Электрические линии задержки на дискретных элементах

" Электрические линии задержки на дискретных элементах"

линия задержка радиоэлектронный аппаратура

При решении многих задач техники связи и родственных ей областей возникает необходимость в построении электрической цепи, которая запоминала бы аналоговый сигнал, а затем повторяла бы его на выходе цепи через заданное время. Такие цепи называют линиями задержки. Линия задержки — устройство, предназначенное для задержки электромагнитных сигналов на определённый промежуток времени.

Подобные устройства широко применяются в разных областях радиоэлектронных технологий — в радиолокации и радионавигации, измерительной и вычислительной технике, автоматике, электроакустике (ревербераторы), технике связи, в научных исследованиях.

Актуальность применения линии задержки связано с широким внедрением в современную радиоэлектронную аппаратуру дискретных и цифровых фильтров, где требуется задержка электрических сигналов.

1. Электрический расчет

Определяем необходимое число звеньевn по формуле где t_з— время задержки, мкс;

ф_ф— значение длительности фронта, мкс.

Находим расчетное значение индуктивности катушки, Гн

(2)

где t_з— время задержки, с;

с — эквивалентное волновое сопротивление, Ом.

Находим расчетное значение емкости конденсатора, Ф

(3)

где t_з— время задержки, с;

сэквивалентное волновое сопротивление, Ом.

Определяем сумму допусков на значение расчетной индуктивностей катушки и расчетной емкости конденсаторов в%по формуле

(4)

где дt_з— допуск на время задержки согласно техническому заданию, %.

2. Выбор и основание эскизного проекта конструирования

Электрическая линия задержки представляет собой некую электрическую схему, реализация которой не имеет какой-либо специфики или исключений относительно электрических схем иного предназначения, поэтому внедрение электрической линии задержки в конструкцию производится методами её компоновки и трассировки.

В современных электронных устройствах широкое применение нашла компоновка элементов методом поверхностного монтажа (SMDSurfaceMountDevice).Стоит отметить, что поверхностный монтаж на данный момент стал применяться не только в изделиях с малыми габаритами, но и в продукции, где экономия места не требуется.

Поверхностный монтаж — это закрепление и монтаж электронных компонентов специальной конструкции непосредственно на поверхность печатной платы. Главная особенность конструкции таких компонентов — отсутствие штырьковых и длинных планарных выводов. На замену им для присоединения к плате используются металлизированные торцы корпусов компонентов, матрица шариковых выводов на нижней поверхности корпуса компонента или настолько миниатюрные планарные выводы, что они лишь в незначительной мере увеличивают площадь платы.

К основным преимуществам данной технологии относятся:

— повышение плотности монтажа электронных компонентов на плате в 4−6 раз;

— уменьшение габаритов на 60% и снижение веса в 3−5 раз;

— возможность монтажа электронных компонентов с двух сторон платы;

— повышение быстродействия и улучшение электрических характеристик, связанных с длиной выводов электронных компонентов;

— упрощение автоматизации монтажа электронных компонентов на плате, увеличение производительности процесса в десятки раз;

— снижение стоимости монтажа печатных узлов вследствие уменьшения трудоемкости и использования меньшего числа простых плат с меньшими размерами и числом слоев;

— повышение виброустойчивости и вибропрочности печатных узлов в 2 раза;

— повышенная способность отвода тепла от кристаллов интегральных схем, что очень важно для безотказной работы аппаратуры;

— оборудование для технологий поверхностного монтажа проще, надежнее, обладает несравненно большей производительностью и требует в два раза меньше производственных площадей по сравнению с оборудованием для монтажа в отверстия.

К недостатками метода поверхностного монтажа относят:

— ниже ремонтопригодность устройства;

— высокие начальные затраты (связанные с установкой и настройкой автоматов, а также с более сложным созданием опытных образцов).

При компоновке элементов особое внимание необходимо уделить катушке. Катушки индуктивности массового производства по номенклатуре и объему представлены на рынке существенно в меньшей степени, чем конденсаторы. В связи с этим выбор катушки будет проводится первым, и максимально возможный процент допуска выделим для индуктивности.

Анализ литературных источников показывает, что номинальные значения SMDкатушек индуктивности различных производителей в основном принадлежат ряду Е12, который состоит из следующих значащих чисел: 1,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2,2;.2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; 8,2 и могут иметь допуск на номинальное значение в основном ± 10%, реже ± 5% и очень редко встречаются катушки с допуском ± 2%.

Расчетное значение индуктивности катушки как правило не совпадает с каким-либо номинальным значениемL_н. В случае незначительной разницы между расчетным и ближайшим номинальным значениями можно использовать катушку с этим номинальным значением как искомую. В нашем случае расчетное значение индуктивности равняется L_p= 7,2•10^-6 Гн = 7,2мкГн. Ближайшее номинальное значение индуктивности 6,8 мкГн.

Допуск на индуктивность для расчетного значения возьмем равный 10% и рассчитаем допуск на индуктивность для номинального значения в% по формуле

(6)

Расположение катушек индуктивности на печатной плате должно быть таковым, чтобы свести к минимуму их взаимное влияние через взаимодействие магнитных потоков этих катушек. Минимальное взаимодействие катушек будет в том случае, когда их магнитные потоки перпендикулярны. То есть перпендикулярная последовательность катушек будет наиболее верна.

Параллельно к индуктивности ставим емкость. Расчетное значение емкости конденсаторов как правило не совпадает с каким либо номинальным значениемС_н. SMDконденсаторы по номенклатуре и объему достаточно широко представлены на рынке товаров. Расчетное значение емкости равняется 80 пФ.

В случае незначительной разницы между расчетным и ближайшим номинальным значениями можно использовать конденсатор с этим номинальным значением как искомый, однако, аналогов для данного расчетного значения емкости в номинальной ряду не имеется. В этом случае конденсатор реализуется путем комбинации из последовательно или параллельного соединения двух конденсаторов. В моем случае искомый конденсатор будет составлен из двух параллельно соединенных конденсаторов фирмы Murata с номинальными емкостями 12 пФ и 68 пФ и допусками 2%.

3. Конструктивный расчет

В проектируемой линии задержки число звеньев n= 50. Индуктивность одного звена составляет 6,8 мкГн. Параллельно индуктивности ставим конденсаторы 12 пФ и 68 пФ. Таким образом, проектируемая линия задержки представляет собой 50 последовательно соединенных звеньев. В техническом задании размеры печатной платы не более 30×30×20 мм. Рассчитаем площадь, занимаемую элементами L и C. В качестве индуктивности будет использоваться катушка Viking — NL05JT6R8 (2?1,25?1,2 мм, размеры контактных площадок 1,14?1,25), с точностью 5%. Более удобные для восприятия данные представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 — Контактная площадка для катушки Таким образом, площадь индуктивности в одном звене, мм²

S_L= 3,175 • 1,25 = 3,97.

В качестве емкостей используем конденсаторы MurataGRM1885C1H680FA01D и Murata-GRM1885C1H120FA01D (1,6? 0,8? 0,9 мм, размеры контактных площадок 0,89? 1,016 мм), с точностью 2% .

Более удобные для восприятия данные представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 — Контактные площадки для конденсатора Площадь емкостей в одном звене, мм²

S_C = 1,016 • 2,415 • 2 = 4,91.

В таком случае занимаемая площадь одного звена печатной платы, мм²

S_зв= 3,97 + 4,91 = 8,88.

Общая площадь элементов линии задержки с учетом 50 звеньев, мм²

S_общ= 8,88 • 50 + 3,97 • 2 =451,94.

Для обеспечения электрического контакта изделия с остальной схемой должны быть предусмотрены контактные устройства. Их будет 4 по углам платы. Дли них используется лист латуни толщиной 0,5 мм. Из него вырезается полоса шириной 2 мм с разрешенным полем допуска от -0,1 до -0,2 мм. Далее методом гибки получают форме и покрывают припоем. Эскиз контакта представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 — Контакт для печатной платы Для каждого контакта подразумевается наличие двух отверстий с размерами 0,5? 2 мм каждый с полем допуска от +0,2 доминус 0,1. На рисунке 4 представлен эскиз расположения контактных отверстий с более подробными характеристиками.

Рисунок 4 — Расположение контактных отверстий на печатной плате Установка и фиксация контактов на печатной плате производится путем вставки контакта в печатную плату и его дальнейшего загиба. Визуально этот процесс представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 — Установка и фиксация контакта в печатной плате Площадь контактной площадки на поверхности монтажа, мм²

S_к = 4,25 • 3 = 12,75.

Таким образом, площадь всех контактных площадок на поверхности монтажа, мм²

S_ко= 12,75 • 4 = 51.

Площадь всей поверхности монтажа, учитывая размеры, данные в техническом задании, то есть 30×30×20 мм, рассчитывается, мм²

S = 30 • 30 = 900.

Площадь занимаемая всеми элементами на плате, мм²

S_Э = 451,94 + 51 = 502,94.

Площадь занимаемой поверхности с учетом коэффициента заполнения 1,5, мм²

S_РП = 502,94 • 1,5 = 754,41.

Таким образом, S? S_РП, а значит, все элементы можно разместить без использования двухсторонней печатной платы.

4. Выбор и обоснование материалов

Для изготовления печатной платы используется стеклотекстолит, толщиной 1 мм, облицованный с одной стороны медной оксидированной фольгой ГОСТ 10 316–78. Основным критерием выбора данного материала послужило то, что он обладает хорошей стабильностью электрических свойств при высокой влажности, высокой механической прочностью. Ко всему прочему стеклотекстолит широко используется для изготовления печатных плат с поверхностным монтажом компонентов.

В качестве материала для контакта выбираем латунную полосу Л63 ГОСТ 12 920–67, так как она обладает достаточной прочностью и отлично обрабатывается давлением, применяется для изготовления деталей холодной листовой штамповкой и глубокой вытяжкой. Латунь Л63 используется для изготовления крепежных деталей. Покрываем латунную полосу материалом О-Ви ГОСТ 9073–77, именно это покрытие обеспечивает наилучшую коррозионную стойкость.

Для защиты поверхности изделия от воздействия внешней среды применяем лак МЛ-92 ГОСТ 15 865–70. Для наилучшей защиты изделие покрыть в 2−3 слоя.

Пайка производится припоем ПОС- 61ГОСТ 21 931;76.

5.Методика контроля основных электрических параметров

Контроль основных электрических параметров производится на двух этапах: на этапе проектирования и на этапе производства. На первом этапе проектирования производится контроль измерения времени задержки t_з и длительность фронта ф_ф. Время задержки должно быть равным 0.5 мкс с допуском ±10%.

Измерение этих параметров производится на стенде, приведенном на рисунке 6. В его состав входят генератор 1 импульсных сигналов, исследуемая линия задержки 2 и двухлучевой осциллограф 3. Импульс с выхода генератора 1 попадает на вход линии 2 и первый вход осциллографа 3. Синхронизация осциллографа осуществляется импульсом, поступающим с выхода генератора. Формирование радиоимпульсов производится путем импульсной модуляции сигналов, поступающих с выхода ГСС типа Г4−103, входящего в состав стенда.

Рисунок 6 — Структурная схема стенда для проверки параметров печатной платы На втором этапе проверки мы проводим проверку всех размеров нашего изделия. В связи с тем, что в техническом задании тип производства указан как единичный, использовать калибровочные стенды нецелесообразно. В связи с этим для проверки будет использоваться достаточно распространенный в обиходе инструмент, называемый штангенциркулем.

Заключение

В данном курсовом проекте была разработана и спроектирована линия задержки для малогабаритной аппаратуры. При расчётах параметров и выборе элементов для линии задержки были учтены все габаритные и эксплуатационные особенности конструкции.

Выбор материалов проводился согласно ГОСТам, исходя из экономической целесообразности в условиях единичного производства. Все выбранные материалы отвечают техническим требованиям изделия с учётом представленной в техническом задании 2 группы эксплуатации.

В ходе проектирования линии задержки были получены знания по разработке печатных плат в целом и методам и особенностям расположения элементов наподобного рода изделиях в отдельности.

В ходе курсового проектирования использовалась система моделирования COMPAS-3DV-13.

Список литературы

1. Баев Е. Ф. Миниатюрные электрические линии задержки / Е. Ф. Баев, Е. И. Бурылин. — М.: Сов. радио, 1977. 248 с.

2. Бокунаев А. А. Справочная книга радиолюбителя-конструктора/А.А. Бокуняев, Н. М. Борисов, Р. Г. Варламов и др.; Под ред. Н. И. Чистякова.-М.: Радио и связь, 1990. 624 с.: ил

3. Захарьящев Л. И. Конструирование линий задержки / Л. И. Захарьящев. — М.: Сов. радио, 1972. 192 с.

4. Покровский Ф. Н. Материалы и компоненты радиоэлектронных устройств / Ф. Н. Покровский.- М.: Горячая линия — Телеком, 2005. — 350 с.