第2章 光電系統(tǒng)基本設(shè)計原則

光電系統(tǒng)課程設(shè)計

(2016)

第二章

光電系統(tǒng)基本設(shè)計原則主要內(nèi)容：

成本設(shè)計

熱設(shè)計

電磁兼容性設(shè)計

機械性能設(shè)計

可維修性設(shè)計

人體工藝和美學(xué)設(shè)計

工藝特性設(shè)計

高新技術(shù)的應(yīng)用1.成本設(shè)計影響成本的幾個因素

元器件方面

精度：A/D的分辨率，運放的零點漂移等速度：CPU的主頻，A/D的采樣速率等功耗：筆記本與臺式機CPU的差異溫度等級：相對成本

民用0~70℃1

工業(yè)-40~85℃2~4

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，批量印制板

板材：陶瓷，環(huán)氧樹脂，聚四氟乙烯---撓性層數(shù)：單面，雙面，多層工藝：有鉛/無鉛，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：最細可達0.05mm加工周期：1–15天批量：單件，成批生產(chǎn)

設(shè)計誤區(qū)：

用的器件越好，代表設(shè)計水平越高

用的器件越好，系統(tǒng)的性能會越高

降低成本的主要措施物盡所用，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。

硬件軟化

在不影響系統(tǒng)性能的情況下，能夠用軟件實現(xiàn)的功能盡量用軟件實現(xiàn),可降低硬件成本,

設(shè)計靈活.典型例子：鍵盤防抖動數(shù)字濾波器設(shè)計

充分挖掘CPU的系統(tǒng)資源單片機上的可用資源：中斷控制器定時器/計數(shù)器WDT（看門狗）存儲器：FLASH_ROMSRAM串口：SPII2CUARTUSBCANI/O口A/DD/ARTC（實時時鐘）比較器PWM（脈沖寬度調(diào)制器）QFP（光電脈沖編碼器）LCD驅(qū)動器

盡量多的采用新技術(shù)

摩爾定律：集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增

加一倍，性能也將提升一倍，當(dāng)價格不變時；新型號元器件集成度高，一片可取代舊器件多片新器件性價比高老器件越往后價格越高，直到停產(chǎn)，導(dǎo)致產(chǎn)品的材料、裝配及維修成本都很高

摩爾定律是由英特爾（Intel）創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（GordonMoore）提出來的!2.熱設(shè)計發(fā)熱帶來的影響電路不能正常工作，甚至完全損壞

降低元器件的使用壽命

影響系統(tǒng)精度：

A/D和D/A的參考源運放的零點漂移光電傳感器暗電流、熱噪聲能量使用效率低INOUTPIPOPO=kPIk<1電路中的主要熱源

變壓器線性電源PD=(VI–VO)×IL+VI×ISVI–VO≥3VIS=10mA開關(guān)電源特點：效率高：高達98％輸入電壓范圍大：85V～270V

體積小，重量輕，成本低、噪聲大

電子元器件芯片

電阻

功率驅(qū)動電路

電機

電磁鐵

電磁閥

揚聲器

改善熱性能的措施降低系統(tǒng)功耗選用CMOS器件選用高集成度的芯片降低電路工作頻率選用高效率器件：LED、步進電機改變電路的工作模式降低電路的工作電壓：

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

改善熱性能的措施降低系統(tǒng)功耗選用CMOS器件選用高集成度的芯片降低電路工作頻率選用高效率器件：LED、步進電機改變電路的工作模式降低電路的工作電壓：

5V3.3V2.7V2.5V1.8V0.9V提高電源電路的轉(zhuǎn)換功率線性電源→開關(guān)電源使用低壓差穩(wěn)壓器

及時排出系統(tǒng)內(nèi)的熱量優(yōu)化電路布局

正確安裝發(fā)熱器件3.電磁兼容性設(shè)計

EMCElectron-MagneticCompatibility設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即該設(shè)備不會由于受到處于同一電磁環(huán)境中其

他設(shè)備的電磁發(fā)射導(dǎo)致不允許的降級；也不會使同一

電磁環(huán)境中其他設(shè)備因受其電磁發(fā)射而導(dǎo)致不允許的

降級。EMIElectron-MagneticInterference電磁騷擾導(dǎo)致電子設(shè)備相互影響，并引起不

良后果的一種電磁現(xiàn)象。

電磁干擾頻率范圍：

0～150KHz

150KHz～30MHz

30MHz～300MHz

300MHz～1GHz

1GHz~18GHz國際權(quán)威電磁兼容性認(rèn)證機構(gòu)IEC----國際電工技術(shù)委員會FCC----美國聯(lián)邦通信委員會CE----歐共體JIS----日本中國電磁兼容性認(rèn)證國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)以GB、GB/T開頭。我國自從1983年發(fā)布第一個EMC標(biāo)準(zhǔn)（GB3907－1983）以來，至今已發(fā)布了47個有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，其中32個強制，15個推薦。主要干擾源繼電器電弧放電電機電刷觸點切換激光器電源脈沖上萬伏可控硅開關(guān)噪聲高頻數(shù)字電路高頻噪聲電源變壓器漏磁尖峰放電如雷電等短時高壓射頻裝備如雷達等高頻噪聲開關(guān)電源開關(guān)噪聲

系統(tǒng)中容易受干擾的部分弱信號檢測電路計算機信號線（數(shù)據(jù)、地址、控制）數(shù)/模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路屏蔽層常用的解決方法屏蔽：微弱信號探測器

變壓器

隔離調(diào)制解調(diào)VIVOV+2000V隔離特點：可隔離模擬電壓信號,隔離電壓高達2000V

線性度可達0.1%

價格高（300～1000元人民幣）

體積大生產(chǎn)公司：ADI

TI電隔離光電隔離特點1.用于開關(guān)信號隔離，隔離電壓高達8000V2.體積小3.成本低（1～5元人民幣）4.可選的型號很多4N254N306N37TLP521TLP541VIVOR1R2Vc

濾波：電源電路、放大電路ff00Av優(yōu)化布線

回路設(shè)計

多層板應(yīng)用

優(yōu)選板材料軟件算法

4.機械性能設(shè)計沖擊、振動

電路板安裝固定方法

電路板機械強度

（大小、形狀、厚度、板材）

元器件的固定方法

電源線的抗拉、抗折強度

外殼的機械強度5.可維修性設(shè)計完備的信號測試點

足夠的維修空間元件封裝型式的選擇

設(shè)計系統(tǒng)自檢軟硬件,便于故障定位

6.人體工藝和美學(xué)設(shè)計

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7.工藝特性設(shè)計

電路板的加工工藝層數(shù)：單面、雙面、多層板材：酚醛(FR-1)、環(huán)氧（FR-4）、

聚四氟乙烯、陶瓷、撓性表面工藝：

鉛錫、鍍金、阻焊、絲印精細度：孔徑導(dǎo)線寬度阻抗控制元件裝插工藝人工流水線

自動裝插

焊接工藝手工

浸焊

波峰焊回流焊

熱風(fēng)焊8.高新技術(shù)的應(yīng)用

電子元器件方面通用數(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

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)場可編程邏輯器件：FPGA≥10000門技術(shù)特點：①可隨時更改設(shè)計方案，有些器件可在線編程（ISP）②可用高級語言編程(VHDLVerilogHDL)③保密性能好④性能價格比高⑤功耗低單片機(以51系列為例)標(biāo)準(zhǔn)型號（80年推出，20年前淘汰）

無片內(nèi)存儲器（ROMless）80C31

掩模型（MASK）80C51

紫外光擦除型EPROM87C518051兼容廠家（30多家）：

AtmelAT89C51/52

SILICONLABC8051F310

PHILIPS87LPC767

SSTSST89C51主要技術(shù)特征：ROM:1K~64KRAM:128B→256B→256+4K

80C5180C52C8051F040中斷源（數(shù)目）：5→13主頻：6～12MHz→DC～６0MHz工作電壓：5V→1.２V～6V指令周期：12→1個時鐘周期功耗：幾百mA→幾十mA→幾mA→μA芯片上集成的外設(shè)資源A/D、D/APWM：（電機控制）WDT：（WatchdogTimer）DPTR：2個（數(shù)據(jù)指針寄存器）串口：2個SIO，I2C,SPI,CANLCD驅(qū)動價格

低至3元WDT(WatchdogTimer)

RST

CLR

時鐘發(fā)生器CPUWDTDSP(DigitalSignalProcessor)主要特點：

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，硬件乘法器硬件堆棧，大容量片上內(nèi)存高速時鐘(20∽1500MHz)

片上資源豐富—

A/D,TIMER,PWM,WDT,RTC

SPI,SCI,I2C,USB,CAN,PLL性價比高—最低2美元生產(chǎn)廠家