Основы проектирования радиоэлектронных средств

Введение

Электронная аппаратура является одним из основных средств, используемых для удовлетворения научных, технических и бытовых потребностей в обществе. Поэтому необходимость в электронной аппаратуре велика и в разработке постоянно находится большое количество электронных средств. Наряду с этим возрастают требования к процессу проектирования по качеству так и затрачиваемым на эти цели средствам. Здесь важную роль играет конструктор, который путём создания и совершенствования элементной базы, новых методов конструирования, применения прогрессивных материалов и методов формообразования деталей и узлов, новой технологии изготовления способствует разрешению этих противоречий.

Цель данного курсового проекта — улучшение знаний в области расчета надежности проектируемых изделий и конструирования радиоэлектронных модулей второго уровня (на основе печатных плат). Кроме того, курсовое проектирование направлено на совершенствование умения разрабатывать и выполнять конструкторские документы в соответствии с нормами ЕСКД.

Основная задача курсовой работы — реализация комплексного подхода в разработке конструкции звукового включателя, для чего необходимо учитывать требования по назначению, надежности и условиям размещения и эксплуатации изделия. При этом необходимо добиться требуемых электрических и массогабаритных показателей, обеспечить устойчивость к воздействию внешних деструктивных факторов, технологичность и экономическую целесообразность конструкции.

1. Краткое техническое задание Наименование и область применения: Включатель звуковой для технического моделирования.

Основание для разработки: задание на курсовую работу.

Источники разработки: электрическая принципиальная схема модуля: С. Осипов «Командуют хлопки» М.: Моделист-конструктор, 1991. — 21 с.

Технические требования к модулю:

Показатели назначения:

радиус срабатывания, м 10

полоса чувствительности, Гц 300−15 000 напряжение питания, В9

ток потребления, мА, не более 250

Показатели надежности:

среднее время наработки на отказ, ч, не менее10 000

коэффициент готовности по ГОСТ 27.002−89

не менее 0,95

Массо-габаритные показатели:

габаритные размеры, мм, не более масса модуля, г, не более Условия эксплуатации:

Климатическое исполнение — УХЛ (умеренно-холодный климат) диапазон температур, оС+1…+45

влажность до, %98

Категория размещения на объекте — 4.1 .

диапазон температур, оС

Механические воздействия — М3 (стационарная промышленных

предприятий);

вибрация:

частота, Гц1…60

ускорение, g2

удары многократные:

ускорение, g15

длительность импульса, мс2…15.

2. Анализ принципиальной электрической схемы Схема включателя звукового для технического моделирования представлена на ПТЭС 468 121.001 Э3.

Микрофон ВМ1, являющийся датчиком устройства, преобразует акустический сигнал (хлопок) в электрический, который усиливается микрофонным усилителем на операционном усилителе (ОУ) DA1 и через конденсатор С2 поступает на неинвертирующий вход ОУ DA2. На DA2 построен компаратор с гистерезисными свойствами, что достигается введением положительной обратной связи, задаваемое резисторами R6 и R10, подаётся на неинвертирующий вход DA2. Благодаря действию положительной обратной связи компаратор имеет два устойчивых состояния, которые соответствуют положительной и отрицательной полярности выходного напряжения ОУ. Условие переключения комаппаратора определяется равенством Ux=Uпор±Uос.

Пороговое напряжение подаётся на инвертирующий вход DA2 и определяется резисторами R7 и R8. Пороговое напряжение может измениться с помощью R9.

Введение

гистерезисных свойств позволяет избежать ложных срабатываний компаратора. Ширина гистерезиса определяется резистором R6. Построечный резистор R1 является регулятором чувствительности микрофонного усилителя.

Выход компаратора подключён к ждущему мультивибратора элементах DD1.2, DD1.4. Длительность выходного импульса ждущего мультивибратора определяется номиналами конденсатора С3 и резистора R18 и зависит от числа звуковых сигналов.

Поданный на вход ждущего мультивибратора запускающий импульс переключает элемент DD1.2 в «единичное» состояние. Появляющийся в этот момент скачок положительного напряжения на выходе DD½ передаётся через конденсатор С3 на вход элемента DD1.4, переводя его в «нулевое состояние». Такое состояние элементов сохраняется и после окончания запускающего импульса. С появлением положительного импульса на выходе DD1.2 начинается зарядка конденсатора С3, в результате чего напряжение на входе DD1.4 уменьшается. При снижении его до порогового значения элемент DD1.4 переключится в «единичное» состояние, а DD1.2- в «нулевое». Конденсатор при этом разряжается через малое выходное сопротивление открытого элемента DD1.2, и в устройстве восстанавливается ждущий режим.

Счётчик импульсов построен на триггерах DD2.1 и DD2.2 и имеет коэффициент пересчёта 4. Выходной сигнал компаратора поступает на вход С элемента DD2.1, а выходной сигнал ждущего мультивибраторана входы R обоих триггеров.

На триггерах DD3.1 и DD3.2 построен двухразрядный регистр нагрузок, выходы которого подключены к транзисторным ключам VT1 и VT2.

При наличии логической 1 на выходах регистра включается соответствующая нагрузка, при логическом — соответствующая нагрузка выключена.

В исходном положении (и в состоянии, когда нет хлопка) звуковые и шумовые сигналы, поступающие на вход компаратора, не изменяют его состояния, так как амплитуда таких сигналов меньше порогового значения. При этом на выходе ОУ DA2 присутствует напряжение логической 1, импульсов на выходе компаратора нет, и, следовательно, работа счётчика запрещена (на входах R присутствует логическая 1, то есть триггеры принудительно обнулены). При хлопке на вход ОУ DA2 поступает электрический сигнал, превышающий порог срабатывания компаратора. Компаратор вырабатывает импульс, который поступает на счётный вход триггера DD2.1. При этом с приходом первого импульс ждущий мультивибратор разрешает счётчику считать и запрещает запись в регистр.

По окончании хлопков (или хлопка) ждущий мультивибратор возвращается в начальное состояние, разрешая запись состояния счётчика в регистр нагрузок. После этого происходит включение или выключение соответствующей нагрузки.

За пределы платы необходимо вынести переменный резистор R9, электромоторы М1 и М2 и элементы питания.

Включатель предназначен для использования в телеуправляемой модели (при помощью звука), на небольшие расстояния. Предлагаемое устройство акустического управления позволяет модели с двумя электромоторами двигаться прямо, направо, налево или назад.

3. Выбор элементной базы Решение этой задачи ставит целью проверить правильность выбора элементов с позиции их устойчивости к внешним воздействиям Выбирается элементная база для данного модуля так, чтобы она удовлетворяла требованиям технического задания:

Механические воздействия — М3 (стационарная промышленных предприятий);

вибрация:

частота, Гц1…60

ускорение, g2

удары многократные:

ускорение, g15

длительность импульса, мс2…15

Климатическое исполнение — УХЛ (умеренно-холодный климат) диапазон температур, оС+1…+45

влажность до, % 98

Справочные данные по устойчивости элементов к механическим и климатическим условиям представлены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики элементов по устойчивости к климатическим и механическим воздействиям

Выбор элементной базы должен производиться с учетом условий эксплуатации и функционального назначения, поэтому микросхемы DD1-DD3 могут быть выбраны из серии К176. Поскольку к резисторам не предъявляется особых требований, выбраны металлоплёночные общего назначения МЛТ-0,125, с допускаемым отклонением 10%. R1, R9 — из серии СП3−15а, мощностью 0,025…0,25 Вт, с номинальным сопротивлением 0,47…47 МОм и допускаемым отклонением 10%. Выбраны керамические конденсаторы из серии КМ-5б, с рабочим напряжением 10 В, с допускаемым отклонением 10%. Транзисторы VT1. VT2 выбраны из серии КТ315А, с максимальной рассеиваемой мощностью, 150 мВт и максимальным постоянным током коллектора 100 мА. Диод VD1 выбран из серии Д9Б, с максимально допустимым обратным напряжением 30 В, максимальным выпрямленным током 16 мА.

Таблица 2. Варианты замены элементов

Вывод: выбранная элементная база удовлетворяет требованиям к механическим и климатическим воздействиям.

4. Ориентировочный расчет надежности Ориентировочный расчет надежности производится с целью определения целесообразности дальнейшего проектирования При расчете принимаются следующие допущения:

отказы элементов считаются событиями случайными и независимыми;

отказ любого из элементов приводят к отказу аппаратуры;

все элементы функционируют в типовых, номинальных режимах;

однотипные элементы равнонадежны;

вероятность безотказной работы элементов изменяются во времени по экспоненциальному закону, то есть считается, что интенсивность отказов элементов есть постоянные величины.

Таблица 3. Показатели надежности основных групп элементов

Количество точек пайки конденсаторы: 3. 2 = 6

резисторы: 22. 2 +3. = 47

диод: 1 2=2

операционные усилители: 8 2=16

микросхемы: 3 14= 42

микрофон: 1 2=2

транзисторы: 2. 3 =6

выводы: 6

всего: 127

Определение интенсивности отказов для всего модуля:

20,3376 10−6ч-1

24 992 10−6ч-1

30,9404 10−6ч-1

Определение средней наработки на отказ моду

32 300 ч

40 012 ч

49 100 ч Так как Tн, мин> Tн (32 300 ч > 10 000 ч). то модуль удовлетворяет требованиям технического задания с гарантией. Никаких доработок в изделии производить не требуется.

5. Уточненный расчет надежности Уточненный расчет надежности производится с целью определения показателей надежности проектируемого модуля в реальных условиях эксплуатации с учетом особенностей функционирования принципиальной схемы, и позволяет оценить влияние условий применения элементов и дестабилизирующего влияния окружающей среды на надежность аппаратуры.

В общем случае формула расчета надежности в реальных условиях эксплуатации имеет вид

(1)

где ?a — интенсивность отказов в нормальных условиях эксплуатации; ?i — интенсивность отказов i-го элемента в нормальных условиях эксплуатации; ?мв, ?t ,. ?вл, ?дкоэффициенты, учитывающие влияние на надежность механических воздействий, температуры, влажности и давления соответственно; кэн — коэффициент электрической нагрузки

?мв = 1,07 (стационарные условия эксплуатации)

?д = 1 (высота 0… 1 км)

?вл =1 (относительная влажность 60…70%, температура 20…40оС) Таблица 4. Коэффициенты электрической нагрузки и поправочные коэффициенты элементов в статическом режиме

Интенсивность отказов модуля:

1,07 · 1,0 · 1,0 · 1,5164· 10−6 = 1,6225 · 10−6 ч-1

Время наработки на отказ модуля:

61 600ч Время наработки на отказ модуля при коэффициенте готовности Р=0,95

= 31 600 ч Полученное время наработки на отказ модуля при коэффициенте готовности 0,95 более чем в 3 раза превышает требуемое в техническом задании (10 000 ч), а следовательно удовлетворяет требованиям по надежности.

6. Аналитический расчет печатной платы Цель аналитического расчета состоит в определении минимально необходимой для размещения элементов схемы и других технологических зон модуля площади печатной платы.

Печатная плата содержит следующие технологические зоны:

S1 — зона размещения электрорадиоэлементов (ЭРЭ);

S2 — зона размещения электрического соединителя;

S3 — зона размещения элементов управления, индикации и контроля;

S4 — зона размещения элементов крепления и фиксации;

S5 — зона размещения элементов повышения механической прочности.

Таблица 5. Массогабаритные характеристики ЭРЭ

Варианты установки ЭРЭ по ОСТ 4ГО.010.030−81 представлены на рис. 1…8. Шаг сетки — 1,25 мм.

Рис. 1. Установка резистора МЛТ 0.25.

Рис. 2. Установка резистора МЛТ 0.125.

Рис. 3. Установка транзистора КТ315А

.

Рис. 4. Установка микросхем К176ЛА7, К176ТМ1.

Рис. 5. Установка ОУ К140УД12.

Рис. 6. Установка СП3−15а

Определение площади S1

Поскольку проектируемый модуль предназначен для использования в стационарных условиях и к нему не предъявляется особых требований к массогабаритным характеристикам, примем коэффициент заполнения равным 0,4. Таким образом, площадь зоны размещения ЭРЭ:

S1 = 1374,7/0,4 = 3436,75 мм 2

Определение площади S2

Зона размещения электрического соединителя определяется в зависимости от установочных размеров соединителя. В случае, если соединитель не предусмотрен, тогда соединение осуществляется с помощью монтажных проводов и контактных площадок. Тогда требуется рассчитать площадь, необходимую для размещения этих площадок.

Рис. 9. Рекомендуемая форма и основные размеры контактных площадок Диаметр отверстия d = 1,1 мм, тогда диаметр контактной площадки D = 3d = 3,3 мм. Расстояние между соседними площадками V = D. Тогда площадь, необходимая для размещения одной площадки:

21,78 мм 2 (3)

Общую площадь S2 определяется как

21,78 · 108 = 2352,24 мм 2 (4)

где N — общее число контактных площадок.

Определение площади S3

Площадь зоны размещения элементов управления, индикации и контроля определяется в зависимости от установочных размеров соответствующих элементов. Зависит от количества элементов управления и их геометрических размеров. В данном устройстве такие элементы отсутствуют. Поэтому

S3=0 мм2

Определение площади S4

Площадь зоны размещения элементов крепления и фиксации зависит от их количества и типа. В простейшем случае печатная плата закрепляется с помощью фиксирующих винтов с шайбами.

Рис. 10. Элементы крепления.

Площадь зоны размещения элементов крепления и фиксации определяется по формуле:

S4 = N (B+2)2(5)

где N=4 — количество фиксирующих винтов. B=2,5 мм — диаметр винта. Тогда:

S4=4*20,25=81мм2

Определение площади S5

Площадь зоны размещения элементов повышения механической прочности зависит от геометрических размеров указанных элементов и, как правило, при первоначальном расчете не учитывается, поскольку на данном этапе нельзя сделать вывод о виброустойчивости проектируемой платы в реальных условиях эксплуатации. Необходимость этой зоны рассматривается после проведения проверочных расчетов на вибропрочность и в ряде случаев зона S5 может отсутствовать. В данном устройстве отсутствует.

S5=0 мм2

Определение суммарной площади печатной платы Sпл

Sпл = S1+S2+S3+S4+S5(6)

Sпл =3436,75+2352,24+81= 5869,99 мм²

Выбрана печатная плата размером 60*100мм. S=6000 мм2.

7. Расчет топологических характеристик платы Расчет топологических характеристик проводится с целью определения класса точности печатной платы, основных параметров проводников и контактных площадок, а также проведение проверочных расчетов.

Выбор и обоснование класса точности Класс точности существенно влияет на топологические характеристики печатной платы и ее стоимость. Расчет минимального расстояния (l) для прокладки n проводников между двумя отверстиями диаметра D1 и D2 с контактными площадками производится по формуле

(7)

где — расстояние между контактной площадкой и проводником;

— ширина проводника;

— ширина пояска контактной площадки;

— расстояние между проводниками.

Для 1 класса точности:

= = = 0,75 мм; = 0,30 мм;

Рассматривая прокладку одного печатного проводника между отверстиями с диаметром 0,9 мм,, получено минимальное расстояние, которое должно быть между двумя отверстиями при условии прохождения между ними одного печатного проводника. Оно составляет:

l = (1,1 + 1,1)/2 + 2· 0,75 + 1· 0,75 + 0,75· (1−1) + 2· 0,30 = 3,95 мм, На данной плате расстояние между подобными отверстиями превышает 3,95 мм что позволяет выбрать 1 класс точности.

Выбор материалы печатной платы.

Данный модуль предназначен для использования в бытовых условиях, к материалу печатной платы не предъявляется особых требований, поэтому выбирается ГФ1−35−1,5 ГОСТ 10 316–78 — односторонний фольгированный гетинакс, толщина — 1,5 мм, толщина фольги — 35 мкм.

Определение номинального значения расстояния между соседними элементами.

Данный расчет производится с целью проверки электрической прочности изоляции.

Номинальное значение расстояния между соседними элементами проводящего рисунка определяется по формуле:

(8)

где — минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка, Это расстояние зависит от действующего напряжения. При = 0,2 напряжение равно 25 В, а данный модуль работает при напряжении 24 В, значит = 0,2.

— верхнее предельное отклонение ширины проводника, =0,1.

Таким образом, S = 0,3, что меньше минимального расстояния между проводниками для данного модуля, следовательно, электрическая прочность изоляции обеспечена.

Определение номинальных значений диаметров монтажных отверстий Для упрощения технологии производства печатных плат, количество различных диаметров монтажных отверстий необходимо минимизировать.

Диаметр монтажных отверстий определяется по формуле

(9)

где — диаметр вывода навесного элемента, устанавливаемого на печатной плате;

— разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным значением диаметра вывода устанавливаемого элемента, = 0,1 мм;

— нижнее предельное отклонение номинального значения диаметра отверстия.

Данные о диаметрах выводов ЭРЭ и монтажных отверстий приведены в таблице 6.

Таблица 6. Диаметры выводов ЭРЭ и монтажных отверстий

Таким образом, диаметр монтажных отверстий для резистора СП3−15а выбран 1,1 мм, транзистора КТ315А — 1,1 мм для всех остальных ЭРЭ — 0,9 мм.

Номинальное значение ширины проводника Номинальное значение ширины проводника определяется током, проходящему по нему, удельной плотностью тока в материале проводников и рассчитывается по формуле:

(10)

где — ток нагрузки, =0,005 А;

— удельная плотность тока, для наклеенной фольги = 20 А/мм 2;

— толщина проводника, = 0,035 мм.

= 0,005 / (20 · 0,035) = 0,007 мм.

Полученное значение ширины проводника можно применять в разработке данного модуля. Но для повышения надежности и защиты от перегрузок возможно использование и более широких проводников. Для проектируемой печатной платы выбрана ширина проводников в 1 мм.

Сопротивление изоляции параллельных проводников Для нормальной работы печатной платы сопротивление изоляции между разобщенными цепями в условиях наивысшей влажности должно более чем в 1000 превышать входное сопротивление коммутируемых цепей.

Сопротивление изоляции параллельных проводников приближенно вычисляется как

(11)

где — поверхностное сопротивление изоляции; - объемное сопротивление изоляции.

Поверхностное сопротивление определяется по формуле

(12)

где — удельное поверхностное сопротивление основания печатной платы, для гетинакса — 10 9 Ом;

— расстояние между проводниками;

— длина параллельного пробега проводников.

Так как печатная плата односторонняя, то объемное сопротивление изоляции не учитываем, значит Rи = Rs = 2· 106 Ом Полученное значение удовлетворяет условию Rи? 103Rвх, следовательно работа печатной платы в условиях наивысшей влажности обеспечена.

Расчет паразитного влияния проводников.

Расчет выполняется для цепей «питания» и «земли» с целью определения возможного негативного влияния паразитного омического сопротивления проводников на работу схемы. Практически сечение проводника рассчитывается по допустимому падению напряжения Uп на проводнике:

(13)

Где — удельное сопротивление проводника, для медной фольги 1,72· 10−8 Ом· мм2/м;

lп, hф, tмаксимальная длина проводника, его толщина и ширина соответственно;

Jнток, протекающий по проводнику.

Uп = 1,72· 10−8·0,335·0,005/0,035=0,08·10−8 В В ходе расчетов выяснилось, что падение напряжения на проводниках ничтожно мало, значит оно не будет создавать ощутимого негативного влияния на работу схемы.

Для электронных логических схем допустимое падение напряжения в цепях «питание» и «земля» не должно превышать 1−2% от номинального значения подводимого напряжения Еп, поэтому требуемое сечение печатного проводника (Sпп) шин «питание» и «земля» должно удовлетворять неравенству (14)

Sпп0,006 мм²

Данное неравенство удовлетворяется, т. к. в данной схеме Sпп=0,036 мм².

звуковой включатель надежность плата вибропрочность

8. Расчёт вибропрочности печатного узла.

Целью расчёта является определение механической устойчивости модуля к внешним механическим воздействиям в реальных условиях эксплуатации.

Частота колебаний платы, закреплённой в четырёх точках определяется:

(15)

где a и bдлина и ширина печатной платы;

D — цилиндрическая жёсткость печатной платы:

(16)

где E=20,6· 109 Па — модуль упругости;

h=1,5 мм — толщина печатной платы;

= 0,2- коэффициент Пуассона;

М — масса платы с элементами;

pплотность гетинакса; p= 1,3 г/см 3

(17)

Mпл=· а · b · h = 1,3 · 6 · 10 · 0,15 = 11,7 г

M = 11,7 + 40,26= 51,96 г

Подставляя все известные данные в формулы (15) и (16), получено, что цилиндрическая жёсткость D=2,68Н· м, а f0=323 Гц. В данном случае вибропрочность обеспечена, т. к. f0>2fвв (fвв=60Гц).

Заключение

В данной работе был спроектирован включатель звуковой. Конструкторские расчеты и оценки показали, что данный узел полностью соответствует требованиям технического задания. Следовательно, это устройство можно в полной мере использовать в условиях климата УХЛ 4.1 и механических воздействий М3. Так как в данном устройстве не использовано напряжение опасное для жизни, то данный прибор не нуждается в защите потребителей от высокого напряжения. Данное устройство можно изготавливать в серийном производстве.

Библиографический список

1. Бородин С. М. Схема-деталь-модуль: Методические указания к курсовой работе / С. М. Бородин. — Ульяновск: УлГТУ, 2004. — 64 с.

2. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА: Справ. пособие / Э. Т. Романычева, А. К. Иванова, А. С. Куликов, Т. П. Новикова. — М.: Радио и связь, — 1984. — 256 с., ил.