Микрофонный усилитель

Министерство образования и науки РФ ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Институт высокоточных систем им. В. П. Грязева КАФЕДРА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Микрофонный усилитель ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС Выполнил студент гр.130 611 ____________ Лагутин В.Н.

Проверил к.т.н., доц. каф. РЭ___________Овчинников А.В.

Тула 2014

СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ АННОТАЦИЯ ВЕДЕНИЕ

АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ ВЫБОР РАЗРАБАТЫВАЕМОГО ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА НАЛАЖИВАНИЕ РАЗРАБАТЫВАЕМОГО УСТРОЙСТВА

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВА ВЫБОР КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ РАЗРАБАТЫВАЕМОГО УСТРОЙСТВА ВЫБОР ТИПОВ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ И КОНСТРУКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

РАСЧЕТ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИИ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

I. СОЗДАНИЕ БИБЛИОТЕКИ КОМПОНЕНТОВ

II. СОЗДАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ В САПР P-CAD

III. РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗРАБАТАТЫВАЕМОГО УСТРОЙСТВА ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

АННОТАЦИЯ В данном курсовом проекте разрабатывается микрофонный усилитель Курсовая работа состоит из текстовой, графической частей и приложений. Текстовая часть содержит описание РЭС, пояснение схемы усилителя. Графическая часть: электрическая принципиальная схема устройства (лист А2), чертеж печатной платы (лист А2), сборочный чертеж печатной платы (лист А2), эскиз корпуса устройства (лист А3), структурная схема (лист А3). Приложения: перечень элементов электрической принципиальной схемы, спецификация сборочного чертежа прибора.

ВВЕДЕНИЕ

Важным фактором, определяющим темпы научно-технического прогресса в современном обществе, являются радиоэлектронные средства (РЭС). Ускорение научно-технического прогресса требует сокращения сроков разработки РЭС и внедрения их в производство и эксплуатацию.

Создание изделий РЭА начинается с разработки конструкторской документации. Для ускорения проектирования и изготовления РЭА и повышения его качества конструктор должен максимально использовать стандартные и разработанные ранее устройства, узлы и детали, а также стремиться сокращать номенклатуру материалов и обеспечивать технологичность конструкции. Вместе с этими ускорение создания РЭС можно осуществить при широком использовании средств автоматизированного конструкторского проектирования и гибких производственных систем. Это требует от современного конструктора и технолога всестороннего овладения электронной вычислительной техникой.

Еще одним важным требованием является тем, что конструкторская документация должна выполняться с учётом требований соответствующих стандартов (например ЕСКД).

В данной пояснительной записке, все эти требования, но мере возможности, учитываются, благодаря чему проектируемое изделие соответствует аналогичным разработкам в данном направлении.

АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ Данный курсовой проект состоит из:

1.пояснительной записки, включающей все основные пункты, описывающие разработку и расчёт конструкции прибора:

— разработка схемы электрической принципиальной;

— определение параметров печатной платы;

— разработка печатной платы с использованием САПР P-cad 2006;

2.приложения к пояснительной записке, содержащие перечень элементов и спецификацию.

3.следующие чертежи:

— чертёж схемы электрической принципиальной;

— чертёж печатной платы;

— сборочный чертёж изделия;

— эскиз корпуса устройства;

— структурная схема.

Проектируемое устройство используется совместно с микрофоном на основе электретного капсюля DH6050A для измерений АЧХ и ФЧХ динамических головок и акустических систем. Усилитель подключается к линейному входу звуковой карты компьютера и может использоваться для домашней звукозаписи.

Чтобы разрабатываемый прибор работал исправно, должны учитываться следующие пункты:

- устройство должно быть легким;

- устройство должно работать в условиях -10 до +30 градусов по Цельсию;

— работать при влажности 60−70%

— иметь качественные элементы сборки;

— иметь минимальный размер;

— устройство должно быть переносным;

— устройство должно иметь корпус, защищающий от механический воздействий;

— в устройстве должны использоваться батарейки пальчикового типа хорошей фирмы-производителя, которая будет обеспечивать в свою очередь долговременную работу устройства;

— иметь невысокую цену на рынке товаров;

Исходя из этих требований, можно определить основные требования к конструкции изделия: корпус устройства должен заключаться в простой сборке, структура корпуса должна быть ударопрочной, иметь небольшие габариты, малую массу (по возможности), одновременно отличаться качественной работой и относительно низкой стоимостью изготовления.

Электрическая часть изделия должна состоять из широко распространённых радиоэлементов, что значительно облегчит ремонт при выходе устройства из строя.

Выполнение вышеперечисленных условий существенно повысит возможности реализации изделия за счёт предоставляемым им потребительских удобств и безопасности, а также низкой (относительно) розничной стоимости, что выгодно будет его выделять среди других подобных разработок.

ВЫБОР РАЗРАБАТЫВАЕМОГО ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА

Я утвердил у преподавателя устройство микрофонный усилитель:

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема микрофонного усилителя

Общее описание

За основу взята схема Эрика Уоллина. В качестве стабильного источника опорного напряжения (ИОН) для электретного микрофона использован прецизионный источник напряжения LM385 на 2,5 вольта. Он обладает высокой стабильностью выходного напряжения при изменении окружающих условий (изменение напряжения питания, температуры, влажности) и не дает помех как, например, стабилитрон. Большинство конденсаторных микрофонов (например, WM60 и MCE2000) имеют рабочее напряжение от 1,5 до 10 В, с номинальным значением в диапазоне Uмик=2ч4 В. При этом их максимальный потребляемый ток равен 0,5 мА. Поскольку усилитель должен быть работоспособным при снижении напряжения до 5ч6 В (разряд батареи),

то с учетом падения напряжения на выходных транзисторах ОУ (DA1.1) и сопротивлениях R4, R5 было выбрано Uмик=2 В.

В цепи обратной связи самого усилителя (DA1.2) установлен переменный резистор. С помощью него можно изменять коэффициент усиления от 2 до 20 раз. Резистор R11 корректирует верхний предел усиления. Конденсатор C10 совместно с параллельными ему резисторами образует ФВЧ, препятствующий самовозбуждению ОУ и ограничивающий полосу пропускания усилителя. С номиналами, приведенными на схеме, полоса пропускания по уровню -3dB: 1Гц — 115кГц; по уровню -0,5dB: 5Гц — 50кГц.

Усилитель с подключенным к нему микрофоном потребляет ток равный 5,95 мА (Uбат=9 В). При разряде батарее до 4,3 В напряжение на микрофоне начинает снижаться. Если применить так называемый Rail-to-Rail операционный усилитель (например, AD823), то батарею можно использовать при снижении ее напряжения до 3,4…3,5 В.

В случае недоступности LM385 и ее аналогов в качестве ИОН можно использовать несколько p-n переходов :

Рис. ИОН с p-n переходами.

У разных диодов прямое напряжение Uпр на переходе имеет среднее значение 0,55ч0,65 В и незначительно зависит от протекающего прямого тока, что и является главным требованием ИОН. Если учесть, что каждый диод имеет Uпр=0,6 В, то напряжение ИОН, состоящего из трех p-n переходов, будет равно 1,8 В. в этой конструкции желательно использовать так называемые Rail-to-Rail операционные усилители, чтобы размах неискаженного выходного напряжения усилителя был максимально возможным — приближался к напряжению питания. Таким образом, батарею питания можно будет использовать дольше — при ее разряде до 3,3ч3,5 В.

Налаживание

Поскольку разные микрофонные капсюли потребляют разный ток (у моего DH6050A он равен 0,235 мА), то падение напряжения на сопротивлениях R4, R5 будет также разным. Значит и на микрофоне напряжение может отличаться от 2 В и быть равно 0,9.2,2 В (в зависимости от тока, потребляемого капсюлем). Если оно больше 2 В, то это нормально, а вот если оно ниже 1,5 В, то капсюль не будет нормально работать. Поэтому налаживание усилителя сводится в подборе номинала резистора R1 (R2 в схеме с ИОН на диодах) так чтобы напряжение на микрофоне было равным 2,0.2,2 В.

Структурная схема

Рис. 2. Структурная схема микрофонного усилителя

ВЫБОР КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ РАЗРАБАТЫВАЕМОГО УСТРОЙСТВА Конструктивное выполнение разрабатываемого устройства должно быть простое и иметь маленький размер.

Типа устройство выполняется в виде пластикового корпуса черного цвета, так как предназначено для портативного использования и должно быть компактным и переносным.

Кнопка включения и выключения должна быть расположены с одной стороны корпуса, как и регулировка усиления.

Структура корпуса должна иметь качественный крепкий пластик, небольшие габариты.

микрофонный усилитель печатный плата

ВЫБОР ТИПОВ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ И КОНСТРУКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1. Выбор типов элементов

Из сказанных технических заданий, применяем следующие компоненты:

- поляризованный конденсатор 220 мкФ: 1шт

- конденсатор постоянной емкости 0,1мкФ: 3 шт

— поляризованный конденсатор 100мкФ: 2шт

— конденсатор постоянной емкости 4.7мкФ: 2шт

— поляризованный конденсатор 47мкФ: 1 шт

— конденсатор постоянной емкости 100 пФ: 1 шт

- поляризованный конденсатор 10мкФ: 2шт

— конденсатор постоянной емкости 560пФ: 1шт

— конденсатор постоянной емкости 25пФ: 1шт

— конденсатор постоянной емкости 0,22мкФ: 1шт

- резистор постоянный 7,5 кОм: 1шт.

— резистор постоянный 33 кОм: 2шт.

— резистор постоянный 15 кОм: 1шт.

— резистор постоянный 1 кОм: 1шт.

- резистор постоянный 3,3 кОм: 1шт.

— резистор постоянный 2,4 кОм: 2шт.

— резистор постоянный 82кОм: 1шт.

- резистор постоянный 100 кОм: 3шт.

— резистор постоянный 100 Ом: 1 шт.

— переменный резистор 100 Ом: 1шт.

— диод LM385: 1 шт.

- кнопка — PSW-2 с фиксацией: 1 шт.

- микросхема LM833: 1 шт.

— гнездо для батареи типа «Крона» GB1 9В: 1 шт.

— гнездо RCA: 2 шт.

Выбрали гнездо RCA, c ободом 8 мм и входом 3,3 мм потому, что разъёмы для них распространённые на рынке товаров.

Поскольку разные микрофонные капсюли потребляют разный ток

(в данном случае DH6050A он равен 0,235 мА), то падение напряжения на сопротивлениях R4, R5 будет также разным. Значит и на микрофоне напряжение может отличаться от 2 В и быть равно 0,9.2,2 В (в зависимости от тока, потребляемого капсюлем). Если оно больше 2 В, то это норма, а вот если оно ниже 1,5 В, то капсюль не будет нормально работать. Поэтому налаживание усилителя сводится в подборе номинала резистора R1 так чтобы напряжение на микрофоне было равным 2,0.2,2 В.

Резисторы — мощностью 0,125 Вт. Все неполярные конденсаторы керамические. С3, С9,С10 — типа NPO. С5, С6,С7,С12 — стабильные типа X7R, остальные могут быть общего назначения. Электролитические конденсаторы (Samhwa, Samsung, Jamicon) на напряжение 10ч16 В. В цепи обратной связи используется переменный резистор фирмы SONG HUEI ELECTRIC R-0904N группы, А — для логарифмической регулировки усиления и группы B для линейной. Кнопка — PSW-2 с фиксацией. LM385−2.5 фирмы National Semiconductor в корпусе ТО-92, также можно использовать LM4040−2.5.

Вообще, в этой конструкции желательно использовать так называемые Rail-to-Rail операционные усилители, чтобы размах неискаженного выходного напряжения усилителя был максимально возможным — приближался к напряжению питания.

2. Выбор материала печатной платы

Печатная плата (ПП) представляет собой изоляционную пластину, играющую роль механического каркаса ПП, на одну или обе поверхности которой нанесён токопроводящий рисунок (как правило медная фольга), сформированный проводниками, соединяющими электрорадиоэлементы (ЭРЭ) в соответствии с электрической схемой. ЭРЭ крепятся на печатную плату либо запайкой ножек деталей в специальные отверстия в ПП, обеспечивая механический крепёж ЭРЭ (dip-монтаж), либо поверхностным монтажом (пайкой элементов непосредственно на дорожки — chip-монтаж).

Материалами печатных плат служат фольгированный стеклотекстолит либо фольгированный гетинакс.

Фольгированный гетинакс является менее прочным, чем стеклотекстолит, и достаточно ломким, но имеет лучшие электроизоляционные свойства и в 4 раза дешевле стеклотекстолита, поэтому он находит применение в изготовлении печатных плат для аппаратуры массового производства, при изготовлении которой одной из задач разработчика является минимальная стоимость прибора.

Фольгированный стеклотекстолит имеет гораздо лучшие механические свойства по сравнению с гетинаксом (не ломается и с трудом изгибается), поэтому нашёл применение в военной, вычислительной, измерительной и прочей прецезионной аппаратуре, где требуется высокая надёжность прибора, либо стойкость к механическим нагрузкам.

Применяемые для изготовления печатных плат фольгированные пластики делятся на односторонние и двусторонние. Учитывая современные тенденции постоянного уменьшения габаритов электроаппаратуры и внедрения поверхностного (chip-) монтажа, двусторонние печатные платы занимают приоритетное положение надо односторонними. Односторонние печатные платы имеет смысл применять для реализации простейших небольших электрических схем.

Помимо этого, изготовление современных сложнейших вычислительных и бытовых приборов требует применения многослойных печатных плат. Это связано с усложняющейся с каждым годом схемотехникой современной аппаратуры.

Изоляционная подложка печатной платы состоит из ряда пропитанных термореактивными смолами слоёв стекловолокна или бумаги, которые прессуют и отверждают в нагретых прессах. Токопроводящую схему выполняют либо так называемым способом удаления, когда изоляционный материал полностью закрывается медной фольгой и токопроводящий рисунок (линии и плоскости) создают, удаляя ненужные участки, либо способом наложения. В этом случае нужный токопроводящий рисунок создают металлизацией.

Материал оснований печатных плат должен быть таким, чтобы при механической обработке (сверлении, штамповке, распилке) не образовались трещины, расщепления и неблагоприятные явления, влияющие на эксплуатационные свойства, а также на электрические параметры плат. Материал платы должен обеспечивать хорошую сцепляемость с токопроводящими покрытиями, иметь минимальное коробление в процессе эксплуатации и производства.

Основой печатной платы служит диэлектрик, наиболее часто используются такие материалы, как стеклотекстолит, гетинакс.

Так же основой печатных плат может служить металлическое основание, покрытое диэлектриком (например, анодированный алюминий), поверх диэлектрика наносится медная фольга дорожек. Такие печатные платы применяются в силовой электронике для эффективного теплоотвода от электронных компонентов. При этом металлическое основание платы крепится к радиатору.

В качестве материала для печатных плат, работающих в диапазоне СВЧ и при температурах до 260 °C, применяется фторопласт, армированный стеклотканью (например, ФАФ-4Д) и керамика.

Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как каптон.

В настоящее время для производства узлов с печатным монтажом, широкое применение находят фольгированные диэлектрики: фольгированный гетинакс и фольгированный стеклотекстолит.

Исходя из сказанного, в качестве материала для изготовления печатных плат применяем стеклотекстолит типа FR4, это диэлектрик на основе нескольких слоев стеклоткани, пропитанных смолой и имеющих нулевую степень горючести. Именно хорошие диэлектрические свойства, стабильность характеристик и размеров, высокая устойчивость к воздействиям неблагоприятных климатических условий и высокие физические и химические характеристики сделали этот материал самым востребованным для производства высококачественных печатных плат.

FR4 - стеклотекстолит класса огнестойкости 94V-0, соответствует стандарту IPC 4101V, UL: E103670. Система управления качеством производителя подтверждена международными сертификатами ISO 2001/2000.

Толщина печатной платы составляет 1,5 мм и толщина фольги платы — 0,15 мм.

РАСЧЁТ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

Перед модулированием платы для начала необходимо выполнить расчёт основных параметров печатной платы.

1. Определение класса точности

Выбрав материал печатной платы, определяем ширину печатного проводника по формуле (мм):

где:

I — ток, равен 100*10^-3 — протекающий по проводнику;

h — толщина фольги, равна 0,15 мм;

j — плотность тока, равна 30 А/мм2 для внешних слоев печатной платы бытовой аппаратуры;

t

Для разрабатываемой конструкции устройства плотность печатного монтажа позволяет применить 3-ый класс, который характеризуется следующими параметрами:

— t = 0, 25 мм — ширина печатного проводника;

— S = 0,25 мм — расстояние между печатными проводниками;

— b = 0,1 мм - радиальная ширина контактной площадки;

— г = 0,33 — отношение номинального значения диаметра наименьшего из металлизированных отверстий к толщине печатной платы.

2. Определение электрических параметров платы

Значения допустимых рабочих напряжений между элементами проводящего рисунка, расположенные на наружном слое печатной платы 0,2 < S? 0,3, где ГФ =30 В, СФ=50 В.

Способ изготовления —методом химического травления фольги, удельное сопротивление меди будет равно 0,0175 Ом· мм2/м

1. Сопротивление печатного проводника самой длинной трассы рассчитывается по формуле:

где: с — удельное сопротивление меди, при комбинированном методе изготовления печатной платы равно 0,018 Ом*мм2/м ;

l — длина проводника, 0,0678 м.

3. Определение конструктивных параметров платы

1) Для выбора размеров печатной платы необходимо определить ее площадь. Площадь можно определить как

где: FЭРЭ — площадь, занимаемая электрорадиоэлементами (ЭРЭ);

FТО — площадь, занимаемая технологическими и/или крепежными отверстиями;

FСВ — площадь, которую не должны занимать электрорадиоэлементы по конструктивным соображениям;

КЗ — коэффициент заполнения печатной платы, обычно берется в пределах 0,3−0,8.

Площадь, занимаемая ЭРЭ, определяется по установочным размерам электрорадиоэлементов.

Площадь, занимаемая технологическими и/или крепежными отверстиями определяется по формуле:

где: dТО = 4 ммдиаметр технологических и/или крепежных отверстий;

n — количество отверстий.

Тогда:

FCB? 30 мм²

FЭРЭ = 991,95 мм²

Итого, минимальная площадь печатной платы:

Итого, максимальная площадь печатной платы:

Согласно ГОСТ 10.317−79 размеры плат должны быть кратны шагу координатной сетки при малых размерах печатных плат — 2,5 мм. Выбираем размеры платы: 58 мм х 70 мм.

Реальный коэффициент заполнения печатной платы определяется по формуле:

Размер печатной платы не противоречит ГОСТ 10.317−79.

2) Диаметры монтажных отверстий должны быть несколько больше диаметров выводов ЭРЭ, причем dО = dВ + ,

при d? 0,8 мм Д = 0,2 мм, при d > 0,8 мм Д = 0,3 мм, Диаметры контактных площадок определяются по формуле:

где: b — радиальная ширина контактной площадки, ;

Дd — предельное отклонение диаметра монтажного отверстия

Тd = 0,15 мм — значение позиционного допуска расположения осей отверстий ;

— значение позиционного допуска расположения центров контактных площадок,.

3) Минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий для прокладки нужного количества проводников определяется так:

где: dО1 и dО2 — диаметры монтажных отверстий, между которыми прокладываются проводники, мм;

n — количество прокладываемых проводников;

Дt = 0,15 мм - предельное отклонение ширины печатного проводника,;

Tl = 0,10 мм — значение позиционного допуска расположения печатного проводника,

РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИИ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

Печатная плата разрабатывалась в программе P-cad 2006. Разработк представлена на рисунках 3 и 4.

Рис. 3. Создание электрической схемы в приложении Schematic

Рис. 4 Создание печатной платы в P-Cad pcb.

Моделирование устройства Моделирование работы устройства производилось в среде Multisim 11.0.

В ходе моделирования были внесены некоторые коррективы в программный код микроконтроллера, после чего ошибок обнаружено не было.

Рис. 5. Разработка схемы в Multisim 11.0

Рис. 6 Выходной сигнал, получаемый с помощью осциллографа

Заключение

Разработанное устройство соответствует требованиям, поставленным в техническом задании.

Создано схемотехническое решение с применением современных САПР, а так же разработана печатная плата, удовлетворяющая ГОСТ 10 317−79 и прочим современным российским стандартам. Разработка проведена полностью при помощи ЭВМ и специализированных САПР. Проведено моделирование работы устройства в среде Proteus, в ходе которого проблем не возникло.

Особенностями прибора является миниатюрный размер и легкий вес.

Краткий справочник конструктора радиоэлектронной аппаратуры. Под ред. Р. Г. Варламова. М., «Сов. радио», 1973, 856с.

Разработка и оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Э. Т. Романычева, А. К. Иванова, А. С. Куликов и др.; под ред. Э. Т. Романычевой. -2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1989. — 448с.

Парфенов Е. М. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры: учебное пособие для вузов/ Ем. М. Парфенов, Э. Н. Камышевкая, В. П. Усачев. — М: Радио и связь, 1989. — 272 с.

Александров К. К., Кузьмина Е. Г. Электротехнические чертежи и схемы. — М: Энергоатомиздат, 1990. — 288 с.

Чекмарев А. А. Справочник по машиностроительному черчению / А. А. Чекмарев, В. К. Осипов. — М: Высшая школа, 2002. — 493 с.

А. Медведев Печатные платы. Конструкции и материалы. — М: Техносфера, 2005. — 304 с.

А.Я. Маслов, В. Ю. Татарский. Повышение надежности радиоэлектронной аппаратуры. М., Изд-во «Советское радио», 1972, 264 стр., т. 15 500 экз., ц. 85.

Никулин С.М. «Надежность элементов радиоэлектронной аппаратуры».

Овчинников А. В. Лекции по «Основам теории надежности».

Фролов А.Д. «Теоретические основы конструирования и надежности радиоэлектронной аппаратуры».

Я.М. Сорин. «Надежность радиоэлектронной аппаратуры».

12. ГОСТ 23 751–86 13. ГОСТ 2.104−68