陶瓷、声表面滤波器）；,29,2.6模拟信号隔离,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。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；采用变压器耦合、光耦合实现隔离非线性：4N254N264N354N36PC817线性：TLP521隔离放大器AD215；ISO100；,30,2.7V/F、F/V变换,与A/D、D/A变换功能类似，完成电压和频率之间的变换，比数值量化的A/D、D/A简单；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；在遥控、遥测或噪声环境中适合采用V/F-F/V变换；典型器件：LM331；,31,3、数据采集,A/D转换考虑的问题：转换范围；分辨率；转换精度；转换时间；量化误差；,32,3.1A/D转换器的类型,普通低速转换器ADC0809，AD574A，并行输出；TLC548，TLC549，串行输出：高速转换器ADS5481，MaxSampleRate：50M；ADS5482，MaxSampleRate：105M；高精度转换器ADS1672，Resolution：24；ADS1675，Resolution：24；,33,3.2D/A转换器的类型,普通数模转换器DAC0832TLV2542，TLV5614，TLV5620高速数模转换器DAC5681DAC5688高精度数模转换器DAC8581DAC8832,34,4、信号的执行,继电器；电动机（直流电动机、步进电动机）；显示器件（发光二极管、七段数码管、液晶显示模块、喇叭等）；,35,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,36,电子电路的基本设计过程（续）,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。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。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,1、了解这门课的特点实