| 探针台 | 2022-01-03 05:01 |
电子产品从设计到制作流程我以前写的东西，都是某个项目中的一个小片段知识点。对于曾经遇到过类似问题的人，看过之后就会感觉很有用。如果之前没有遇到过，可能看过之后就忘记了，也可能看了也不明白写的什么意思。 这篇文章我将会以一个实例来叙述一个产品的完整制作过程。即使这个实例不是你感兴趣的，也一定要看下去。因为这其中涉及到了很多的电子设计基础知识点，涉及到了模拟电子和数字电子方面的很多知识。然而，任何一个电子产品都是基础知识点的融合，那种很花哨的招式一般是用不上的。 我坚信，即使你现在工作了好几年了，在这个产品的设计中用到的某些知识，你不一定遇到过。所以，这篇文章不仅仅是适合初学者！多数人看了都会从中受益。 既然是要说一个完整的制作过程，就需要先从需求开始说起。 需求：发动机数字转速表（数码管显示） 发动机的转速信号传感器一般有三种：磁电、霍尔、光电。磁电用的最多，我们这里也是要做磁电的转速表。 磁电传感器有两条线，出来的信号是正弦波，这个正弦波的幅值和频率都是随着转速的增加而增加。转速越快，幅值越大，频率越高。在转速低的时候，幅值可能只有几十个mV，转速大的时候，幅值可能会有15V。频率一般是从0到几千赫兹。 在拿到需求以后，我们一般会把这些需求转化为我们电子类的专业术语表示。做过项目的都知道，客户说的，我们可能听不懂，而我们说的，客户可能也听不懂。所以在需求沟通的时候，就需要坐下来谈谈，电话里边是很难说清楚的。 拿电子专业术语来说，我们要做的这个产品，就是：正弦波频率计。 需求搞明白了，就可以进入设计选型阶段了。设计选型阶段，主要靠的是行业经验和设计经验。 这里，我们产品的外壳选择用标准的5135外壳，便于安装到教具的台架面板上，数码管选用0.56寸的，因为这种外壳用0.56寸的数码管很合适，空间占用比例很好。（5135外壳每个售价1.5元左右，0.56寸的数码管是2元左右。） 5135外壳配套的电路板尺寸为3.68*6.9，比较小，所以我们尽量用小封装的电子元器件。我们暂定只要有贴片封装的，都用贴片的，电阻电容选用0805封装的。 因为汽车的转速信号最大是8000转，一般我们也就是在1000~3000转之间使用。所以我们选择4位的数码管，用芯片TM1620驱动。TM1620是天微电子的一款数码管驱动芯片，SOP20封装，这个芯片与单片机采用SPI接口，只需要占用单片机的3个引脚，就可以用单片机控制显示任何数字了。（TM1620每个售价0.9元左右。） 汽车上的所有用电设备，一般都是蓄电池供电，蓄电池的电压是12V左右，如果教具上面不需要安装汽车的蓄电池，一般用12V的开关电源供电。所以我们要做的这个产品，是用12V供电的。 为了避免电源电压波动对电路造成的影响，我们选择9~36V输入、5V输出的电源芯片XL1509-5.0，该芯片为SOP8封装。（XL1509-5.0每个售价1元左右。） 信号处理原理是：把正弦波整形为方波，然后交给单片机测量频率，单片机再负责把这个频率显示到数码管上。这其中，我们要显示的是转速，测到的频率和转速可能不是一个数，有可能是由一定的比例关系，所以还需要单片机运算一下，为了方便兼容各种车型，我们增加一个校准按钮。 正弦波整形为方波，人们一般的使用方法是使用比较器或者施密特触发器，就是把信号的一条线接GND，另一条线作为输入。如下图所示： 但是，我们不能直接使用这种方法。因为，在使用原车ECU的情况下，如果你把信号的其中一个引脚接GND，将会引起ECU报故障。（这一点，完全是行业经验。） 为了避免上述情况，我们用三运放构成的仪表放大电路缓冲一下正弦波信号，该电路为差分输入、单端输出，正好适合我们现在的应用。 信号的两条线分别从VIN1和VIN2进入，最后从VOUT输出。我们使用SOP8封装的MCP6002，这个芯片是轨到轨输出。什么是轨到轨？我以前的公众号也发过一篇文章介绍。这个功能可以避免由于输入电压过大引起的信号翻转失真。（MCP6002每个0.7元左右。） 单片机我选择SOP16封装的STC15W408AS，这个单片机内部有比较器，可以用来给正弦波整形。自带的捕获功能，专门用来测量脉冲信号，可以减少代码量。（STC15W408AS每个售价2.8元左右。） 基本思路就是这些，具体的细节问题，我们在画电路板的时候再介绍。 接下来进入原理图设计环节。 说到画板，有些人使用AD，有些人使用Pads，有些人使用Cadence，有些人使用Kicad......。为了方便所有的人，这里我使用easyeda，它的好处是不用你电脑上装软件，因为它是使用浏览器编辑的。画好的板子，我也会提供给大家，大家用浏览器就可以打开了，如果需要，可以一键生成gerber文件发到工厂做板子。 电源部分 因为电路中的单片机、TM1620、MCP6002和数码管都是5V供电，所以我们选择使用XL1509-5.0芯片，输入电压可以从9V到36V。 在XL1509的手册上，已经给出了它的经典电路图，上图也是按照手册上的图接的。不过，很多人想知道其中的原理，下面我就详细的介绍一下。 D2使用普通二极管M7，它就是直插元件IN4007的贴片版本。它的作用是防止电源反接，当你一不小心把电源正负接反了，也不会烧坏电路板。 C1和C3的作用是电源滤波，就是去除输入电源噪声的。C1不一定必须使用220uF，使用100uF或者470uF都是可以的。C3使用10nF或者100nF都可以。关键是C1和C3的耐压值必须要大于给电路板供电的电源电压。 L1使用68uH的电感。作用是滤除电源5V输出的噪声。 D1是肖特基二极管B5817W，在这里的作用是续流。因为DC-DC芯片是开关电源原理，二极管是在芯片中的MOS管关断的时候起一个续流作用，电流从二极管流过，再从电感输出。 显示部分 我们使用TM1620的共阴极接法驱动数码管。 TM1620驱动4位数码管，所以只接GRID1~4，不接GRID5和6。SEG1~8用来驱动数码管的A~F~DP段位。STB、CLK、DIN连接到单片机的任意3个引脚。C4用来滤除噪声。
共阴数码管型号FJ5461AH。 信号处理部分 我们要做的电路是三个运放构成，一个MCP6002里边有两个运放，所以我们使用两个MCP6002。 这种三运放构成的仪表放大器，可以用在很多产品上，使用最多的，是对传感器小信号的放大。这是一种典型的电路形式。U3.1和U3.2是电压跟随器，U4.1是差分放大电路，实际上也是个减法器电路。电路的放大倍数=R6/R5=100倍。 很多人还会好奇跟随器前面的电阻R1和D3。D3的作用是当输入电压高于VDD的时候保护运放的输入级。在MCP6002内部，还有一个二极管，是保护输入电压低于VSS的时候保护输入级。R1的作用有两个，一个是限制输入到输入级的电流，另外一个是在输入电压大于VDD的时候，限制输入到D3上的电流。（R2、D4的原理和R1、D3一样。） 你可能注意到了R4下边的REF这个网络标号，因为我们使用MCP6002的单电源供电方式，所以需要在R4的下边接1/2的VDD，以便获得全部的信号。如果MCP6002的供电方式是双电源供电，那么REF这个地方是接GND的。 我们使用下面的电路给REF提供2.5V的电压。 这是一种非常常见的给单电源运放提供1/2VDD电压的一种方法，大家首先要熟记，然后听我给你们解释。 如果我不用这个跟随器，而是直接用两个10K电阻分压连接到REF那个地方，那实际上，REF处的电压肯定不是2.5V，因为它将会与R3、R4一起参与组成串并联的电阻网络一起分压输入电压，REF将会是一个随着输入电压变化的电压。用专业一点的话来说，就是R8、R9分压后得到的2.5V电压输出阻抗太大。所以，我们接一个电压跟随器，运放的输出阻抗很小，几乎为零点几欧姆。到时候，REF的电压将不会受到输入电压的影响，很好的保持2.5V不变。 你也可以用一个电压基准芯片，比如REF3125。但是这样会增加成本，而且多一个元器件，多占用一点PCB面积，我们本来很小的电路板，还是少放点东西比较好。因为我们刚才在信号处理电路中使用的U4实际上只使用了一个运放，还剩下一个运放，所以正好拿它来做REF的电压提供，两全其美。 主控部分 此款单片机非常容易使用，不需要外部的晶振电路和复位电路，单片机最小系统就是单片机加一个0.1uf的电源滤波电容。这样的好处就是，既可以不用采购晶振等那些元器件，还可以少画几根线，又可以节省电路板的体积，用在我们这个小电路板上，正好非常合适。 左边是个按键电路，R7是上拉电阻，C9是滤波电容，硬件防抖。按键没有按下，P3.3是高电平；按键按下，P3.3是低电平。 我们运用到了这个单片机的比较器，比较器的反相端接了REF，也就是2.5V，信号从比较器的同相端输入，P1.2为比较器的输出端。我们把比较器整形后的波形输入到P1.1脚，因为P1.1引脚是捕获引脚，可以用这个功能测量方波的频率。 这是程序下载接口，只需要把单片机的RXD TXD引脚印出来就可以。 接下来进入PCB设计环节。 从原理图中导入PCB后，我们先把边框画好，这里我们把宽度定义为69mm，把长度定义为36.8mm。 根据外壳的形状，接线端子放到中间下面，便于接线。数码管位于背面的正中间。其它的元器件摆放依照“便于布线”的原则来摆放。 上图是PCB正面的2D演示。 上图是PCB背面的2D演示。 半导体工程师 半导体经验分享，半导体成果交流，半导体信息发布。半导体行业动态，半导体从业者职业规划，芯片工程师成长历程。 |
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