电子信息工程专业毕业论文--绝对式光栅尺

电子信息工程专业毕业论文--绝对式光栅尺内容摘要：

分电路可以和其他细分电路配合组成十的倍数的放大倍数 ，是一种很受欢迎的专用集成电路。 硬件五细分，通过对正弦信号移向并组合，从而实现细分。 首先介绍一下电阻链移向原理：根据戴维南的等值发电机原理，图中 图 38 电阻链移向原理 2 1 2 1 2 22 1 2 1 2 1 2 1 2 21 1 2 2 2 1 2 1[ ( ) /( ) ][ ( ) /( ) ] [ ( ) /( ) ][ /( ) ] [ /( ) ]abU E E E R R RE R R R R E E R R RR R R E R R R E            UabE 1R 1 R 2E 2 12 令： 221 2 1 2( ) /K R R R R   则：1 1 2 2 2 1 2 11 { [ ( )] [ ( )] }abU K R R R E K R R R EK    令： 2 sinE  1 cosE 221 1 2 cosR R R t 222 1 2 sinR R R t 则： 221 2 1 2221 2 1 2( ) ( si n c os si n c os )( ) si n( )abU R R R R t tR R R R t            所以当选不同的 1R 和 2R 值 时，可获得不同的相移角 t，从而使得正弦信号得到移相的目的。 此后，经过电路的整合达到细分的目的。 实际生产中往往采用集成电路，电路内部框图如图 39，输入端有 sin ， cos ， sin,比较电平和绝对零点五路输入信号，输出 O1,O2 ,O。 首先， sin 和 cos 信号经过电阻链 1形 成 sin ， sin( 18 ) ， sin( 36 ) ， sin( 54 ) ， sin( 72 ) 五路信号，同理由 cos 和sin产生  sin 90 ， sin( 108 ) ， sin( 126 ) ， sin( 144 ) ， sin( 162 )。 经过过零比较器产生十路方波信号，再经过如图组合的异或电路形成两路相差 90 度 的五细分方波信号。 以上就是五细分电路的基本原理。 至此，电路设计完毕。 13 图 39 五细分电路 O001803605407209001080126014401620003607201080144016201260900540180sinco s sin比较电平绝对零输入O2O1电 阻 链 14 第 4 章 光栅尺版图制作 版图制作概况 光栅传感器 的设计，在基础电路设计完成后，需要实现硬件的产品。 而在这之前，还需要光栅传感器的版图制作。 他作为向硬件过渡的关键，是基于电路设计的基础，绘制电路版图，利用软件功能，实现硬件电路板的设计。 根据软件功能，布线布局安排好后，可由厂家直接生产电路板，实现硬件的设计。 本次设计采用 Protel 99 软件完成对电路版图的设计和制作。 在设计制作中，耗用了大量的时间在布局设计上面，是本次设计最为耗时的环节。 版图制作设计 Protel 99是应用最广泛的电子线路设计软件，使用简单、易于学习、功能强大。 此次设计使用该 软件实现电路版图的制作，绘制。 为硬件设计实现提供指导。 由于电路设计的完成，按照原理图，首先构建电路图，在软件环境中把前面提到的电路设计思想用电路图的形式画出来，同时注意器件的选择，摆放的结构，各部分细节，都要完整，不可缺失。 软件环境介绍 本设计的版图绘制环境是在 Protel 99 下完成的。 Protel是 PORTEL 公司在 80 年代末推出的 EDA 软件，在电子行业的 CAD 软件中，它当之无愧地排在众多 EDA 软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高。 完整的板级全 方位电子设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有 Client/Server （客户 /服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如 ORCAD，PSPICE， EXCEL 等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度 PCB 的 100％布通率。 电路图的绘制 启动 Protel 99 软件，新建 sch 文件，根据前面设计的电路，调用合适的元件，开始绘制电路图。 同电路 设计类似，电路图的设计同样各部分都要一一对应。 各部分功能都相应实现，电路图的设计，功能调试，完成后，进行检测。 15 电路图的完成如下： 图 41 光栅尺电路图 电子版图布线设计 在完成电路图后，要对电路进行版图设计，这一处更加费时费力，把对应的器件，电阻，模块选取出来，放到模板上，首先确定模板范围，然后各器件和模块的摆放，位置的不一样，让布线的难易不一样，在这一点上，经过多次的实验，不断地改良中，层板改为2 层，上下层，模板大小更加紧凑，精细。 下面将对版图各部分进行图片示意，在版图设计中，布局尤为关 键，但是还有一个不可忽视的问题存在，可实现性。 不是所有版图最精细，最简省就是好的，可采用的，工艺上有些是达不到的，所以在设计中还要考虑到可实现性的问题，在这一方面，我缺乏经验，却得到指导老师的指导，对于一些理论存在，但无法实现的部分作了修改和调整，最后，将各部分图片展示如下： 电路上层的完成版图： 16 图 42 上层版图 电路下层的完成版图： 图 43 下层版图 电路器件模块布局图： 图 44 布局图 版图底层反面图： 17 图 45 底面图 最终完成的版图设计如下： 图 46 完成图 版图的设计中，软件提供 了自动布线，但是实际存在是否可以实现的问题，所以在版图的设计中我经过了多次的布线，设计，重新布局，甚至电路都改了很多次，相应的版图也要重新设计，这是这次设计中最为困难的一部分，直到最后的认定可行，经过了大量的工作和实验。 在这过程中的辛苦和汗水换来了最后版图设计的成功。 清单如表 41 表 41 元件清单 封装 元件值 数量 0805 300 7 0805 2K 5 0805 43K 8 0805 100K 3 0805 220uH 1 1005 3300P 1 PAD1 0 测点 1 PAD1 测点 1 PAD1 5V 1 PAD1 90 测点 1 PAD1 180 测点 1 PAD1 GND 1 SIP3 1K 2 18 SIP3 20K 1 SIP4 20K 1 SIP5 5K 1 SIP5 CON5 1 SIP7 CON7 1 SO16 26LS31 1 SOL20 PDC9204 1 SOT23 TL431 1 主要技术性能指标 表 42 性能指标 量程（ mm） 0~1100 准确度（ μ m/m） 177。 3（ 20177。 ℃） 测量分辨率（ μ m） m 光栅工作间隙 ~ 测量重复性 1 个分辨率 玻璃尺厚度 玻璃尺宽度 12mm 工作电压 177。 5V 工作速度 60M/min 输出信号 A， B 俩路正弦信号 五细分适配器 输入波形：相差 90 度俩路正弦信号 输出波形：相差 90 的俩路 TTL 方波信号 电缆最长 — 5M 外形尺寸（长 *宽 *高） 40mm*16mm*24mm 工作温度 10~+50℃ 19 第 5 章 光栅尺的制造与安装 光栅尺的制造 电子信息技术 是当今新技术革命的核心 ,其技术基础是电子元器件 (以下简称元器件 ) ， 其中大部分是微电子器件。 元器件是电子设备和系统的基本单元 ,为了提高系统的可靠性 ,必须首先保证元器件的可靠性 ,但是即使高可靠性的元器件 ， 在最好的生产工艺和生产控制下 ， 仍然不可避免地会产生一些有缺陷、质量不符合要求的产品。 所以在装机前对元器件进行测试筛选就显得尤其重要。 元器件筛选的目的和作用 筛选是通过检验和试验剔除不合格或有可能早期失效产品的方法。 检验包括在规定环境条件下的目视检查、功能测量等 ， 某些功能测试是在强应力下进行的。 电 子元器件筛选分为一次筛选和二次筛选。 一次筛选也称成品筛选 , 是由元器件生产厂按元器件技术标准和订货合同要求进行的出厂前筛选。 二次筛选是元器件用户在元器件到货后进行的筛选。 筛选的目的是有效地剔除早期失效产品 ， 使失效率降低到可接受的水平。 元器件筛选是提高电子元器件使用可靠性的重要手段 ， 因而也是提高电子产品固有可靠性的有效手段。 元器件经过筛选可以发现并剔除在制造、工艺、材料方面的缺陷和隐患。 元器件筛选对于空空导弹这样在飞行任务期间没有可能维修、可靠性指标要求又很高的产品尤其重要。 元器件筛选的原理 元器件是整机的基础 ,它在制造过程中可能会由于本身固有的缺陷或制造工艺的控制不当 ， 在使用中形成与时间或应力有关的失效。 为了保证整批元器件的可靠性 ， 满足整机要求 ， 必须把使用条件下可能出现初期失效的元器件剔除。 元器件的失效率随时间变化的过程可以用类似“浴盆曲线”的失效率曲线来描述 ,早期失效率随时间的增加而迅速下降 ， 使用寿命期 (或称偶然失效期 )内失效率基本不变。 筛选的过程就是促使元器件提前进入失效率基本保持常数的使用寿命期 ,同时在此期间剔除失效的元器件。 事物的好与坏的判别必须要有标准去衡量。 判断元器件的失效与否 是由失效判别标准即 失效判据所确定的。 失效判据是质量和可靠性的指标 ， 有时也有成本的内涵 ， 所以元器件失效不仅指功能的完全丧失 ， 而且指电学特性或物理参数降低到不能满足规定的要求。 简而言之 ， 产品失去规定的功能称为失效。 失效一般分为现场失效和试验失效。 现场失效一般是在装机以后出现的失效 ， 因此 ， 20 我们在元器件测试筛选过程中只考虑试验失效。 试验失效主要是封装失效和电性能失效。 封装失效主要依靠环境应力筛选来检测。 所谓环境应力筛选 ， 即在筛选时选择若干典型的环境因素 ， 施加于产品的硬件上 ， 使各种潜在的缺陷加速为早期故障 ,然后加以 排除 ,使产品可靠性接近设计的固有可靠性水平 ， 而不使产品受到疲劳损伤。 在正常情况下是通过在检测时施加一段时间的环境应力后 ， 对外观的检查 (主要是镜检 ， 根据元器件的质量要求 ，采用放大 10 倍对元器件外观进行检测 ， 也可以根据需要安排红外线及 X 射线检查 ) ， 以及气密性筛选来完成 ， 当有特殊需要时 ， 可以增加一些 DPA (破坏性物理分析 )等特殊测试 ； 这些筛选项目对电性能失效模式不会产生触发效果。 所以 ,一般将封装失效的筛选放在前面 ,电性能失效的筛选放在后面。 电性能失效可以分为连结性失效、功能性失效和电参数失效。 连结性失效指开 路、短路以及电阻值大小的变化，这类失效在元器件失效中占有较大的比例。 因为在元器件筛选测试过程中，由于过电应力所引起的大多为连结性失效，同时 ,连结性失效可以引发功能性失效和电参数失效，但是功能性失效和电参数失效不会引发连结性失效。 主要原因是，当连结性失效模式被特定的筛选条件触发时，往往出现的现象为元器件封装涂覆发生锈蚀、外壳断裂、引线熔断、脱落或者与其他引线短路，主要表现为机械和热应力损伤 ,但是有时并不表现为连结性故障，而是反映为金属疲劳、键合强度不够等问题，这些本身不会引发连结性失效，但是会引发功能性失效和 电参数失效，需要通过功能性和电参数监测才能发现。 但是，电路的功能性失效和电参数失效被特定的的筛选条件触发时，出现的现象是某些特定的功能失效、电参数超差等。 造成这些失效的主要原因在于：制造、设计中的缺陷以及生产工艺控制不严，使生产过程中各种生产要素如空气洁净度等级、超纯水的质量监测、超纯气体和化学试剂达不到规定的要求；在运输转运过程中由于防静电措施不到位也会发生静电损伤。 这些因素作用下半导体晶体会受到各种表面污染物的玷污 ,会使产品不能达到规定的质量等级要求。 当受到特定的外部条件激发的情况下，就会产生功能性失效 和电参数失效，但是这些功能性失效和电参数失效造成的影响往往只能造成元器件部分的功能失去作用，还不能使芯片的封装和各部分的连结线出现烧毁、短路、开路等现象 ,所以电路的功能性失效和电参数失效与连结性失效不产。