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嘉峪檢測網(wǎng) 2022-11-27 22:33
這篇文章將會以一個實例來敘述一個產(chǎn)品的完整制作過程。即使這個實例不是你感興趣的，也一定要看下去。因為這其中涉及到了很多的電子設(shè)計基礎(chǔ)知識點，涉及到了模擬電子和數(shù)字電子方面的很多知識。然而，任何一個電子產(chǎn)品都是基礎(chǔ)知識點的融合，那種很花哨的招式一般是用不上的。
從需求、外殼選型、芯片選型、原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計、制板、焊接、程序設(shè)計、調(diào)試、優(yōu)化，一直到最終的產(chǎn)品，一條龍都會講到。
我堅信，即使你現(xiàn)在工作了好幾年了，在這個產(chǎn)品的設(shè)計中用到的某些知識，你不一定遇到過。所以，這篇文章不僅僅是適合初學(xué)者！多數(shù)人看了都會從中受益。
既然是要說一個完整的制作過程，就需要先從需求開始說起。
需求：發(fā)動機數(shù)字轉(zhuǎn)速表（數(shù)碼管顯示）
先給大家介紹一個行業(yè)：汽車教學(xué)用具。這種教具的客戶是開設(shè)了汽車原理、汽車維修等關(guān)于汽車類專業(yè)的大中專院校。教具主要是發(fā)動機教具、變速箱教具、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)教具、ABS剎車教具、新能源管理教具等。例如：大眾帕薩特1.8T發(fā)動機實訓(xùn)臺，在實訓(xùn)臺上，把原車的發(fā)動機安裝到一個臺架上，然后想辦法使它正常工作。
發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號傳感器一般有三種：磁電、霍爾、光電。磁電用的最多，我們這里也是要做磁電的轉(zhuǎn)速表。
磁電傳感器有兩條線，出來的信號是正弦波，這個正弦波的幅值和頻率都是隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。轉(zhuǎn)速越快，幅值越大，頻率越高。在轉(zhuǎn)速低的時候，幅值可能只有幾十個mV，轉(zhuǎn)速大的時候，幅值可能會有15V。頻率一般是從0到幾千赫茲。
在拿到需求以后，我們一般會把這些需求轉(zhuǎn)化為我們電子類的專業(yè)術(shù)語表示。做過項目的都知道，客戶說的，我們可能聽不懂，而我們說的，客戶可能也聽不懂。所以在需求溝通的時候，就需要坐下來談?wù)?，電話里邊是很難說清楚的。
拿電子專業(yè)術(shù)語來說，我們要做的這個產(chǎn)品，就是：正弦波頻率計。
需求搞明白了，就可以進入設(shè)計選型階段了。設(shè)計選型階段，主要靠的是行業(yè)經(jīng)驗和設(shè)計經(jīng)驗。
這里，我們產(chǎn)品的外殼選擇用標(biāo)準(zhǔn)的5135外殼，便于安裝到教具的臺架面板上，數(shù)碼管選用0.56寸的，因為這種外殼用0.56寸的數(shù)碼管很合適，空間占用比例很好。（5135外殼每個售價1.5元左右，0.56寸的數(shù)碼管是2元左右。）
5135外殼配套的電路板尺寸為3.68*6.9，比較小，所以我們盡量用小封裝的電子元器件。我們暫定只要有貼片封裝的，都用貼片的，電阻電容選用0805封裝的。
因為汽車的轉(zhuǎn)速信號最大是8000轉(zhuǎn)，一般我們也就是在1000~3000轉(zhuǎn)之間使用。所以我們選擇4位的數(shù)碼管，用芯片TM1620驅(qū)動。TM1620是天微電子的一款數(shù)碼管驅(qū)動芯片，SOP20封裝，這個芯片與單片機采用SPI接口，只需要占用單片機的3個引腳，就可以用單片機控制顯示任何數(shù)字了。（TM1620每個售價0.9元左右。）
汽車上的所有用電設(shè)備，一般都是蓄電池供電，蓄電池的電壓是12V左右，如果教具上面不需要安裝汽車的蓄電池，一般用12V的開關(guān)電源供電。所以我們要做的這個產(chǎn)品，是用12V供電的。
為了避免電源電壓波動對電路造成的影響，我們選擇9~36V輸入、5V輸出的電源芯片XL1509-5.0，該芯片為SOP8封裝。（XL1509-5.0每個售價1元左右。）
信號處理原理是：把正弦波整形為方波，然后交給單片機測量頻率，單片機再負責(zé)把這個頻率顯示到數(shù)碼管上。這其中，我們要顯示的是轉(zhuǎn)速，測到的頻率和轉(zhuǎn)速可能不是一個數(shù)，有可能是由一定的比例關(guān)系，所以還需要單片機運算一下，為了方便兼容各種車型，我們增加一個校準(zhǔn)按鈕。
正弦波整形為方波，人們一般的使用方法是使用比較器或者施密特觸發(fā)器，就是把信號的一條線接GND，另一條線作為輸入。如下圖所示：
但是，我們不能直接使用這種方法。因為，在使用原車ECU的情況下，如果你把信號的其中一個引腳接GND，將會引起ECU報故障。（這一點，完全是行業(yè)經(jīng)驗。）
ECU，是車上的電子控制器，通常叫它行車電腦，現(xiàn)在所有的車上都有。就是一張載有單片機加各種外圍電路的電路板，主要功能是采集車速轉(zhuǎn)速、控制燃油噴射時間等。詳細介紹可以去百度一下。
為了避免上述情況，我們用三運放構(gòu)成的儀表放大電路緩沖一下正弦波信號，該電路為差分輸入、單端輸出，正好適合我們現(xiàn)在的應(yīng)用。
信號的兩條線分別從VIN1和VIN2進入，最后從VOUT輸出。我們使用SOP8封裝的MCP6002，這個芯片是軌到軌輸出。什么是軌到軌？我以前的公眾號也發(fā)過一篇文章介紹。這個功能可以避免由于輸入電壓過大引起的信號翻轉(zhuǎn)失真。（MCP6002每個0.7元左右。）
后面做實驗的時候，我用普通的、不是軌到軌的放大器給大家演示一下電壓過大產(chǎn)生的信號相位翻轉(zhuǎn)失真。
單片機我選擇SOP16封裝的STC15W408AS，這個單片機內(nèi)部有比較器，可以用來給正弦波整形。自帶的捕獲功能，專門用來測量脈沖信號，可以減少代碼量。（STC15W408AS每個售價2.8元左右。）
基本思路就是這些，具體的細節(jié)問題，我們在畫電路板的時候再介紹。
接下來進入原理圖設(shè)計環(huán)節(jié)。
說到畫板，有些人使用AD，有些人使用Pads，有些人使用Cadence，有些人使用Kicad......。為了方便所有的人，這里我使用easyeda，它的好處是不用你電腦上裝軟件，因為它是使用瀏覽器編輯的。畫好的板子，我也會提供給大家，大家用瀏覽器就可以打開了，如果需要，可以一鍵生成gerber文件發(fā)到工廠做板子。
電源部分
因為電路中的單片機、TM1620、MCP6002和數(shù)碼管都是5V供電，所以我們選擇使用XL1509-5.0芯片，輸入電壓可以從9V到36V。
在XL1509的手冊上，已經(jīng)給出了它的經(jīng)典電路圖，上圖也是按照手冊上的圖接的。不過，很多人想知道其中的原理，下面我就詳細的介紹一下。
D2使用普通二極管M7，它就是直插元件IN4007的貼片版本。它的作用是防止電源反接，當(dāng)你一不小心把電源正負接反了，也不會燒壞電路板。
C1和C3的作用是電源濾波，就是去除輸入電源噪聲的。C1不一定必須使用220uF，使用100uF或者470uF都是可以的。C3使用10nF或者100nF都可以。關(guān)鍵是C1和C3的耐壓值必須要大于給電路板供電的電源電壓。
L1使用68uH的電感。作用是濾除電源5V輸出的噪聲。
D1是肖特基二極管B5817W，在這里的作用是續(xù)流。因為DC-DC芯片是開關(guān)電源原理，二極管是在芯片中的MOS管關(guān)斷的時候起一個續(xù)流作用，電流從二極管流過，再從電感輸出。
提示：模電知識，不像數(shù)字電子那樣1就是1，0就是0，模電知識，最好的學(xué)習(xí)方法就是先使用它，電路用的多了，以后就會越來越理解其中的原理。
顯示部分
我們使用TM1620的共陰極接法驅(qū)動數(shù)碼管。
TM1620驅(qū)動4位數(shù)碼管，所以只接GRID1~4，不接GRID5和6。SEG1~8用來驅(qū)動數(shù)碼管的A~F~DP段位。STB、CLK、DIN連接到單片機的任意3個引腳。C4用來濾除噪聲。
以后記住，電路板上的所有芯片，都在它的電源引腳放一個0.1uF的電容。
共陰數(shù)碼管型號FJ5461AH。
信號處理部分
我們要做的電路是三個運放構(gòu)成，一個MCP6002里邊有兩個運放，所以我們使用兩個MCP6002。
這種三運放構(gòu)成的儀表放大器，可以用在很多產(chǎn)品上，使用最多的，是對傳感器小信號的放大。這是一種典型的電路形式。U3.1和U3.2是電壓跟隨器，U4.1是差分放大電路，實際上也是個減法器電路。電路的放大倍數(shù)=R6/R5=100倍。
再次強調(diào)，數(shù)電中1就是1，0就是0，學(xué)模電，不能想數(shù)電那樣看了就能理解。一定要多用電路，用的多了，就會理解越來越深刻。所以，現(xiàn)在不理解，也完全沒有關(guān)系，
很多人還會好奇跟隨器前面的電阻R1和D3。D3的作用是當(dāng)輸入電壓高于VDD的時候保護運放的輸入級。在MCP6002內(nèi)部，還有一個二極管，是保護輸入電壓低于VSS的時候保護輸入級。R1的作用有兩個，一個是限制輸入到輸入級的電流，另外一個是在輸入電壓大于VDD的時候，限制輸入到D3上的電流。（R2、D4的原理和R1、D3一樣。）
你可能注意到了R4下邊的REF這個網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，因為我們使用MCP6002的單電源供電方式，所以需要在R4的下邊接1/2的VDD，以便獲得全部的信號。如果MCP6002的供電方式是雙電源供電，那么REF這個地方是接GND的。
運放的供電方式有兩種：一種是單電源供電，例如5V和GND；另外一種是雙電源供電，例如±5V。
我們使用下面的電路給REF提供2.5V的電壓。
這是一種非常常見的給單電源運放提供1/2VDD電壓的一種方法，大家首先要熟記，然后聽我給你們解釋。
如果我不用這個跟隨器，而是直接用兩個10K電阻分壓連接到REF那個地方，那實際上，REF處的電壓肯定不是2.5V，因為它將會與R3、R4一起參與組成串并聯(lián)的電阻網(wǎng)絡(luò)一起分壓輸入電壓，REF將會是一個隨著輸入電壓變化的電壓。用專業(yè)一點的話來說，就是R8、R9分壓后得到的2.5V電壓輸出阻抗太大。所以，我們接一個電壓跟隨器，運放的輸出阻抗很小，幾乎為零點幾歐姆。到時候，REF的電壓將不會受到輸入電壓的影響，很好的保持2.5V不變。
你也可以用一個電壓基準(zhǔn)芯片，比如REF3125。但是這樣會增加成本，而且多一個元器件，多占用一點PCB面積，我們本來很小的電路板，還是少放點東西比較好。因為我們剛才在信號處理電路中使用的U4實際上只使用了一個運放，還剩下一個運放，所以正好拿它來做REF的電壓提供，兩全其美。
主控部分
此款單片機非常容易使用，不需要外部的晶振電路和復(fù)位電路，單片機最小系統(tǒng)就是單片機加一個0.1uf的電源濾波電容。這樣的好處就是，既可以不用采購晶振等那些元器件，還可以少畫幾根線，又可以節(jié)省電路板的體積，用在我們這個小電路板上，正好非常合適。
左邊是個按鍵電路，R7是上拉電阻，C9是濾波電容，硬件防抖。按鍵沒有按下，P3.3是高電平；按鍵按下，P3.3是低電平。
我們運用到了這個單片機的比較器，比較器的反相端接了REF，也就是2.5V，信號從比較器的同相端輸入，P1.2為比較器的輸出端。我們把比較器整形后的波形輸入到P1.1腳，因為P1.1引腳是捕獲引腳，可以用這個功能測量方波的頻率。
這是程序下載接口，只需要把單片機的RXD TXD引腳印出來就可以。
接下來進入PCB設(shè)計環(huán)節(jié)。
從原理圖中導(dǎo)入PCB后，我們先把邊框畫好，這里我們把寬度定義為69mm，把長度定義為36.8mm。
根據(jù)外殼的形狀，接線端子放到中間下面，便于接線。數(shù)碼管位于背面的正中間。其它的元器件擺放依照“便于布線”的原則來擺放。
上圖是PCB正面的2D演示。
上圖是PCB背面的2D演示。
來源：電子工程專輯
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