第2章 光电系统基本设计原则

光电系统课程设计

(2016)

第二章

光电系统基本设计原则主要内容：

成本设计

热设计

电磁兼容性设计

机械性能设计

可维修性设计

人体工艺和美学设计

工艺特性设计

高新技术的应用1.成本设计影响成本的几个因素

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℃2~4

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天批量：单件，成批生产

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

降低成本的主要措施物尽所用，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。

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,可降低硬件成本,

设计灵活.典型例子：键盘防抖动数字滤波器设计

充分挖掘CPU的系统资源单片机上的可用资源：中断控制器定时器/计数器WDT（看门狗）存储器：FLASH_ROMSRAM串口：SPII2CUARTUSBCANI/O口A/DD/ARTC（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

尽量多的采用新技术

摩尔定律：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增

加一倍，性能也将提升一倍，当价格不变时；新型号元器件集成度高，一片可取代旧器件多片新器件性价比高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

摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（GordonMoore）提出来的!2.热设计发热带来的影响电路不能正常工作，甚至完全损坏

降低元器件的使用寿命

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、热噪声能量使用效率低INOUTPIPOPO=kPIk<1电路中的主要热源

变压器线性电源PD=(VI–VO)×IL+VI×ISVI–VO≥3VIS=10mA开关电源特点：效率高：高达98％输入电压范围大：85V～270V

体积小，重量轻，成本低、噪声大

电子元器件芯片

电阻

功率驱动电路

电机

电磁铁

电磁阀

扬声器

改善热性能的措施降低系统功耗选用CMOS器件选用高集成度的芯片降低电路工作频率选用高效率器件：LED、步进电机改变电路的工作模式降低电路的工作电压：

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

改善热性能的措施降低系统功耗选用CMOS器件选用高集成度的芯片降低电路工作频率选用高效率器件：LED、步进电机改变电路的工作模式降低电路的工作电压：

5V3.3V2.7V2.5V1.8V0.9V提高电源电路的转换功率线性电源→开关电源使用低压差稳压器

及时排出系统内的热量优化电路布局

正确安装发热器件3.电磁兼容性设计

EMCElectron-MagneticCompatibility设备在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态，即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其

他设备的电磁发射导致不允许的降级；也不会使同一

电磁环境中其他设备因受其电磁发射而导致不允许的

降级。EMIElectron-MagneticInterference电磁骚扰导致电子设备相互影响，并引起不

良后果的一种电磁现象。

电磁干扰频率范围：

0～150KHz

150KHz～30MHz

30MHz～300MHz

300MHz～1GHz

1GHz~18GHz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JIS----日本中国电磁兼容性认证国内标准以GB、GB/T开头。我国自从1983年发布第一个EMC标准（GB3907－1983）以来，至今已发布了47个有关的国家标准，其中32个强制，15个推荐。主要干扰源继电器电弧放电电机电刷触点切换激光器电源脉冲上万伏可控硅开关噪声高频数字电路高频噪声电源变压器漏磁尖峰放电如雷电等短时高压射频装备如雷达等高频噪声开关电源开关噪声

系统中容易受干扰的部分弱信号检测电路计算机信号线（数据、地址、控制）数/模、模/数转换电路屏蔽层常用的解决方法屏蔽：微弱信号探测器

变压器

隔离调制解调VIVOV+2000V隔离特点：可隔离模拟电压信号,隔离电压高达2000V

线性度可达0.1%

价格高（300～1000元人民币）

体积大生产公司：ADI

TI电隔离光电隔离特点1.用于开关信号隔离，隔离电压高达8000V2.体积小3.成本低（1～5元人民币）4.可选的型号很多4N254N306N37TLP521TLP541VIVOR1R2Vc

滤波：电源电路、放大电路ff00Av优化布线

回路设计

多层板应用

优选板材料软件算法

4.机械性能设计冲击、振动

电路板安装固定方法

电路板机械强度

（大小、形状、厚度、板材）

元器件的固定方法

电源线的抗拉、抗折强度

外壳的机械强度5.可维修性设计完备的信号测试点

足够的维修空间元件封装型式的选择

设计系统自检软硬件,便于故障定位

6.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7.工艺特性设计

电路板的加工工艺层数：单面、双面、多层板材：酚醛(FR-1)、环氧（FR-4）、

聚四氟乙烯、陶瓷、挠性表面工艺：

铅锡、镀金、阻焊、丝印精细度：孔径导线宽度阻抗控制元件装插工艺人工流水线

自动装插

焊接工艺手工

浸焊

波峰焊回流焊

热风焊8.高新技术的应用

电子元器件方面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

可编程逻辑器件小规模可编程器件：PAL/GAL≤1000门复杂可编程逻辑器件：CPLD5000～50000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(VHDLVerilogHDL)③保密性能好④性能价格比高⑤功耗低单片机(以51系列为例)标准型号（80年推出，20年前淘汰）

无片内存储器（ROMless）80C31

掩模型（MASK）80C51

紫外光擦除型EPROM87C518051兼容厂家（30多家）：

AtmelAT89C51/52

SILICONLABC8051F310

PHILIPS87LPC767

SSTSST89C51主要技术特征：ROM:1K~64KRAM:128B→256B→256+4K

80C5180C52C8051F040中断源（数目）：5→13主频：6～12MHz→DC～６0MHz工作电压：5V→1.２V～6V指令周期：12→1个时钟周期功耗：几百mA→几十mA→几mA→μA芯片上集成的外设资源A/D、D/APWM：（电机控制）WDT：（WatchdogTimer）DPTR：2个（数据指针寄存器）串口：2个SIO，I2C,SPI,CANLCD驱动价格

低至3元WDT(WatchdogTimer)

RST

CLR

时钟发生器CPUWDTDSP(DigitalSignalProcessor)主要特点：

特殊的芯片结构—多总线哈佛结构速度高—单周期指令，并行处理，硬件乘法器硬件堆栈，大容量片上内存高速时钟(20∽1500MHz)

片上资源丰富—

A/D,TIMER,PWM,WDT,RTC

SPI,SCI,I2C,USB,CAN,PLL性价比高—最低2美元生产厂家