Конструкция фильтра-пробки с двойным Т-мостом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Сложность современных объектов, содержащих сотни тысяч, а порой и миллионы компонентов, делает их проектирование традиционными (ручными) методами с обязательным изготовлением макета практически невозможным.

Именно по этой причине резко возрос интерес разработчиков электронной аппаратуры к автоматизированным системам проектирования (САПР) и входящим в их состав подсистемам моделирования.

Математическое моделирование устройств промышленной электроники проводится как альтернатива физическому моделированию с целью уменьшения производственных затрат, либо с целью оптимизации параметров разработанных схем. Задача оптимизации параметров, как правило, отличается большой сложностью и требует для своего решения значительных затрат машинного времени. Поэтому эффективность разрабатываемых программ имеет существенное значение и определяется выбором математической модели устройства, а также методов её анализа и оптимизации.

САПР умеют сейчас очень многое. Они позволяют проверять не только правильность работы проектируемого устройства, но и выяснять его основные характеристики, начиная с самых первых шагов, когда прорабатываются только архитектурные решения будущего проекта.

На сегодняшний день существуют различные пакеты проектирования и анализа электронных схем. С их помощью можно судить не только о работоспособности схемы, но и также дать качественную оценку.

В частности пакет PSpice позволяет:

- построить АЧХ;

- анализировать переходные процессы;

- анализировать разброс параметров схемы в зависимости от температуры и многое другое.

1.Техническое задание

1.1 Назначение и описание пробки-фильтра с двойным Т-мостом.

Пробка-фильтр Двойной Т мост изображён на рисунке 1.

Рис.1

Если вам нужно ослабить (практически до нуля) некую выбранную частоту, то это фильтр как раз для вас.

Формула расчета:

где R=R3=R4, C=C1=C2;

При построении этого фильтра очень важна точность номиналов компонентов - от этого зависит степень "убивания" выбранной частоты. Так, при применении резисторов и конденсаторов с допуском 1%, можно получить ослабление частоты до 45дБ, хотя, теоретически, можно добиться и 60дБ. Например, если вы хотите грохнуть ненавистную всем частоту 50Гц, то берем следующие номиналы: R1=R2=10кОм, R3=R4=68кОм, С1=С2=47нФ.

Рассмотрим на примере пробка фильтр на двойном Т-образном мосте(Рис 2-3

Рис.2Рис.3

Это разновидность заграждающего фильтра (режекторного фильтра); представляет собой включаемый в электрическую цепь двухполюсник (обычно параллельный колебательный контур), сопротивление которого резко увеличивается в некоторой относительно узкой полосе частот."Ф.-п." препятствует прохождению переменных токов в этой полосе частот и пропускает токи с частотами, лежащими за её пределами.

Фильтр-пробка используется, чтобы подавить гармонический сигнал на заданной частоте типа сетевых наводок.

Сетевая наводка - это помеха с частотой питающей сети. Причем не обязательно электромагнитной природы (через эфир) . Она может появиться от неудачной разводки питания, отчего возникают падения напряжения на участках протекания тока, которые оказываются приложенными последовательно с выходным сигналом.

На рисунке 4 показана временная диаграмма сигнала с помехой электрокардиограммы (ECG), при частоте дискретизации 333 Гц.

На рисунке 5 представлен спектр того же самого сигнала с помехой. На этом рисунке можно идентифицировать сигнал сетевой наводки в 60 Гц.

Чтобы удалить наводку в 60 Гц, можно спроектировать фильтр-пробку, используя ВП DFD IIR Notch Peak Design со следующими параметрами.

Рис.4 Рис.5

На рисунке 6 показана АЧХ полученного фильтра-пробки на 60 Гц.

На рисунке 7 показан, отфильтрованный сигнал кардиограммы и он близок к исходному, без сетевой наводки.

Рис.6

Рис.7

1.2 Анализ схемы электрической принципиальной

Рис.8 Пассивный двойной Т-образный фильтр - пробка.

Рис.9 Т-образный фильтр со следящей связью

Двойной Т-образный фильтр - пробка.

Изображенная на рис.8 RC-цепь имеет бесконечное затухание на частоте, равной . Такое бесконечное ослабление для RC-фильтров, вообще говоря, не характерно - данный фильтр действует столь эффективно благодаря сложению двух сигналов, которые на частоте среза имеют разность фаз в 180°. Получение достаточно близкого к нулю значения характеристики на частоте fc требует хорошего согласования элементов. Этот фильтр называется двойным Т-образным и может употребляться для устранения сигнала помехи, например сетевой наводки 60 Гц. Трудность состоит в том, что характеристика этой цепи такая же «мягкая», как и у всех пассивных-цепей, и лишь в окрестности частоты обрывается почти отвесно. Например, двойная Т-образная цепь, управляемая идеальным источником напряжения, имеет затухание 10 дБ на частоте, равной удвоенной (или половинной) частоте fc, и ослабление 3 дБ на частоте, равной учетверенной (или деленной на четыре) частоте fc. Один из способов улучшить характеристику этой цепи - сделать ее “активной” типу фильтра Саллена и Ки (Рис.9). Эта идея кажется в принципе хорошей, но на практике разочаровывает из-за невозможности сохранения хорошего затухания на частоте нуля. Дело в том, что при увеличении резкости провала характеристики (большее усиление в петле следящей связи) ослабление на частоте нуля уменьшается.

Двойные Т-образные фильтры выпускаются в виде готовых модулей на диапазон частот от 1 Гц до 50 с глубиной ослабления на частоте провала около 60 дБ (с некоторым ухудшением при высоких и низких температурах). Такие фильтры легко собрать из отдельных элементов, но для получения глубокого и стабильного провала следует выбирать конденсаторы и резисторы со стабильными параметрами и низкой температурной зависимостью. Один из элементов должен быть регулируемым.

Двойной Т-образный фильтр функционирует прекрасно при фиксированной частоте провала, но основные трудности возникают при попытке сделать его перестраиваемым, поскольку три резистора необходимо изменять одновременно, сохраняя постоянным их соотношение. Однако замечательная своей простотой изображенная на Рис.10(а), RС-схема, которая ведет себя аналогично двойной Т-образной схеме, может перестраиваться в широком диапазоне частот (по крайней мере две октавы) с помощью единственного потенциометра. Подобно двойному Т-образному фильтру (как и большинство активных фильтров), для него требуется провести определенное согласование элементов; в этом случае номиналы всех трех конденсаторов должны быть идентичны, а значение фиксированного резистора должно точно в шесть раз превышать значение нижнего (регулируемого) резистора. Сама частота подавления определяется следующим образом:

Рис.10(а)

На рис.10(б), показана реализация этого фильтра, которая перестраивается в диапазоне от 25 до 100 Гц. Подстроечный резистор с номиналом 50 кОм позволяет установить максимальную глубину провала.

Как и в случае пассивной двойной Т-образной схемы, этот фильтр (известный как мостовой дифференциатор) имеет пологое нарастание затухания за пределами точки провала и бесконечное затухание (при условии идеального согласования значений всех элементов) на самой частоте провала. Его также можно «активировать» с помощью подачи на отвод потенциометра следящей связи с усилителя напряжения, как правило, с коэффициентом передачи меньше единицы (как на рис.9). Увеличение коэффициента передачи в петле следящей связи, а именно его приближение к единице, сужает ширину провала, а также приводит к появлению нежелательного пика характеристики со стороны более высоких частот относительно провала, наряду со снижением обеспечиваемого затухания.

Рис 10(б)

Рис.11 Принципиальная электрическая схема Двойного Т- образного фильтра - пробки.

R₂ =

C₂ = 2C₁

R₁ = R₃ = 60 кОм

C₁ = C₃ = 40 пФ

С₁ = С₃ = С

Рис.12 Расчётная схема Двойного Т- образного фильтра - пробки.

С₂ = 2С

R₁ = R₃ =R

R₂ =

K(p) =

U_вых(р) = I₄R - I₅

I₄ = I_ЙЙЙ - I_ЙЙ

I₅ = I_Й - I_ЙЙЙ

По закону Кирхгофа найдем токи в контурах:

I_Й (R + ) - I_ЙЙR - I_ЙЙЙ () = U_вх

I_ЙЙ (2R + ) - I_ЙR - I_ЙЙЙ (R +) = 0

I_ЙЙЙ (R + + + ) - I_Й () - I_ЙЙ (R +) = 0

= -2(R + ) - ( R + )= (R - B)(2A•A - A²) + R( - R•A + BA) + B(AR - 2AB) = (R - B)(3A² -A²) + R•( -RA + BA) + BA(R - 2B) = (R - B)•2A² + RA(B - 1,5R) + BA(R - 2B) = 2A²(R - B) - RA(R + 0,5R - B) + BA(R - 2B) = 2A²(R - B) - RA(R - B) - 0,5R²A + BA(R - 2B) = 2A²R - 2A²B - R²A + RAB - 0,5R²A + RAB - 2B²A = 2A²R - 2A²B - 1,5R²A + 2RAB - 2B²A = A(2AR - 2AB - 1,5R² + 2RB - 2B²) = (R + )• 2R(R + ) + 2(R + )• - 1,5R² - 2R - = (R + )• 2R² + + + - 1,5R² - - = (R + )*( R² + + ).

= 02A= U_вх (2AA - A²) = U_вх(3A² - A²) = U_вх • 2A² =

= U_вх • 2^.

I_Й = = U_вх • = U_вх *.

I_ЙЙ = = U_вх = U_вх *.

=U_вх •(AR - 2AB) = U_вх •A(R - 2B)=U_вх•^.

I_ЙЙЙ = U_вх = U_вх •

I₄ = I_ЙЙЙ - I_ЙЙ = U_вх • - U_вх • = U_вх •.

Выразим выходное напряжение

U_вых(р) = I₄R - I₅ = U_вх • =

= U_вх • = U_вх • =

= U_вх • = U_вх • = - U_вх • .

K(p) = = - = - .

АЧХ

K(j) = - = -

|K()| = =

ФЧХ

() = arctg - arctg = - arctg

Таблицы и графики АЧХ и ФЧХ

R = 60 кОм

C = 40 пФ

В результате получим:

|K()| =

() = - arctg

Таблица значений АЧХ

Таблица 1

[рад/c]	0	10000	50000	98388	200000	416666	1000000	1765000	4000000	10000000	30000000
|K()|	1	0.995	0.900	0.707	0.372	0.000	0.444	0.707	0.922	0.986	0.998

Таблица значений ФЧХ

Таблица 2

[рад/с]	0	10000	50000	98388	200000	416666	1000000	1765000	4000000	10000000	30000000
()	0	-5.5	-26	-45	-68	-	63.5	45	23	9.5	3

Расчетные графики

ФЧХ

Практические графики (смоделированные в Micro-Cap)

П = щ гр2 - щ гр1 = 1765000 - 98388 = 1666612 [рад/c]

Расчёт переходной характеристики

a(p) = = • =

Разложим знаменатель по формуле а(х-х₁)(х-х₂). Для этого найдем корни квадратного уравнения относительно p:

= 0

D = 16R²C² - 4R²C² = 12R²C²

= 2

p_1,2 =

p₁ =

p₂ =

= R²C²(p - )(p - )

a(p) = =

+ =

= + .

Найдем переходную характеристику а(t) с помощью преобразования Лапласа

F(p) = ;f(t) =

F(p) = ;f(t) =

a(t)=++ =

= 1 + + =

= 1 + =

= 1 + =

= 1 + = 1 - +.

Таблицы и графики переходной характеристики

a(t) = 1 - +.

Таблица значений переходной характеристики

T,мкс	0	1	2	3	4	5	10	20	50
a(t)	1	0.211	0.128	0.185	0.264	0.340	0.622	0.876	0.995

Графики переходной характеристики

Теоретический график

Практический график

Двойной Т-образный мост является заграждающим фильтром. Полоса заграждения данного фильтра лежит в пределах от нижней граничной частоты - 98388 [рад/с] до верхней граничной частоты 1765000 [рад/c] и составляет 1666612 [рад/c]. В полосе заграждения сдвиг фаз возрастает от -р/4 на нижней граничной частоте до р/4 на верхней граничной частоте, изменяя свой знак с минуса на плюс.

При подаче импульса напряжение на выходе мгновенно приобретает значение входного напряжения, после чего резко падает и плавно поднимается до уровня входного.

1.3 Расчётная часть

1.3.1Техническое задание

Разработать конструкцию и техпроцесс изготовления ПП для следующих данных.

1. Группа ЭА - косимая;

2. Группа жесткости при климатических воздействиях - 2;

3. Механические воздействия:

а) длительность ударных импульсов, мс: 5;

б) ускорения при многократных ударах, g: 10;

в) ускорения при одиночных ударах, g: 50…80;

г) частота вибраций, Гц: 10…40;

д) виброускорения, g: 1;

4. Специальные внешние воздействия: -

5. Конструктивная сложность ФУ: средняя.

6. Количество ИМС:

7. Электрические параметры:

а) допустимое падение напряжения, В: 0,7;

б) максимально допустимый ток, mA: 120;

в) быстродействие, c: 0,10

г) сопротивление изоляции, Mom: 20

8. Способ закрепления ячейки в модулях более высокого конструктивного уровня представлен на рисунке.

1.3.2 Выбор основания печатной платы

Металлическое основание:

· Алюминий;

· Медь;

· Сталь;

Теплопроводность:

· Алюминий - 150W/MK

· Медь - 400W/MK

1.3.3 Выбор материала основной печатной платы

Базовый материал ток фильтр кирхгоф

Медная фольга Толщина базового (однослойные платы) материала

· 35 мкм Срочное Серийное

· 75 мкм производство производство

· 105 мкм ? 1.5 мм ? 1.0 мм

· 140 мкм ? 1.5 мм

? 2.0 мм

1.3.4 Размещение навесных элементов

Размещение навесных элементов на печатной плате осуществляют [1.14, с. 64] в соответствии с ОСТ 4. ГО. 010.030 и ОСТ 4. ГО. 010.009. Размещение навесных элементов при конструировании печатных плат под автоматическую установку элементов производят в соответствии с ОСТ 4.091.124 79. Размещение навесных элементов на плате следует согласовывать с конструктивными требованиями на печатный узел, блок и устройство в целом.

При расположении навесных элементов необходимо предусматривать:

· обеспечение основных технических требований, предъявляемых к аппаратуре (автоматизированную сборку, пайку, контроль);

· обеспечение наиболее простой трассировки;

· исключение взаимного влияния на электрические параметры;

· обеспечение технологических требований, предъявляемых к аппаратуре (автоматическую сборку, пайку, контроль);

· обеспечение высокой надежности, малых габаритных размеров и массы, быстродействия, теплоотвода, ремонтопригодности.

Выбор варианта установки элементов на плату производят в соответствии с заданными условиями эксплуатации и другими техническими требованиями к конструкции печатного узла и (или) аппаратуры.

Размещение навесных элементов можно осуществить следующим образом: принципиальная электрическая схема разбивается на функционально связанные группы, составляется таблица соединений, производится размещение навесных элементов в каждой группе; группа элементов, имеющая наибольшее количество внешних связей, размещается вблизи соединителя; группа элементов, имеющая наибольшее число связей с уже размещенной группой навесных элементов, размещается рядом и т. д.; при необходимости производится корректировка в размещении отдельных навесных элементов или, по согласованию с руководителем проекта, замена адресов связей. По ГОСТ 23751--79 необходимо выполнить рациональное размещение навесных элементов с учетом электрических связей, теплового режима с обеспечением минимальных значений длин связей, количества переходов печатных проводников со слоя на слой, паразитных связей между навесными элементами; кроме этого, если возможно, то целесообразно выполнить равномерное распределение масс навесных элементов по поверхности платы с установкой элементов с большей массой вблизи мест механического крепления платы. При необходимости рекомендуется устанавливать навесные элементы на теплоотводящие металлические шины или радиаторы.

ГОСТ 2.123-93 Единая система конструкторской документации. Комплектность конструкторской документации на печатные платы при автоматизированном проектировании.

ГОСТ 2.417-91 Единая система конструкторской документации. Платы печатные. Правила выполнения чертежей.



2. Разработка процесса изготовления печатной платы

Процесс разработки и выбора типа производства платы из готовой принципиальной электрической схемы:

· Подготовка к конструированию:

· Импорт принципиальной электрической схемы в базу данных САПР конструирования печатной платы. Как правило подготовка схемы выполняется в отдельной схемотехнической САПР. Некоторые пакеты САПР содержат компоненты как схемотехники так и конструирования. Другие САПР ПП не имеют схемотехнической САПР в своем составе, только импортируя схемотехнику популярных форматов.

· Ввод в САПР компонентов (чертежей каждого компонента, расположения и назначения выводов и др). Обычно при этом используются готовые библиотеки компонентов, поставляемые разработчиками САПР.

· Уточнение у будущего изготовителя печатной платы его технологических возможностей (имеющиеся материалы, количество слоев, класс точности, допустимые диаметры отверстий, возможность покрытий и т. п.). Выбор материала платы, количества слоев металлизации, толщины материала и толщины фольги (наиболее часто используется стеклотекстолит толщиной 1,5 мм с фольгой толщиной 18 или 35 мкм).

· Конструирование платы:

· Определение конструктива печатной платы (габаритов, точек крепления, допустимых высот компонентов). Вычерчивание габаритов (краёв) платы, вырезов и отверстий, областей запрета размещения компонентов. Расположение конструктивно-привязанных деталей: разъёмов, индикаторов, кнопок и др. Определение правил расположения критичных проводников: выделение областей прокладки сильноточных проводников и шин питания; компоновка высокочастотных и дифференциальных линий, определение методов прокладки и экранировки чувствительных к помехам цепей и цепей-источников помех.

· Выполнение автоматического или ручного размещения компонентов. Обычно стремятся разместить компоненты на одной стороне платы поскольку двусторонний монтаж деталей заметно дороже в производстве.

· Запуск трассировщика. При неудовлетворительном результате -- перерасположение компонентов. Эти два шага зачастую выполняются десятки или сотни раз подряд. В некоторых случаяхтрассировка печатных плат (отрисовка дорожек) производится вручную полностью или частично.

· Проверка платы на ошибки (DRC, Design Rules Check): проверка на зазоры, замыкания, наложения компонентов и др.

· Создание выходной документации:

· Экспорт файла в формат, принимаемый изготовителем печатных плат, например Gerber.

· Подготовка сопроводительной записки в которой, как правило, указывают тип фольгированного материала, диаметры сверления всех типов отверстий, вид переходных отверстий (закрытые лаком или открытые, луженые), области гальванических покрытий и их тип, цвет паяльной маски, необходимость маркировки, способ разделения плат (фрезеровка или скрайбирование) и т. п..



2.1 Составление блок-схемы типового техпроцесса

2.2 Описание техпроцесса

Правильно разработанный ТП должен обеспечить выполнение всех требований, указанных в чертеже и ТУ на изделие, высокую производительность. Исходными данными для проектирования технологического процесса являются: чертежи детали, сборочные чертежи, специализация деталей, монтажные схемы, схемы сборки изделий, типовые ТП.

Типовой ТП характеризуется единством содержания, и последовательностью большинства технологических операций для группы изделий с общими конструктивными требованиями.

Типовой ТП разрабатываемый с учётом последних достижений науки и техники, опыта передовых производств, что позволяет значительно сократить цикл подготовки производства и повысить производительность за счёт применения более совершенных методов производства.

При изготовлении ЭВМ и их блоков широко применяют прогрессивные типовые ТП, стандартные технологические оснастки, оборудование, средства механизации и автоматизации производственных процессов.

Учитывается информация о ранее разработанных технологических процессах, особенностях и схемы изделия, типе производства.

Печатные платы - элементы конструкции, которые состоят из плоских проводников в виде покрытия на диэлектрическом основании обеспечивающих

· Соединение электрических элементов.

· Достоинствами печатных плат являются:

· Увеличение плотности монтажных соединений и возможность микро миниатюризации изделий.

· Гарантированная стабильность электрических характеристик

· Повышенная стойкость к климатическим и механическим воздействиям.

· Унификация и стандартизация.

· Возможность комплексной автоматизации монтажно-сборочных работ.

2.3 Выбор материал для печатных плат

Материал печатной платы должен обладать высокой механической прочностью, хорошими электроизоляционными свойствами, иметь высокую нагревостойкость, а также иметь высокую степень адгезии печатных проводника. Основными наиболее часто употребляемыми материалами печатных плат являются гетинакс и стеклотекстолит. Проведём сравнительный анализ этих материалов.

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)^[2] и керамика.

Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как каптон.



Заключение

В данном курсовом проекте изучается фильтр - пробка с двойным Т-мостом, предназначенное для устранения сигналов без искажения от сетевых потоков. Устройство соответствует техническим характеристикам задания. В конструкторской части произведен выбор элементной базы устройства согласно схеме электрической принципиальной.

Предпосылки для создания высококачественных надежных приборов и устройств, выпускаемых с минимальными производственными затратами, определяются в первую очередь технологией. Информационная, особенно электронно-вычислительная техника ставит перед технологией изготовления радиоэлектронной аппаратуры наиболее сложные задачи.

Повышение качества и экономичности производства во многом зависит от уровня автоматизации технологического процесса. Предпосылки для широкой автоматизации производства элементов и блоков ЭВМ обеспечиваются высоким уровнем технологичности конструкции, широким внедрением типовых и групповых технологических процессов, а также средств автоматизации.

Автоматизация развивается в направлении от автоматизации отдельных операций (установка элементов, пайка, сварка и др.) к широкому использованию автоматизированных линий.

Размещено на Allbest.ru

...