Разработка частотомера на микроконтроллере

Введение

Данный дипломный проект демонстрирует технику измерения частоты. В проекте мы рассмотрим все основные моменты в аппаратной и программной реализации устройства.

Измерение временных параметров электрических сигналов имеет важное значение при настройке и ремонте готового электронного оборудования, контроле его состояния, а также при исследованиях, связанных с разработкой новых приборов и комплексов.

Разрабатываемый универсальный частотомер ориентирован в первую очередь на применение в области цифровой техники, где его функциональные возможности, технические характеристики и параметры являются наиболее приемлемыми.

Использование в конструкции прибора однокристального микроконтроллера позволяет за счет применения программного управления узлами значительно уменьшить его схематическую сложность, добиться улучшения функциональных возможностей, обеспечить возможность модернизации путем замены внутреннего программного обеспечения.

Частотомер может входить в состав стендов для настройки и диагностики различного электронного оборудования, использоваться в образовательных целях.

1. Схемотехническая часть

1.1 Описание работы схемы электрической принципиальной Предлагаемый частотомер собран на микроконтроллере и семи сегментных светодиодных индикаторах с общим катодом. Его разрешающая способность составляет 1 Гц, что может быть полезным при проведении точных измерений.

Схема частотомера показана на рис. 3. На входе устройства установлен компаратор DA1, который включен по типовой схеме с инвертирующим входом. Порог срабатывания компаратора можно изменять подбором резистора R4 — чем больше его сопротивление, тем выше порог.

Работа компаратора управляется сигналом на входе LATCH (на схеме LTH, вывод 5) DA1, который поступает с линии порта RA3 (вывод 5 DD1), и разрешена при низком логическом уровне на этом входе. (Рис 3)

В разработанном частотомере применен микроконтроллер PIC16F873, который имеет 28 выводов. Это позволило использовать 16 выходов для непосредственного управления сегментами и разрядами светодиодных индикаторов.

Кроме того, этот микроконтроллер имеет три таймера с предделителями. Восьмиразрядный таймер TMR0 и его восьмиразрядный предделитель вместе с двумя дополнительными регистрами используются для подсчета измеряемой частоты. Извлечение значения предделителя выполняется известным способом, заключающимся в досчитывании до нуля с одновременным подсчетом числа импульсов досчета. Таким образом, максимальная разрешающая способность счетчика составляет 32 двоичных разряда.

Таймер TMR1 имеет 16 разрядов и трехразрядный предделитель. Этот таймер используется для формирования интервалов времени 0,1 с, а два последующих регистра-делителя на 10 формируют время измерения в 1 и 10 с. При использовании кварцевых резонаторов на любую частоту достаточно сделать программную предварительную установку двух регистров таймера TMR1. При этом отпадает необходимость в точной подстройке частоты самого резонатора.

Поскольку эти два таймера могут работать одновременно без участия АЛУ микроконтроллера, появилась возможность обеспечить динамический запуск индикаторов. На время прерываний по переполнению таймеров программа прекращает индикацию. Время, за которое выполняется прерывание, незначительно, поэтому визуально не отслеживается (видно только при частотах резонатора ниже 5 МГц).

Схема частотомера приведена на рис. 3. Выходы порта В микроконтроллера используются для питания сегментов индикаторов, а выходы порта С — для управления ими. Выводы порта A RA0 и RA1 управляются кнопками SA1 и SA2 (соответственно «Время измерения» и «Пуск»). Вывод RA5 соединен непосредственно со счетным входом RA4. С выхода RA5 на счетный вход подается логический 0, закрывающий вход для прохождения счетных импульсов, и импульсы считывания.

Рис. 1 Схема расположения выводов микроконтроллера

Таблица 1. Назначение выводов микроконтроллера.

Особенности ядра микроконтроллера:

· Все инструкции исполняются за один такт, кроме инструкций перехода, выполняемых за два такта

· Скорость работы: тактовая частота до 20 МГц; минимальная длительность такта 200 нс

· FLASH память программ до 8K x 14 слов

· Память данных (ОЗУ) до 368×8 байт

· ЭСППЗУ память данных до 256×8 байт

· Механизм прерываний (до 14 внутренних/внешних источников прерываний)

· Восьмиуровневый аппаратный стек

· Прямой, косвенный и относительный режимы адресации

· Сброс при включении питания (POR)

· Таймер включения (PWRT) и таймер запуска генератора (OSC)

· Сторожевой таймер (WDT) с собственным встроенным RC-генератором для повышения надежности работы

· Программируемая защита кода

· Режим экономии энергии (SLEEP)

· Выбираемые режимы тактового генератора

· Экономичная, высокоскоростная технология КМОП FLASH/ЭСППЗУ

· Полностью статическая архитектура

· Программирование на плате через последовательный порт с использованием двух выводов

· Для программирования требуется только единственный источник питания 5В

· Отладка на плате с использованием двух выводов

· Доступ процессора на чтение/запись памяти программ

· Широкий диапазон рабочих напряжений питания: от 2,0 В до 5,5В

· Сильноточные линии ввода/вывода: 25 мА

· Коммерческий и промышленный температурные диапазоны

· Низкое потребление энергии: — < 2 мА при 5 В, 4 МГц — 20 мкА (типичное значение) при 3 В, 32 кГц — < 1 мкА (типичное значение) в режиме STANDBY

Также в схеме применен цифровой компаратор AD8611, произведенный фирмой Analog Devices. Это одноканальный компаратор с задержкой распространения 8 нс, имеющий раздельное питание входного и выходного каскадов. Благодаря раздельному питанию входной каскад может работать от биполярных напряжений питания ±5 В и однополярного напряжения питания +5 В.

Малая задержка распространения делает AD8611 хорошим выбором для схем синхронизации и приемников линий передачи. Задержки распространения по переднему и заднему фронту хорошо согласованы и имеют одинаковый характер температурной зависимости. Назначение выводов данной микросхемы приведено в таблице 2 и на рисунке 2.

Таблица 2. Назначение выводов компаратора AD8611

Рис. 2. Схема расположения выводов компаратора.

Технические характеристики компаратора:

· Время задержки распространения не более 8 нс

· Работа от двух источников +/-5 В или одного +5В

· ТТЛ/КМОП совместимый выход

· Смещение нуля не более 3 мВ

· Коэффициент усиления входного сигнала не менее 3000

· Допустимо входное дифференциальное напряжение до 8 В

· Внутренняя защелка выхода

· Дифференциальные входы и выходы

· Время установки защелки 0,5 нс

· Мощность потребления не более 40 мВт Резисторы R9-R15 токоограничивающие, от их сопротивлений зависит яркость свечения индикаторов HG1, HG2.

Входной сигнал преобразуется компаратором DA1 в прямоугольные импульсы с уровнями ТТЛ, которые поступают на вход микроконтроллера для их дальнейшего счета. Восьмиразрядные регистры предделителя, таймера TMR0 и двух счетчиков прерывания по переполнению TMRP подсчитывают эти импульсы. Измерительный интервал задает TMR1.

Информация в регистрах таймера TMR0 и счетчиков доступа для чтения, а вот содержимое высокочастотного (до 90 МГц) регистра предделителя недоступно. Поэтому для извлечения информации, хранящейся в нем, применен ставший уже классическим способ досчета импульсов до переполнения предделителя. После остановки счета значение TMR0 сохраняется в цифровом компараторе. Число поданных на вход предделителя импульсов подсчитывается, и после каждого импульса сравнивается текущее и сохраненное значения TMR0.

При изменении текущего значения TMR0 подача импульсов на предделитель прекращается. Накопительное в младшем регистре число, преобразованное в дополнительный код, и будет тем числом, которое было в предделителе.

Двоичный код на выходах четырех восьмиразрядных регистров преобразуется в двоично-десятичный, а затем в код, для управления семи сегментными индикаторами. После подачи питающего напряжения осуществляется инициализация регистров микроконтроллера. Частота переключения разрядов при динамической индикации должна быть такой, чтобы не было видно мерцания индикатора. Как известно, это частота должна быть не ниже 25 Гц.

Выбранная длительность индикации одного разряда на восьмиразрядном индикаторе составляет 3 мс, поэтому частота 41,7 Гц. При такой частоте мерцание индикатора не заметно.

Периодически микроконтроллер проверяет состояние контактов кнопки SA1. Если кнопка SА1 нажата, то состояние флага времени измерения изменяется на противоположное, при этом также изменяется положение запятой на индикаторе. Далее последовательно на индикатор выводится информация остальных разрядов. Последовательность вывода на индикацию нарушается только прерываниями.

Рис. 3 Принципиальная схема частотомера на микроконтроллере В программе использованы два прерывания: одно — по результату сравнения значений шестнадцатиразрядных регистров специального события (CCPR1H и ССPR1L) и регистров таймера TMR1 (TMR1H и TMR1L). Другое — по переполнению таймера TMR0. Регистры ССР1 и TMR1 используются для формирования временного интервала измерения частоты. Делитель на 10 для получения временного интервала 1с и ещё один делитель на 10 для получения интервала 10с реализованы на отдельных регистрах, которые заполняются при прерывании. После сохранения значений контекстных регистров проверяются флаги прерывания. Если прерывание произошло по переполнению таймера TMR0, то инкрементируется счетчик и программа выходит из прерывания.

При прерывании по результату сравнения модуля ССР1 заполняется регистр делителя на 10 и проверяется флаг времени измерения. Если установлено время измерения 10с, заполняется регистр делителя на 10. После окончания времени измерения выполняются досчет и определение содержимого предделителя. Полученные данные перекодируются в девять разрядов двоично-десятичного кода. Для экономии энергии батарей портативного прибора все незначащие нули гасятся. При выполнении операций во время прерываний работа таймеров TMR1 и TMR1 не останавливается, поэтому цикл измерений повторяется непрерывно.

1.2 Разработка и описание работы структурной схемы частотомера

На основании представленного анализа и требований технического задания составим структурную схему. Структурная схема частотомера на микроконтроллере изображена на рисунке 3.

Рис. 4 Структурная схема частотомера Со входного устройства на преобразователь импульсов поступает сигнал, который преобразуется в прямоугольный импульс. В качестве преобразователя импульсов выступает цифровой компаратор. Далее прямоугольный импульс поступает с компаратора на порт микроконтроллера для дальнейшего досчета. Микроконтроллер подсчитывает эти импульсы и заносит их в память регистров. После окончания счета информация сохраняется в цифровом компараторе. Число поданных на вход микроконтроллера импульсов подсчитывается, и после каждого импульса сравнивается текущее и сохраненное значения.

При изменении текущего значения подача импульсов на микроконтроллер прекращается. Накопленное в младшем регистре число, преобразованное в дополнительный код, и будет тем числом, которое было в микроконтроллере. Двоичный код на выходах четырех восьмиразрядных регистров преобразуется в двоично-десятичный, а затем в код, для управления устройством индикации, которым являются два четырехразрядных семисегментных индикатора.

После подачи питающего напряжения осуществляется инициализация регистров микроконтроллера.

Значение измеренной частоты появляется на устройстве индикации в виде графической информации.

частотомер микроконтроллер печатный монтаж

2. Конструкторская часть

2.1 Выбор и обоснование конструктивного исполнения Варианты конструкции частотомера ограничиваются сферой его применения. Можно выделить две основные сферы применения зарядного устройства:

а) применение частным лицом для личного пользования, б) применение юридическим лицом, в качестве измерительного прибора для контроля определенных характеристик оборудования.

Если предполагается, что потребителем данного изделия будет частное лицо, необходимо предусмотреть конструкцию в виде моноблока минимальных размеров, обладающую минимально-возможным весом и привлекательным эргономичным дизайном. Условия эксплуатации устройства, в этом случае, будут близки к эксплуатации в закрытых отапливаемых помещениях, так как замеры будут производиться, по большей части в лаборатории, где температура и влажность соответствуют лабораторным. Измерения должна производиться при температуре около 20 °C. Поэтому выберем условия эксплуатации приближённые к закрытым отапливаемым помещениям с естественной вентиляцией, следовательно, температура окружающего воздуха, относительная влажность %. Но при этом необходимо максимально снизить проникновение влаги и пыли внутрь устройства. Этого можно достичь применением закрытого корпуса без вентиляционных отверстий.

Также в устройстве предусмотрен источник питания. Целесообразно использование литиевых батарей типа CR2032, устанавливаемых в батарейный отсек BH-642, предусмотренный под установку трех элементов питания типа CR2032. В дальнейшем при компоновке элементов, в расчете надежности и на чертежах вместо элементов питания будет указываться батарейный отсек (XS2).

2.2 Технические характеристики устройства

2.2.1 Электрические характеристики Изготовляемый прибор должен иметь следующие электрические характеристики:

Напряжение питания…4.5−5 В Потребляемый ток в режиме ожидания…10мА Максимальный потребляемый ток…35мА Время измерения частоты…1 или 10 с Диапазон измеряемых частот…0.1−40МГц Чувствительность…0.1В

2.2.2 Конструктивные характеристики Изготовляемый прибор должен иметь следующие конструктивные характеристики:

Масса прибора не более…1кг Габаритные размеры прибора… 130×100×45мм

2.2.3 Эксплуатационные характеристики Рассматриваемый частотомер на микроконтроллере должен иметь следующие эксплуатационные характеристики (ГОСТ 15 150−69, ГОСТ 11 478–88):

Климатическое исполнение…"УХЛ2.1″

Диапазон рабочих температур, С…+20/-25

Влажность (при температуре 15С)…80%

Группа эксплуатации…"I"

2.3 Анализ элементной базы Анализ элементной базы частотомера проводится на основе перечня элементов к схеме электрической принципиальной ТехЭРС.ДП.РА09.15 Э3, с целью выяснения возможности автоматизации и механизации процесса производства данного прибора. Варианты установки элементов на плату осуществляются, в соответствии с ОСТ 4ГО.010.030−92, представлено 4 варианта установки элементов на плату. В некоторых вариантах имеются разновидности установки в зависимости от вида формовки выводов. Результат анализа представляем в виде таблицы 3.

Вариант 010 — тело корпуса элемента опирается на плату (рис. 5).

Рис. 5.

Вариант установки 200 — тело корпуса элемента опирается на плату (рис.6).

Рис. 6.

Вариант 211 — установка с зазором над платой (рис. 7).

Рис. 7

Вариант 330 — для многовыводных элементов (рис. 8).

Рис. 8

Таблица 3. Варианты установки элементов печатной платы

Габаритные параметры микроконтроллера показаны на рисунке 9.

Рис.9

Габаритные параметры конденсаторов показаны на рисунке 10.

Рис.10

Габаритные параметры резисторов показаны на рисунке 11.

Рис.11

Габаритные параметры компаратора показаны на рисунке 12.

Рис.12

Габаритные параметры цифровых индикаторов показаны на рисунке 13.

Рис.13

Габаритные параметры кварцевого резонатора показаны на рисунке 14.

Рис.14

Габаритные параметры дросселя показаны на рисунке 15.

Рис.15

Габаритные параметры разъема XS1 показаны на рисунке 16.

Рис.16

Габаритные параметры кнопочных переключателей показаны на рисунке 17.

Рис.17

Габаритные параметры диодов показаны на рисунке 18.

Рис.18

Габаритные параметры батарейного отсека показаны на рисунке 19.

Рис.19

Таблица 4. Анализ элементной базы

Примечание к таблице 4.

Сокращенным обозначениям соответствуют: *Н — неизолированный, *И — изолированный, *Г — герметичный, *П — прямоугольный, *Ц — цилиндрический тип корпуса; **О/Р — аксиальные/радиальные выводы; ***Ж/Гжесткие/гибки выводы; ****О/Ч/Ж — обычный/частичный/жесткий захват; *****А/Р — автоматическая/ручная установка; ******ПМ/ОМ — печатный/объемный монтаж.

В результате анализа элементной базы частотомера можно сделать вывод о возможности частичной автоматизации процесса изготовления прибора в условиях выбранного типа производства.

Т.к. устройство используется в отапливаемом помещении с нормальными климатическими условиями и отсутствием механических воздействий то необходимых дополнительных мер защиты от влаги и других климатических факторов не предусматривается. Достаточно использовать общие меры защиты.

Для подключения питания в конструкции должно быть предусмотрены: разъемы на два контакта для подключения батарейки, с надежным механическим креплением.

2.4 Расчет рабочей зоны платы На рисунках 9−19 приведены массогабаритные параметры элементов схемы, которые будут установлены на печатной плате, определяемые в соответствии с перечнем элементов и по справочным данным. Выбираем варианты установки каждого элемента на плату и заносим в таблицу 5 их массу, габаритные размеры и установочные площади.

Таблица 5. Массогабаритные показатели.

Расчёт площади рабочей зоны для высокой (S_раб.min) и низкой (S_раб.max) плотности компоновки производится по формулам

S_раб.min=2,5S_мг+1,8S_сг+1,2S_кг, (1)

S_раб.max=4,0S_мг+3,0S_сг+1,5S_кг, (2)

где S_мг — суммарная установочная площадь для малогабаритных, мм²

S_{1 раб …} — площадь рабочей зоны для часовой печатной платы, мм²

S_{2 раб …} — площадь рабочей зоны для индикаторной печатной платы, мм²

S_сг — суммарная установочная площадь для среднегабаритных, мм²

S_кг — суммарная установочная площадь для крупногабаритных элементов, мм².

S_{1 раб.min} = 2,5*712,45+ 1,8*177+1,2*4084,46=7046,5 мм²,

S_1раб.max = 4,0*712,45+ 3,0*177+1,5*4084,46=9806,6 мм²,

S_раб=110*80=8800 мм²

В результате проведения расчета рабочей зоны печатной платы было принято решение взять близкое к максимальной площади значение во избежание электромеханических недостатков платы.

2.5 Внутренняя и внешняя компоновка, и трассировка с учетом внешних воздействий Компоновка является наиболее сложной и ответственной задачей при конструировании радиоэлектронной аппаратуры. Компоновка — это размещение в пространстве или на плоскости различных элементов изделия, имеющих электрические соединения между собой в соответствии с электрической принципиальной схемой Э3, и обеспечение минимум паразитных взаимодействий, при сохранении расчетных параметров аппаратуры. Компоновка, учитывающая особенности функционирования и эксплуатации изделия, электрические взаимодействия и взаимосвязи различных элементов изделия, тепловые режимы внутри изделия, геометрические размеры и форму отдельных элементов, называется внутренней. Компоновка, учитывающая факторы, связанные с требованиями инженерной психологии и технической эстетики, а также физиологические и анатомические параметры человека-оператора, называется внешней.

При разработке частотомера задача внутренней компоновки разместить элементы схемы на печатной плате внутри корпуса. Задача внешней компоновки — эстетическое оформление внешнего вида устройства и размещение элементов, органов управления, а также элементов внешнего подключения на корпусе устройства.

Элементы схемы устройства размещаются на плате в рабочей зоне. Кроме того, необходимо предусмотреть зоны расположения электрических соединителей и зоны расположения мест механического крепления платы в корпусе.

Трассировка соединений является, как правило, заключительным этапом конструкторского проектирования РЭА и состоит в определении линий, соединяющих эквипотенциальные контакты элементов, и компонентов, составляющих проектируемое устройство.

Задача трассировки — одна из наиболее трудоемких в общей проблеме автоматизации проектирования РЭА. Это связанно с несколькими факторами, в частности с многообразием способов конструктивно-технологической реализации соединений, для каждого из которых при алгоритмическом решении задачи применяются специфические критерии оптимизации и ограничения.

Одновременная оптимизация всех соединений при трассировке за счет перебора всех вариантов в настоящее время невозможна. Поэтому разрабатывается в основном локально оптимальные метода трассировки, когда трасса оптимальна лишь на данном шаге при наличии ранее проведенных соединений.

Основная задача трассировки формулируется следующим образом: по заданной схеме соединений проложить необходимые проводники на плоскости (на плате в данном случае), чтобы реализовать заданные технические соединения с учетом заранее заданных ограничений. Основными являются ограничения на ширину проводников и минимальное расстояние между ними.

Рис. 20. Внутренняя компоновка устройства.

Рис. 21 Трассировка верхнего слоя печатной платы частотомера Рис. 22 Трассировка нижнего слоя печатной платы частотомера Рис. 23 Внешняя компоновка (крышка): 1 — цифровой индикатор; 2- кнопки SA1, SA2. Компоновка узлов частотомера в корпусе показана на рисунке 24

Рис. 24 Внешняя компоновка (корпус): 1 — крышка; 2 — площадки для установки печатной платы; 3 — основание частотомера; 4 — функциональная ячейка

2.6 Выбор и обоснование конструкторских решений Печатные платы должны помещаться в соответствующий корпус и соединяться с источником питания, панелью управления, с разъемом или другими электрическими схемами. Необходимо обеспечивать удобную установку плат и их доступность для проверки и ремонта.

В данном случае по углам печатной платы просверливаются отверстия, и плата крепится винтами (с упорными втулками) на плоской поверхности компонентной стороной вверх.

Существуют варианты с пластиковыми направляющими для плат или направляющие фрезеруют в металлических стенках. Имеются также различные ручки, монтируемые непосредственно на печатных платах, облегчающие их замену.

Можно использовать сменные модули, включающие в себя блок — каркас целиком, в которых предусмотрено место для установки источников питания, панелей управления и т. д.

Существует конструкторское решение, где электронная аппаратура размещается в настольных корпусах комплектуемых резиновыми опорами и имеющих откидную лицевую панель на петлях и в корпусах или панелях, вставляющихся в стандартную «релейную стойку». Блоки либо привинчиваются непосредственно к боковым стенкам стойки, идущим вертикально от пола, либо монтируются на шарикоподшипниках, скользящих по полозьям стойки для облегчения доступа. Модули приборов конструируются так, чтобы они могли вставляться в более крупные монтажные единицы — «субблок», «обойму» или «несущую раму» (в последнем случае подключение к источнику питания обычно осуществляется сзади через стандартный разъём). Возможны и другие виды корпусов приборов, например такие, как передвижные (в том числе по вертикали) подставки — лафеты.

Как при настольном оформлении, так и при использовании напольных стоек имеется возможность разнообразить формы корпусов. При этом можно подобрать наиболее удобные размеры фланцев и полозьев, монтажных стоек. Путём небольших изменений в механической конструкции прибора можно переделать корпус из монтируемого на стойках в настольный вариант или наоборот. Но при этом для некоторых корпусов при переделке требуются удалять внешний кожух, для других можно оставить его без изменений.

Для наглядности работы устройства, обычно на переднюю панель корпуса выводятся измерительные и показывающие приборы и т. п., а также ручки управления и часто используемые разъёмы.

Приборы, к которым не требуется частый доступ, обычно выносят на заднюю панель, как и большие разъёмы, соединительные провода, предохранители и т. п.

Наиболее важно при размещении печатных плат в корпусе, помнить о необходимости обеспечения хорошего доступа к печатной плате.

Нужно сделать так, чтобы при вставке компонентов в прибор не требовалась прикладывать больших усилий, это значит, чтобы модульные блоки вынимались без применения паяльника, для настройки и ремонта прибора, например, если плата смонтирована, горизонтально, то можно обеспечить доступ, сделав переднюю панель съёмной или откидной.

Конструируя изделие необходимо предусматривать его охлаждение.

Для приборов, работающих при умеренно низких мощностях, часто бывает достаточно простого охлаждения конвекцией. В этих случаях нужно просверлить в основании верхней крышки отверстия, учитывая расположение основных сильно нагревающихся деталей (мощных резисторов и транзисторов).

Чтобы печатную плату и другие составляющие электрических цепей поместить в корпус, лучше, чтобы корпус приближался к форме прямоугольного параллелепипеда для его хорошей устойчивости. Корпуса производятся из алюминия, сплавов, пластмасс и т. п. Корпуса могут быть выполнены в нескольких вариантах.

2.7 Разработка конструктивной схемы сборки (КСС) изделия На основании результатов анализа стандартных изделий и элементной базы рассматриваемого частотомера составляем конструкторскую схему сборки прибора с учетом структуризации его на такие иерархические уровни, как: сборочные единицы первого — третьего уровней сложности (СЕ1 — СЕ3), оригинальные детали (ОД), электрорадиоэлементы (ЭРЭ), стандартные детали (СТД), конструкционные и технологические материалы (КМ и ТМ). КСС изделия приведена на рис. 25.

На основании составления КСС прибора можно сделать вывод о возможности достаточно высокой дифференциации операций изготовления, сборки и монтажа рассматриваемого изделия внутри предприятия по цехам и отдельным рабочим местам. К тому установленная возможность автоматизации, а также простота изготовления и малое количество оригинальных изделий прибора обуславливается среднесерийный типа производства с преимущественно конвейерной сборкой. Составленная КСС дает предварительную информацию о процессе сборки изделия, необходимую для дальнейшего составления технологической схемы сборки (ТСС) и маршрутного технологического процесса (ТП) производства рассматриваемого частотомера.

Рис. 25 Конструктивная схема сборки печатного узла (КСС)

3. Технологическая часть

3.1 Разработка технологической схему сборки изделия Технологический анализ методов соединения проводим на основании частичного пакета конструкторской документации к рассматриваемому частотомеру (а в частности сборочного чертежа ТехЭРС.ДП.РА09.13 СБ) с целью дальнейшего воспроизведения процесса сборки и монтажа изделия в виде ТСС и маршрутного ТП. Результаты анализа представляем в виде таблицы 6.

Таблица 6. Технологический анализ методов соединения

Примечание к таблице 6. Сокращенным обозначениям соответствуют: *Р/ О/С/П/К — резьбовое/оплавление/клеевое/пайка/конструкционное; **Р/Н/У — разъемное/неразъемное/условно-разъемное соединение; ***М/Т — механическая/тепловая энергия.

В результате технологического анализа соединений можно сделать вывод о возможности частичной механизации процесса изготовления рассматриваемого изделия, обусловленной использованием типовых для среднесерийного производства методов соединений (резьбовое, клеевое и др.), при сборке конструктивных составляющих, что в свою очередь дает возможность использования конвейерной сборки при производстве прибора.

.

Рис. 26 Технологической схемы сборки

3.2 Составление маршрутного технологического процесса Для сокращения времени разработки технологического процесса и повышения эффективности производства будет рациональным использовать стандартные операции из ТТП отрасли и предприятия. На рисунке 26 изображена структура производимых операций согласно технологическому процессу на сборку печатной платы индикации автоматического многофункционального зарядного устройства.

Первой операцией является подготовительная, на этом этапе происходит извлечение электрорадиоэлементов (ЭРЭ) и микросхем из упаковки, внешний осмотр, исправление мелких дефектов элементов.

Защита маркировочных знаков предполагает проверку маркировочных знаков на стойкость путём погружения в ванну с растворителем. Защита заключается в покрытии одним слоем лака маркировки элементов, нестойких к растворителю.

На основании составленной ТСС частотомера можно сделать вывод о возможности производства изделия с использованием приемлемых для выбранного производства методов сборки и монтажа, возможности средней дифференциации операций, а также получения достаточно необходимой ритмичности производства. Составленная ТСС дает возможность оценки и выбора необходимых операций сборки и монтажа изделия, требуемых для составления маршрутного ТП производства рассматриваемого устройства.

3.3 Разработка технологии маршрутной сборки

3.3.1 Выбор и обоснование основных технологий Группирование изделий по конструктивным и технологическим признакам в соответствии с ГОСТ 14.301−73 является обязательным этапом, предшествующим разработке технологических процессов. ГОСТ 14.301−73 предусматривает два вида технологических процессов: единичный и типовой.

Единичный технологический процесс — строится для изделий одного наименования, типа, размера и исполнения. Он учитывает все конструктивные особенности данного изделия и поэтому позволяет создать такие условия изготовления, контроля, перемещения, которые более всего соответствуют данному конкретному изделию. Единичный процесс характерен специально изготовляемой технологической оснасткой под обрабатываемые детали и иногда специальным оборудованием.

Единичный процесс разрабатывается очень подробно. Чаще всего он используется в массовом производстве. Единичный процесс оформляется на специальных формах маршрутных карт.

Типовой технологический процесс — характеризуется единством содержания большинства технологических операций (одинаковых установок, позиций, переходов) для группы изделий с общими (одинаковыми или близкими) конструктивными признаками.

Использование заранее разработанных технологических процессов, обеспечиваемых не только типовыми документами, но и типовым оборудованием, приспособлениями, режущими, измерительными и вспомогательными инструментами, позволяет значительно повысить производительность труда, ускорить процесс освоения новых изделий и уменьшить их себестоимость. Единая система технологической подготовки производства (ЕСТПП) предусматривает технические и организационные мероприятия для быстрейшего внедрения прогрессивной организации производства путем широкого использования типовых и даже стандартизованных технологических процессов.

Типизация технологических процессов согласно ГОСТ 14.301−73 устраняет многообразие технологических процессов сведением их к ограниченному числу типов. При планировании и описании маршрутного техпроцесса изготовления рассматриваемого частотомера в качестве основы предполагается использование типовых ТП сборки и монтажа. Предполагается использование типовых технологий применительно следующих операций: групповая пайка волной, формовка выводов ЭРЭ, автоматизированная установки части ЭРЭ.

Типизация при составлении маршрутного техпроцесса обусловлена выбором и обоснованием изготовления изделия в условиях среднесерийного производства, а также необходимостью повышения качества (например, при пайке печатной платы с металлизацией отверстий) и снижению трудоемкости (автоматизация сборки печатного узла) производства.

Вследствие перечисленных технологических процессов был выбран типовой, характерный для данного устройства.

3.3.2 Планирование и организация производственного процесса При организации производственного процесса изготовления рассматриваемого частотомера необходимо учитывать следующие основные правила:

— выполнение в первую очередь операций, связанных механическим воздействием на начальных этапах производства;

— независимость операций (каждая последующая операция не должна мешать выполнению начальной, а также разрушать ее результат);

— обеспечение кратчайшего пути прохождения изделия по всем фазам и операциям и т. д.

Из существующих видов организации производственного процесса наиболее приемлемой для рассматриваемого изделия при среднесерийном производстве является параллельная сборка — одновременное выполнение частей или всего технического процесса, что приводит к сокращению производственного процесса. Предполагается использование конвейера, как транспортера для передвижения изделия внутри участков и цеха. Принимаемый же тип продвижения изделия — пульсирующий конвейер (рабочий на месте за определенное время проделывает заданный объем работ с изделием, а потом предает изделие на следующее рабочее место, где другой рабочий в это время должен закончить свой объем работ касательно ранее полученного изделия). Так как предполагается широкая дифференциация операций техпроцесса для рассматриваемого изделия, следовательно, наиболее приемлемым с точки зрения экономической стороны организации работ, будет использование одного рабочего места на выполнение одной операции.

3.3.3 Разработка маршрутного ТП

На основании рассмотрения и выбора основных технологий, организации и планирования производства, а также КСС и ТСС, составляем маршрутный технологический процесс изготовления рассматриваемого частотомера. Составление производим, согласно норм, используемых при составлении технологических процессов производства РЭА.

Составленный техпроцесс полностью показывает порядок сборки изделия, с учетом разбиения на отдельные участки и цеха. Также он отображает направление и порядок движения компонентов сборки от начальной операции до заключительной. Маршрутный техпроцесс позволяет наглядно представить и оценить движение по сборочному участку ЭРЭ, деталей, сборочных единиц и материалов.

3.4 Выбор технологического оборудования

Выбор оборудования, оснастки и инструмента, используемого при производстве рассматриваемого частотомера, будем осуществлять на основании следующих требований, как высокая продуктивность, заданная точность, а также стабильность и оптимальная стоимость выполнения операций.

Все это в свою очередь должно быть отражено в правильном обосновании выбора типов оборудования в соответствии с эксплуатационно-стоимостными характеристиками, а также условием достаточно высокой стандартизации. В соответствии с этим производим выбор таких основных видов оборудования, оснастки и инструмента, представленных в таблице 6.

1) Оборудование — Пневматическая машина для обрезки и формовки радиальных компонентов из россыпи (TP/TS1), автомат для пайки волной (TOLO CT-3000N), Автомат лужения ЭРЭ (IGP-480), паяльник U=36 В, P=90 Вт ГТО.8.38−1012;

2) Приспособления и оснастка — приспособление для формовки выводов ГГ-1944;4003, приспособление для зачистки и подготовки проводов SQL 4902, тара для флюса, тара для припоя, тара для ЭРЭ, накопители, каретка;

3) Инструмент — электромеханическая отвертка, острогубцы ОТ125 ОСТ 4ГО.060.013, двусторонний гаечный ключ плоский с размером зева 4×5, угловой пинцет-захват ПЗУ 120 ОСТ 4ГО.60 017, отвертка ПМ2*50 ТУ 206 М.19−83, Кисточка беличья № 2.

Все выбранное оборудование, оснастка и инструмент являются типовыми и широко используются при производстве РЭА. Приведем некоторые эксплуатационно-технические характеристики оборудования в виде таблицы:

Таблица 7. Характеристики технологического оборудования

Таким образом, можно сделать вывод о том, что все выбранное оборудование, инструмент и оснастка является более предпочтительным, перед другими типами оборудования, т.к. соответствует всем предъявленным выше требованиям, и дает возможность его использования применительно разработанного маршрутного ТП изготовления изделия. Максимальная длина компонента, 50,3 мм

3.4 Проектирование операций технологического процесса Проектирование операции для рассматриваемого частотомера производим на основании составления маршрутного техпроцесса производства. Проектирование операций включает в себя:

— составление чертежей операционных эскизов для монтажно-сборочных операций;

— описание содержания заданных операций в виде перечня переходов в определенной последовательности;

— составление комплектовочных карт для заданных операций;

— выбор параметров режимов работы технологического оборудования;

— выбор приспособлений, технологического оснащения и инструментов;

— технологическое нормирование;

— задание на разработку специальной оснастки (при необходимости).

Согласно ГОСТ 3.1118−82 описания операций заносятся в операционную карту.

Таким образом, в ходе проектирования операций технологического процесса были разработан частичный комплект технологической документации: операционные карты для всех операций ТП с попереходной расшифровкой заданных операций, составлены операционные эскизы и комплектовочные карты для заданных операций. Вся технологическая документация была оформлена на бланках в соответствии с ГОСТ 3.1105−84, и будет подшита к пояснительной записке к дипломному проекту.

4. Расчетная часть

4.1 Электрический расчет нагрузочных резисторов Чтобы исключить влияние одного выхода микросхемы DD1 на другой, в результате изменения режима работы и электромагнитных наводок между печатными проводниками, соединяем выходы DD1 с входами HG1 и HG2, нагружаем выходы B0-B7 возможным током для данной микросхемы, подключая R8-R15 по общей шине к соответствующим выходам.

(3)

Выбираем стандартное значение сопротивления резистора, равное 130 Ом.

Рассчитаем мощность:

(4)

Рис. 27 Схема для расчета нагрузочных резисторов

Выбираем из ряда мощностей 0.125Вт Выбираем резистор марки С2−23−0.125−130 Ом +|-1%

4.2 Конструктивно-технологический расчёт печатного монтажа Выбор метода изготовления и класса точности печатной платы частотомера

Выбор осуществляется по рекомендациям ОСТ 4.010.022−85 исходя из технологических возможностей производства и требований, предъявляемых и разрабатываемому изделию.

Печатные платы делятся: на односторонние (ОПП), изготавливаемые химическим методом без металлизации монтажных отверстий, двусторонние (ДПП), изготавливаемые комбинированным позитивным методом без металлизации или с металлизацией монтажных и переходных отверстий, и многослойные (МПП). ОПП характеризуются: возможностью обеспечить повышенную точность выполнения проводящего рисунка; отсутствием металлизированных отверстий; установкой навесных изделий на поверхность платы со стороны, противоположной стороне пайки, без дополнительного изоляционного покрытия; низкой стоимостью. ДПП с металлизированными монтажными и переходными отверстиями характеризуются: возможностью обеспечить повышенную точность выполнения проводящего рисунка; широкими коммутационными возможностями; повышенной прочностью сцепления выводов навесных изделий с проводящим рисунком платы; относительно высокой стоимостью.

По точности выполнения элементов проводящего рисунка печатные платы делятся на четыре класса. Платы первого и второго классов наиболее просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость. Платы третьего и четвертого классов требуют использования высококачественных материалов, инструмента и оборудования, а в отдельных случаях и особых условий при изготовлении; имеют ограничения на максимальные габаритные размеры.

Для изготовления платы частотомера на микроконтроллере используется комбинированный позитивный метод с металлизацией отверстий, выбрана ДПП и третий класс точности выполнения проводящего рисунка. Выбор оправдан, так как невозможно использование ОПП в условиях плотного монтажа, а первый и второй классы точности не позволяют провести рациональной трассировки печатных проводников. Выбор МПП и четвёртого класса точности экономически не выгоден, так как существенно увеличивается стоимость и сложность изготовления изделия, при сохранении прежних технических характеристик и параметров.

Ограничения для данного метода изготовления двухсторонней печатной платы и третьего класса точности приведены в таблице 8.

Определение минимальной ширины печатных проводников платы частотомера на микроконтроллере.

Для производства платы применяется стеклотекстолит фольгированный, двусторонний толщиной 1.5мм, с толщиной фольги 18мкм.

Таблица 8

Определяем минимальную ширину, мм, печатного проводника по постоянному току для цепей питания и тин заземления по формуле

(5)

где — максимальный постоянный ток в проводниках, А (задаётся в ТЗ, либо определяется из конструктивного анализа работы принципиальной схемы изделия);

— допустимая плотность тока, (выбирается в зависимости от метода изготовления печатной платы);

— толщина печатного проводника (толщина фольги печатной платы), мм.

Определяем минимальную ширину, мм, печатного проводника, исходя из допустимого падения напряжения на нем, по формуле

(6)

где — удельное сопротивление, ;

— длина печатного проводника, м;

— допустимое падение напряжения, В, определяемое из анализа работы электрической схемы (не должно превышать 5% от питающего напряжения и быть не более запаса помехоустойчивости).

Минимальная ширина печатных проводников, мм для ДПП, изготовленных комбинированным позитивным методом, определяется по формуле

(7)

где — минимальное значение номинальной ширины проводника, мм;

Увеличение на 0,03 мм — для фотохимического способа получения рисунка, на 0,08 мм — для сеточно-графического.

Подставляем значения в формулу (7) и получаем значение, мм.

.

Максимальная ширина печатного проводника, мм, определяется по формуле

. (8)

Подставив данные в формулу (8) получаем значение, мм

.

Выбираем ширину печатных проводников, мм в сигнальных цепях из условия:, , в цепях питания и шинах заземления из условия:, , .

Проверяем проводники с выбранной шириной на допустимый ток при выбранной толщине фольги и методе изготовления платы. Ширина проводника выбрана верно, если выполняется условие: (задаётся при расчете) (берётся из справочника.

При выбранной толщине фольги, ширине проводника и методе изготовления мм, А, максимальный ток в цепях А; мм, А, максимальный ток в цепях А, следовательно, условие выполняется.

Определение диаметров монтажных отверстий платы частотомера Определяем номинальное значение диаметров d, мм монтажных отверстий по формуле

(9)

где — максимальный диаметр вывода элемента, устанавливаемого на плату, мм;

— нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия, мм;

— разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода элемента, мм (выбирают по рекомендациям ОСТ 4.070.010−78 «Платы печатные под автоматическую установку элементов. Конструкция и основные размеры» в пределах 0,1…0,4 мм).

.

Рассчитанное значение d округляем до ближайшего большего значения из ряда: 0,7; 0.8; 0,9; 1,0; 1.1; 1,2; 1.3; 1.4; 1,5… (значения ниже 0,7 выбирать не рекомендуется, так как при этом потребуется использовать более современные средства производства, как следствие, увеличение стоимости изготовления изделия).

Выбираем значения мм и мм.

Проверяем наименьшее значение диаметра монтажного отверстия на соответствие конструктивному ограничению

(10)

где — минимальный диаметр переходного отверстия, мм, Н — толщина печатной платы, мм;

— конструктивное ограничение, связанное с рассеивающей способностью электролитов, используемых при гальванической металлизации монтажных и переходных отверстий.

.

Проведённые расчёты подтвердили соответствие наименьшего значения диаметра монтажного отверстия конструктивному ограничению.

Определение диаметров контактных площадок платы частотомера Контактная площадка отверстия в печатной плате обеспечивает пайку выводов навесных элементов и надежный электрический контакт между цепями, расположенными на разных сторонах платы. Из-за особенностей процесса травления фольги боковое подтравливание будет уменьшать действительные размеры печатного рисунка и частично разрушать агдезионный слой между диэлектриком и фольгой, что может привести к отслаиванию тонких элементов печатного рисунка. Поэтому диаметр контактной площадки должен превышать минимальный диаметр, мм, который зависит от метода изготовления печатной платы.

Минимальный диаметр контактной площадки для ДПП, изготовленных комбинированным позитивным методом, определяется по формуле

(11)

где — минимальный эффективный диаметр контактной площадки, мм.

Минимальный эффективный диаметр, мм, контактной площадки, определяется по формуле

(12)

где — расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки,

— допуски на расположение отверстий и контактных площадок,

— максимальный диаметр просверленного отверстия, мм, определяется по формуле

(13)

где — допуск на отверстие (верхнее отклонение).

.

.,

.Максимальный диаметр контактной площадки, мм, определяется по формуле

. (14)

В соответствии с приведёнными расчётами выбираем значения диаметров контактных площадок из стандартного ряда: мм.

Определение минимальных расстояний между элементами проводящего рисунка Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой, мм определяется по формуле

(15)

где — допуск на расположение проводников, мм;

— расстояние между центрами элементов рисунка на чертеже, мм.

.

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками, мм, определяется по формуле

. (16)

;

Минимальное расстояние между двумя проводниками определяется по формуле

. (17)

.

Минимальные расстояния между центрами двух контактных площадок при прокладке между ними N печатных проводников, мм, определяется по формуле

. (18)

.

Так как компоновка и трассировка была выполнена по координатной сетке, следовательно, значение необходимо выбирать кратным 1,25 мм. Исходя из приведённых выше ограничений, при прокладке одного проводника, между двумя контактными площадками (без занижения последних), следует принять значение = 3,75 мм.

Минимальные расстояния центра отверстия от края платы для прокладки N печатных проводников между контактной площадкой отверстия и краем платы, мм, определяется по формуле

(19)

где — минимальное расстояние от края платы до печатного проводника (для печатной платы толщиной менее 1 мм расстояние > 1 мм, для печатной платы с толщиной более 1 мм расстояние должно быть более толщины платы).,