基于Altium Designer的電路設計

1、基于AltiumDesigner的電路設計TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 1AltiumDesigner軟件介紹2 HYPERLINK l bookmark4 2使用AltiumDesign設計電路的基本步驟2 HYPERLINK l bookmark6 3基于ATMEGA328的總體方案設計3 HYPERLINK l bookmark8 3.1單片機控制系統(tǒng)模塊43.2LT3469電壓控制壓電陶瓷模塊73.3MAX232串口信號控制模塊103.4電路中其他各個部分的簡介11自適應系統(tǒng)印制電路板的設計14 HYPERLINK l bookmark36 結

2、論151AltiumDesigner軟件的介紹澳大利亞的Altium公司于2006年初推出了一款新型的電路板設計軟件AltiumDesigner！AltiumDesigner的前身是Protel軟件，新推出的這款軟件是全新32位的，具有更加強大的功能，更加友好的人機交互式界面，并且容易上手，更容易使用。軟件設計者可以使用該軟件設計出更加完美的電路原理圖和電路的元器件圖。新推出的AltiumDesigner相較于Protel具有更高的集成度和可擴展性，一經推出風靡與設計者間，迅速占領全球的電子電路設計自動化軟件的霸主地位，而后成為新一代電子電路等電氣化的行業(yè)標準。AltiumDesigner主要

3、有電路設計部分和電路仿真與可編程邏輯器件設計兩部分組成，每一部分又有多個模塊組成。電路設計部分有主要包含原理設計系統(tǒng)和印刷電路板設計系統(tǒng)。原理設計系統(tǒng)主要用于電路原理圖的設計，原理圖的設計包括原理圖庫的編輯器和原理圖庫修改的編輯器，而后根據原理圖庫設計出原理圖并導出原理圖中所需要的元器件等報表。印刷電路板設計系統(tǒng)主要用于設計元器件庫，而后根據元器件庫對設計印刷電路板的編輯與修改37。2使用AltiumDesign設計電路的基本步驟在使用AltiumDesigner設計電路是需要遵循下述步驟PCB板設計流程圖如圖1中所示。1、設計原理圖2、定義組件封裝3、PCB圖紙的基本設置4、生成原理圖和電路

4、板之間的網表和載入原理圖和電路板之間的網表5、布線規(guī)則設置6、自動布線7、手動布線8、生成報表文件9、檔打印輸出圖1PCB板設計流程圖3基于ATMEGA328的總體方案設計AO系統(tǒng)的PCB板是基于ATmega328單片機作為主要控制芯片的；它通過MAX232EWE(16)芯片獲取到上位機發(fā)出的信號，然后通過ATmega328具備PWM輸出功能的管腳來控制LT3469電壓芯片來控制供給壓電陶瓷電壓的變化得到上位機所需要的位置變化。LT3469芯片控制壓電陶瓷變化之后，通過相機得到的圖像后再判斷圖像是否在相機的正中心，如果不在正中心繼續(xù)控制單片機控制LT3469芯片來調節(jié)壓電陶瓷繼續(xù)變化；如果是在

5、中心，則此次控制結束得到想要的圖片。在AO系統(tǒng)的工作原理中，所需要的芯片有ATmega328、LT3469、MAX232、CP2102和TPS5450等芯片共同工作來完成系統(tǒng)的電路控制。在此AO系統(tǒng)中的原理圖主要分為以下幾個模塊：單片機控制系統(tǒng)模塊、LT3469電壓控制壓電陶瓷模塊、CP2102串口燒寫程序模塊和MAX232串口信號控制模塊。它們之間的關系如下圖2所示：單片機控制系統(tǒng)模塊單片機控制系統(tǒng)模塊的主要功能是獲得上位機的控制信號后，通過單片機內部的程序使其能夠得到相應的控制程序編碼，然后通過PWM輸出功能的管腳輸出信號，校正當前的平面反射鍍膜反射鏡的位置，來校正大氣湍流所帶來的誤差，使

6、入射光到達成像面的角度能夠達到理想的狀態(tài)；從而得到理想的星空圖片。其原理如下圖3所示：密圖3單片機系統(tǒng)工作PCB原理圖卻132*L斗2*9、雖021R,CM$PEGPDTKD)PEpm：irro)宓PDLJKT】)PE濃辺FB+：J攻；jPD5：T)PB：3ZK)PDgAIM)PE5：7-tLJ)PB-.：7sT.%L2)VCCECltX)VCCPCi：AECl：iAVCCPC兗.皿科PC4AT幻GNDPC囂ADC二:iGKDPCfifKE汪T)GNDARZFAIXTATmega328芯片簡介本論文的自適應系統(tǒng)中單片機控制系統(tǒng)模塊中使用的單片機芯片為ATmega328。ATmega328是低功

7、耗8位CMOS微控制器,其結構是基于增強的AVRRISC而設計出來的。ATmega328具有先進的指令集，并且其執(zhí)行時間可以達到為單時鐘指令周期。ATmega328具有較高的數據吞吐量，解決了功耗和處理器速度不能兼得的難題。AVR內核結構中，集成了大量的先進的指令集，并且擁有32個通用工作寄存器。AVR內核中所以的寄存器都直接和算術邏輯單元聯接在一起，使得一條指令在相同的時間內可以訪問2倍于之前的設計。這種設計提高的代碼編譯的效率，并且提高了數據的吞吐量。相較于前一代產品，其代碼編譯速度提高一倍，數據吞吐量提高10倍。ATmega328有如下特點：1、系統(tǒng)中可編程Flash擴展到32K,該系統(tǒng)

8、的可編程Flash具有同時都系的能力；系統(tǒng)具有1K的EEPROM和2K的SRAM；2、該系統(tǒng)中具有通用I/O口32個，通用工作寄存器也是32個，具有JTAG接口用于邊界的掃描，以及比較靈活的片外/內中斷，定時器/計數器(T/C)以及串行接口；3、該單片機支持片內調試與編程，節(jié)省了大量時間，提高了工作效率；4、具有8路10位的ADC，ADC是具有可選差分輸入級可編程增益；5、在空閑模式下，CPU停止工作，而USART端口，A/D轉換器以及中斷端口等端口繼續(xù)工作；6、在芯片掉電時，芯片處于掉電模式，這時只有中斷端口和硬件復位端口繼續(xù)工作，其余功能端口均停止工作；7、當芯片處于省電模式時，異步定位器

9、繼續(xù)工作，其余功能模塊均停止工作或者處于休眠狀態(tài)；8、當芯片處于ADC噪聲抑制模式時，終止所有可能存在噪聲污染的端口，除了那些必須工作的端口如異步定時器和ADC；9、當芯片處于Standby模式時，除了晶振外所有的端口都處于休眠狀態(tài)，但是這個模式時，一切端口都具有快速啟動的能力；10、當芯片處于擴展Standby模式時，則只允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。ATmega328具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具。4.3.1.2ATmega328芯片管腳PWM功能PWM即脈沖寬度調制，PWM的英文全稱為“PulseWidthModulat；脈沖寬度調制對模擬電路的控制是通過微處理器的數字輸出來實現的，是

10、一種非常高效和有用的技術38。如圖4所示為PWM輸出。IulseWidthModulesionOulyCy-ckan.11esyWriIeB(l1Z5%DutyCyclle-aiiialogWiiite(64n_TL_n_TL_n_jSO%D1jEyCyle-inidcsyWir訂1呎177l:rLTT_TT_TT_ruf斶DutyCvcle一analoqWrltetiy1j:r_LT_Lr_Lr_Lr_QWP%IJuryL：ycle一anaagWrire2S1圖4PWM輸出示意圖脈寬調制（PWM）基本原理39：控制方式就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用

11、這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。PWM是根據方波的占空比不同來實現“模擬輸出”的一種方式40,41。PWM有什么作用？模擬量的輸出是通過電路的簡單濾波來實現的；其模擬量具有真正量的效果；調節(jié)燈光的明暗程度，控制電機實現其轉速的調節(jié)；控制舵機角度；輸出信號；Arduino包含硬件和軟件兩部分，硬件為各種型號的arduino板，軟件是由Arduino的核心開發(fā)團隊開發(fā)出來的ArduinoIDE。Arduino

12、是一款使用方便快捷，并且容易學的開源的電工電子平臺。Arduino可以通過以下三種方式可以產生PWM：1、用AnalogWrite（pin,Vai命令2、手動用代碼實現PWM3、使用PWM寄存器3.1.3ATmega328的時鐘ATmega328有三個時鐘，TimerO,Timerl和Timer2。這三個時鐘中都包含有兩個比較寄存器，并且支持兩路同時輸出。一般情況下，每個時鐘中的兩個比較寄存器設置的不同，根據設置的不同就導致占空比的不同，占空比的不同就實現了PWM的輸出。每個時鐘都可預先設定一個標志即“預定標器”，這個預定標器的作用就是設置每個時鐘的周期，這個時鐘的周期是根據系統(tǒng)的預設時鐘除以

13、在程序中設定的一個因子，就可以得到此時鐘的時鐘周期。這個因子一般是l,8,64,256或lO24這樣的數值。在ATmega328的三個時鐘中，時鐘TimerO與時鐘Timerl使用的預設因子是相同的，時鐘Timer2的預設因子是獨立設定的。ATmega328中的三個時鐘，其運行模式時不同。其模式根據系統(tǒng)設定的不同而變化。其中常見的系統(tǒng)模式為快速PWM和修正相位的PWM。這些時鐘可以從0計數到255，也可以計數到某個指定的值。除了比較寄存器外，還有一些其他的寄存器用來控制時鐘42。時鐘的控制不僅僅是依靠比較寄存器來控制的，其他的寄存器也可以實現時鐘的控制。例如TCCRnA和TCCRnB就是用來設

14、置時鐘的計數位數。控制時鐘的寄存器，其內部包含了很多位，這些寄存器的作用如下所述：脈沖生成模式控制位（WGM）：用來設置時鐘的模式時鐘選擇位（CS）：設置時鐘的預定標器輸出模式控制位（COMnA和COMnB）：使能/禁用/反相輸出A和輸出B輸出比較器（OCRnA和OCRnB）不同的時鐘是由不同的寄存器來控制的，寄存器設置的不同就會導致時鐘的不同。其中Timer1是一個16位的時鐘，Timer2是根據寄存器的不同，使用不同的時鐘周期。3.2LT3469電壓控制壓電陶瓷模塊LT3469電壓控制壓電陶瓷模塊的主要功能是獲得單片機經過編譯的控制信號，然后通過壓電芯片內部的原理對輸出的電壓進行控制。輸出

15、電壓主要控制壓電陶瓷的伸縮量，繼而調節(jié)鏡片托的傾斜角度，調節(jié)了鏡片托的傾斜角度也就是調節(jié)了入射光的角度，入射光的角度調節(jié)影響到反射光的角度。最后，光路進入成像面的角度發(fā)生變化，達到調節(jié)圖像采集元件采集到圖像質量的目標。實現設計的目標要求。其原理如下圖5所示：LT3469芯片簡介LT3469是一款壓電微型致動器驅動器，該芯片具有升壓穩(wěn)壓的功能，是一款功能性的驅動芯片。LT3469是一款跨導放大器芯片，它可以在5V或者12V的輸入電壓下，驅動輸出最大電壓達到33V。芯片內部的開關式穩(wěn)壓器可以生成一個推動跨導放大器工作的工作電壓；此芯片的驅動容性負載的范圍在5nF-300nF之間。內部的電壓轉換速度

16、是由芯片的輸出電流決定的。而且芯片的電壓放大倍數也是由最大輸出電流的限制。芯片內部的開關穩(wěn)壓器的最大輸出能力是35V，這是由放大器的供電電壓并結合所驅動的壓電陶瓷的輸出電壓范圍共同來決定的。在LT3469芯片內部的開關穩(wěn)壓器工作的最大頻率是1.3MHz，且其可以使用小尺寸的電容部件。它最小可以使用輸出的電容為0.22mF，這樣可以節(jié)省空間，另外可以更容易找到其他類似的解決方案。綜上所述，該芯片具有以下特點：放大器功能：輸出電流范圍：40mA;共模輸入范圍：0V10V；輸出電壓范圍：iv少昭iu）；微分增益與高阻抗輸出；靜態(tài)電流：2mA；開關穩(wěn)壓放大器輸出電壓為輸入電壓到35V；輸入范圍廣：2.

17、5V16V；高開關頻率：1.3MHz；內置肖特基二極管；內補償模式與電流模式的相互兼容性；LT3469在負載33nF下的響應速度。如下圖6所示:ResponseDrivinga33nFLoadIglttlOOnftiDIVVOUT1OV/DIVINPUT5V.DIVSOps/LIV圖633nF負載的響應圖示3.2.2壓電陶瓷簡介43壓電陶瓷是一種無機非金屬的功能性陶瓷材料，它的主要作用就是將電能和機械能相互轉換。壓電陶瓷的工作原理是機械應力引起內部電荷的相對位移，由于電荷的位移，材料發(fā)生極化。材料發(fā)生極化導致材料兩端的表面束縛的不同的電荷，因而，壓電陶瓷具有敏感的特性。壓電陶瓷是顧名思義就會具

18、有壓電的特性，又因為其材料一種特殊的介質材料，介質材料根據其物理性質具有介電性和彈性。壓電陶瓷除了具有上述性質外，還具有各向異性。各向異性就是說材料的性能和參數根據材料的方向不同而表現出不同的特性。根據上述的壓電陶瓷的特殊性，則可以看出壓電陶瓷有很多不一般的性能，其特殊性能如下：（1）介電常數；（2）介質損耗；（3）彈性常數；（4）機械品質因數；（5）壓電常數；（6）機電耦合系數；（7）頻率常數。在正常的壓電陶瓷使用過程中，壓電陶瓷的頻率常數受到其彈性常數的影響3.3MAX232串口信號控制模塊Max232串口控制模塊的主要功能是獲取上位機經過轉碼的圖像信息，然后通過該芯片傳送給單片機模塊44

19、。由于串口芯片一次只能識別一種信號，但本系統(tǒng)中單片機需要控制兩個LT3469芯片來驅動壓電陶瓷，故需要將串口所獲得圖像信息分辨出是橫向的調節(jié)還是縱向的調節(jié)。該芯片需要因為最大可以獲得16位數字的信號，另外由于LT3469芯片僅僅需要8位的信號就可以實現其調節(jié)，故可以將高8位作為橫向與縱向的調節(jié)分辨符，來實現芯片信號的傳輸。串口芯片獲得數據后將其傳輸給單片機，經過單片機的識別來控制哪一個壓電陶瓷來運動實現所需要的運動。最后，實現信號的識別與傳輸，實現該系統(tǒng)的控制功能。在AO系統(tǒng)的PCB原理圖中，串口芯片的原理圖如下圖8所示：nTXDUSBnCDhiAXKXD14TX&2二RXDUSBJD圖8串口

20、芯片MAX232的原理圖OUTFUQUTT1OUTT2OUTMAX232EWE芯片簡介MAX232芯片是由美信公司生產的標準串口的控制芯片，該芯片的工作電壓為+5v,該芯片兼容于電腦的RS-232S5。第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構成。功能是產生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。第二部分是數據轉換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構成兩個數據通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R10UT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數據通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）10腳（T2IN）7腳（T2OUT）為

21、第二數據通道。TTL/CMOS數據從T1IN、T2IN輸入轉換成RS-232數據從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數據從R1IN、R2IN輸入轉換成TTL/CMOS數據后從R1OUT、R2OUT輸出。第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5v）。另外，MAX232芯片具有以下主要特點：1、符合所有的RS-232C技術標準；2、只需要單一+5V電源供電；3、該芯片具有升壓和降壓的功能，也可以使電極發(fā)生變化。4、功耗低，典型供電電流5mA；5、內部集成2個RS-232C驅動器；6、該芯片具有較高集成度。3.3.2MAX232EWE芯片電路的保護在實際的串口

22、電路使用過程中，由于電子元器件的脆弱性，以及使用環(huán)境的不同。容易導致串口芯片的損壞，故需要總結其損壞原因并對其進行一定的保護，使其在使用過程中，保持良好的可靠性。常見MAX232損壞，大致有如下原因：1、冬季靜電很高，建議換有ESD保護的232芯片，例如MAX221E（美信），SN75C3221E（TI）等芯片；2、帶點插拔，使用中應盡量避免熱插拔；3、冬季靜電很高，建議焊接、安裝、調試、產品組裝、設備現場安裝均采取防靜電措施；4、232芯片電源端串聯一個小電阻，防止閂鎖。另外，24V降壓穩(wěn)5v,采用線性穩(wěn)壓器7805，壓降有些大，會導致7805發(fā)熱，除非負載特別小，才這樣用。3.4電路中其他

23、各個部分的簡介在自適應光學的電路系統(tǒng)中，除去上述所說的單片機控制模塊、壓電陶瓷控制模塊和串口芯片控制模塊外，還有CP2102串口燒寫模塊，電路的電源控制模塊和電路的保護模塊等。3.4.1電源芯片工作原理及其特性在電路的控制與使用過程中，供電是必不可少的程序。而在實際應用過程中，電路使用的電壓在實際使用中并不常見。故需要電源芯片來實現電壓的變換，實現電路實際用于所需要的電壓。本系統(tǒng)中，由于各個部件使用的電壓不同，故需要一個變壓型穩(wěn)壓器芯片。設計過程中使用12V電壓的輸入，但是LT3469與CP2102芯片需要的電壓是5V的。這就需要一款降壓型開關穩(wěn)壓器來實現此功能。TPS5450芯片是由德州儀器

24、推出的新一代開關型降壓穩(wěn)壓器。其輸入電壓為5.5V36V，輸出電流分別為5A。該芯片的主要性能及特點：1、寬的輸入電壓范圍從5.5V36V。2、高達90%95%的轉換效率，3、輸出電壓范圍從1.22V35V,精度為1.5%。4、優(yōu)化后的電路布置，提高了放大效率，并且縮小了外部電路；5、具有500KHZ的固有頻率，減小了外部電路的設計；6、該芯片具有較高的響應能力，亦具有較好的調整性；7、該芯片還具有保護電路的功能，如過流保護等；8、工作環(huán)境為-40C+125C。9、采用有散熱底板的POWER-SO-8封裝。在本系統(tǒng)中，該芯片的輸入電壓為12V。則TPS5450在電路中的工作原理如下圖9所示：圖

25、9TPS5450工作原理圖3.4.2CP2102工作原理及其特性電路的單片機芯片在使用之前，都是純凈的芯片上面沒有任何燒寫的程序故在使用過程中，需要先將芯片進行格式化，而后將寫好的程序寫入芯片內部，寫入過后芯片才可以正常的工作。而需要將程序寫入到芯片中，就需要有可以寫入芯片的電路來實現這一步驟這時就需要CP2102芯片的來完成這樣的工作。CP2102的工作原理如下圖10所示：O.luFDTRRESETRXDUSBIXDUSBREGINRXDTXDD-D-RID匚DR5TVDDNCNCSUSPENDNCSUSPENDNCDSRNCRTSNCDTRNCCTSNCGNDNCGNDNCGNDNC圖10CP2102工作原理圖CP2102芯片具有以下特性：內含USB收發(fā)器，無需外界電路器；內含時鐘電路，無需外接電路器；內含上電復位電路；片內電壓調節(jié)可輸出3.3V電壓；符合USB2.0規(guī)范的要求；6.SUSPEND引腳支持USB狀態(tài)掛起；異步串行數據總線兼容所有握手和調制調節(jié)器接口信號；支持的數據格式為數據位8、停止位1、2和校驗位；內涵51