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      《電子技術應用》
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      成就電子電路設計高手(15),電子電路設計之設計案例介紹(下)

      2020-08-25
      來源:21ic

      電子電路設計內容通常較多,想要了解大部分電子電路設計知識點,需要時間和實踐。為幫助大家增進對電子電路設計的認識,本文將對電子電路設計的設計案例予以介紹。

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      一、采用LED模擬調光的機器視覺辨認系統電路設計指南

      具體電路設計

      現有的開關電源控制芯片也有提供模擬調光功能,但是調光比都很小,一般在幾十左右,是作為PWM 調光的一個補充,這個調光比和前述機器視覺辨認的要求差距較大。針對上述情況,本文重新對線性恒流電路進行了改進,在這部分電路前增加了可變降壓電路,用于匹配輸入電壓和LED 燈串電壓,提高效率; 同時使用高精度的D /A 來控制電流輸出,得到一個較高的模擬調光比。在AC /DC 電源的輸出總線上可以掛載多于一路的可調恒流電路,通過ZigBee 模塊進行輸出電流控制,保證每一路輸出的電流準確,可調。

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      電路分析:可變降壓電路的輸入使用AC /DC 電源提供的48V 總線,這部分電路根據后接的LED 顆數多少和輸出電流大小, 動態調節輸出, 使其輸出電壓和LED 燈串電壓的差額保持較小的水平,從而減小大電流下三極管的損耗。這里使用LM5010 降壓芯片來搭建可變降壓電路,LM5010 是一個恒定導通時間的Buck 控制芯片。R1 和R2 組成電壓反饋電路,將輸出電壓進行分壓后輸入至FB 腳上。每當FB 腳上電壓低于2. 5V 時,芯片內部的開關會固定的導通一段時間,導通時間與輸入電壓和Ron有關, 之后開關會關斷265ns 或直至FB 腳上電壓下降到2. 5V 以下。電路通過(R1 + R2) /R2·VFB來設定最大輸出電壓。另一方面,為了降低在三極管的功率損耗,我們同時監測采集三極管和采樣電阻的壓降和, 并使用LM358 進行正向放大后通過D2 輸入到FB 腳上。因此在三極管和采樣電阻上的壓降總和就不會大于Vdrop = ( VFB + VD2) × R3 / ( R3 + R4)。因此當LED燈串上的電壓小于LM5010 的最大輸出電壓時,多余的電壓就會由三極管和采樣電阻承擔,當這個電壓經過放大后大于FB 腳的閾值時,LM5010 延長開關關斷時間,使輸出電壓下降,因此最終的Vout =Vled + Vdrop。從而在LED 顆數比設計值少或者在對LED 進行調光時,前端輸出的電壓能夠更合理的匹配燈串電壓。

      機械手視覺系統外圍電路設計攻略

      機械手的三塊控制器的控制芯片都為2407DSP,雖然三塊控制器實現的功能不同,但在硬件電路設計時按照DSP 管腳的功能。

      PWM 管腳:DSP 的每個事件管理器都有與比較單元相關的PWM 電路,能夠產生六路帶可編程死區和輸出極性的PWM 輸出,但是都是成對輸出的,對于本控制器需要的獨立的輸出,每個事件管理器只有3 路,一個DSP 有兩個事件管理器,可以獨立的輸出6 路PWM 波。液壓控制器需要6 路PWM 波驅動電業比例閥,而伺服電機控制器需要4 路0-5V 的加速器信號調節電機轉速,在設計電路時將這兩種電路設計在一起,并制成印刷電路板,焊板時按每板的功能焊接即可,液壓控制器需要輸出PWM 波形,芯片用LM393 做比較器,此時電阻R19 和電容C71 不焊即可,但要有R21 上拉電阻,R17 和R18 將2 腳電壓分在1.7V 左右比較合適。伺服控制器需要輸出0-5V 電壓芯片用LM2904 做運放用,焊電阻R19 和電容C17不用MOS 管、R21 和外接電源,也不用焊R17,直接將DSP 輸出0-3.3V 電壓放大到0-5V 輸出。PWM/電壓輸出電路圖見圖:

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      二、機械手視覺系統外圍電路設計攻略

      I\O 口:DSP 的數字I/O 口模塊具有控制專用I/O 和復用引腳的功能,可以輸出輸入高低電平信號,根據其功能將其設計成開關量輸出,輸入,并用其控制繼電器,作為控的開關。開關量輸入只要用電阻分壓即可,開關量輸出使用光耦隔離,本設計用的光耦PC817,比較適合DSP 使用。當DSP 輸出高電平時繼電器吸合,CNETA1 和CNETA2 兩腳導通繼電器電路圖見圖:

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      繼電器電路圖

      QEP 電路:DSP 的每個時間管理器都有一個正交編碼器脈沖(QEP)電路。當QEP電路被使能時可以對CAP1/QEP1 和CAP2/QEP2(對于EVA 模塊)引腳上的正交編碼輸入脈沖進行解碼和計數。正交編碼脈沖電路可用于連接光電編碼器以獲得旋轉機械的位置和速率。伺服電機控制器需要使用QEP 電路,由于一個伺服電機控制器需要控制4 臺伺服電機,所以碼盤信號使用74153 芯片選擇輸入,同時碼盤的每路信號都有正負兩根線通過運放放大后再到74153 選擇后輸入DSP,碼盤選擇電路見圖:

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      碼盤選擇電路

      機器視覺系統中PWM/電壓輸出電路、I\O 口電路與QEP 電路設計,使得開發人員可以通過電路介紹將數字技術與攝像頭、傳感器、電機和其他外設集成來輕松構建 3D 點云。整個機器人車現在可以完成所需功能,同時也完全符合視覺設計要求,達到了相應技術指標,為將來的批量生產奠定了堅實的基礎,市場潛力巨大。

      智能視覺高速尋線機器人導航系統電路設計

      視頻采集模塊

      由于單片機A/D速度限制,需要選用低分辨率的黑白攝像頭。因為低分辨率意味著視頻單行掃描時間的增加,而黑白攝像頭意味著只需要單路A/D就可以完成視頻采集工作。選擇了Omvision生產的ov5116芯片為內核的CMOS黑白攝像頭,分辨率為320×240,圖像刷新頻率50Hz。同時選用 LM1881視頻同步信號分離芯片提取視頻信號中的行同步和場同步信號,連入s12的脈沖捕捉通道。通過捕捉信號觸發AD模塊工作,采集存儲視頻數據。

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      視頻采集電路原理圖

      電機控制及電源

      RS-380SH直流電機作為主驅動電機,通過PWM信號控制。選用Freescale公司的MC33886全橋驅動芯片,通過兩路半橋實現電機正反轉。這里的電機反轉并不為實現倒車,而主要用于車體減速。在進行電機正反轉切換時,電機驅動電流會隨著負載增大而瞬間放大,因此需要增大穩壓能力,保證系統正常工作電壓,避免單片機自動重啟。在整個系統中,有多種電壓需求,單片機和舵機為5V供電;CMOS攝像頭為 6~9V。因此,為了方便開發,這里選用最常用的7.2V充電電池組。只需在系統內加入5V穩壓芯片,提供5V電壓。

      本文設計了一個基于視覺的以高速尋線為目的的行走機器人系統。系統采用一塊高性能單片機,完成了從視頻采集到視頻處理,最終實現速度和轉向控制的一套尋線行走功能。系統輕便靈巧,無需存儲器擴展和其他可編程器件配合,搭建費用低。該方案在參加第一屆全國大學生智能車大賽中,系統運行平穩,取得了非常優異的成績。

      機器視覺照明穩定燈照明電路設計

      電路原理:由Q1,Q2和U1組合的磁滯振蕩器,可用來穩定燈的照明。在操作時,全波電橋D3既可用于交流線中,或者是燈的未經調節的直流電,又可用于為四CMOS斯密特觸發器供電的10V齊納二極管中。

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