Размещено на http://allbest.ru

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»

Филиал «Минский радиотехнический колледж»

Пояснительная записка

к курсовому проекту по дисциплине

«Основы конструирования радиоэлектронных устройств»

Выносной щуп частотомера

Преподаватель И.Н. Чагаева

Учащийся А.Ю. Шиманович

Минск 2016



Содержание

Введение

1. Анализ технического задания

1.1 Назначение изделия и технические возможности

1.2 Требования по устойчивости к внешним воздействующим факторам

1.3 Требования к надёжности

2. Анализ схемы электрической принципиальной

3. Выбор элементной базы

4. Выбор материалов и покрытий

5. Выбор способа монтажа

6. Разработка конструкции печатной платы

7. Технологический раздел

8. Расчёт надёжности

Заключение

Литература



Введение

Частотомер - измерительный прибор для определения частоты периодического процесса или частот гармонических составляющих спектра сигнала.

Классификация частотомеров:

· По методу измерения - приборы непосредственной оценки (напр. аналоговые) и приборы сравнения (напр. резонансные, гетеродинные, электронно-счетные).

· По физическому смыслу измеряемой величины -- для измерения частоты синусоидальных колебаний (аналоговые), измерения частот гармонических составляющих (гетеродинные, резонансные, вибрационные) и измерения частоты дискретных событий (электронно-счетные, конденсаторные).

· По исполнению (конструкции) -- щитовые, переносные и стационарные.

· По области применения частотомеры включаются в два больших класса средств измерений -- электроизмерительные приборы и радиоизмерительные приборы.

Следует заметить, что граница между этими группами приборов весьма прозрачна.

Принцип действия электронно-счетных частотомеров (ЭСЧ) основан на подсчете количества импульсов, сформированных входными цепями из периодического сигнала произвольной формы, за определенный интервал времени.

Интервал времени измерения также задается методом подсчета импульсов, взятых с внутреннего кварцевого генератора ЭСЧ или из внешнего источника (например стандарта частоты).

Таким образом ЭСЧ является прибором сравнения, точность измерения которого зависит от точности эталонной частоты.

Принцип действия гетеродинных частотомеров основан на сравнении частоты входного сигнала с частотой перестраиваемого вспомогательного генератора (гетеродина) с помощью т. н. метода нулевых биений, порядок работы аналогичен работе с резонансными частотомерами.

В данной курсовой работе рассматривается выносной щуп - делитель частоты на 10 для частотомера FC250.



1 Анализ технического задания

1.1 Назначение изделия и технические возможности

Делитель частоты - это электронное устройство, уменьшающее в целое число раз частоту подводимых к нему периодических колебаний. Их используют в синтезаторах частоты, кварцевых и атомных часах, в телевизионных устройствах синхронизации генераторов развёрток и др.

Напряжение питания +5 В подаётся на выносной щуп от стабилизатора напряжения частотомера FC250, потребляемый ток - не более 35 мА. Выносной щуп собран на двух микросхемах: DA1 (ADCMMP604KSZ-R2) - КМОП-компаратор, имеющем время задержки 1,6 нс, входное дифференциальное сопротивление до 70 кОм, и делителе частоты на 10 - DD1 (КС193ИЕ3), имеющий рабочий диапазон частот от 100 кГц до 270 МГц.

Способ подачи напряжения смещения на входы компаратора DA1 с помощью резисторов R3-R7 позволяет подстрочным резистором R3 изменять напряжение гистерезиса и регулировать чувствительность выносного щупа.

Выходы компаратора DA1 подключены к входам делителя DD1 без разделительных конденсаторов через согласующие резисторы R8-R10, которые нужны для того, чтобы исключить подачу на входы делителя противофазного напряжения более 2 В в статическом режиме.

1.2 Требования по устойчивости к внешним воздействующим факторам

Частотомер FC250 с выносным щупом для деления частоты используется в комнатных условиях, поэтому проектируемое устройство является стационарной радиоэлектронной аппаратурой и относится к группе I (используется в жилых помещениях). В соответствии с ГОСТ 11478-88 проектируемое устройство должно отвечать следующим параметрам:

· Пониженная температура (рабочая + 5 , предельная - 40 );

· Повышенная температура (рабочая + 40 , предельная + 55 );

· Относительная влажность при температуре (25 %);

· Пониженное давление ( Па).

При этом нормальными климатическими условиями являются:

· Температура (+ 25 );

· Относительная влажность (10 %);

· Атмосферное давление (70 кПа).

1.3 Требования к надёжности

Испытание на надёжность данной проектируемой аппаратуры в соответствии с ГОСТ 21317-87 проводится следующим образом.

При проверке работоспособного состояния радиоаппаратуры проводят проверку срабатывания всех органов управление и параметров, перечень и методы измерения которых устанавливаются в ТУ на аппаратуру конкретного типа.

Начинают производить электропрогон радиоаппаратуры. Его проводят при напряжении питания. Рекомендуемая расчётная длительность электропрогона, используемая для составления плана испытаний, составляет 750 часов. В течение каждого цикла электропрогона следует проводить проверку каждого аппарата при различных уровнях громкости.

Средняя наработка на отказ данной проектируемой аппаратуры произведённая по расчётам в соответствии с ГОСТ 21317-87. Последовательность ориентировочного расчёта приведена в пункте 8 данного курсового проекта.



2. Анализ схемы электрической принципиальной

Выносной щуп (ВЩ) собран на двух микросхемах: DA1 (ADCMMP604KSZ-R2) - КМОП-компаратор, имеющем время задержки 1,6 нс, входное дифференциальное сопротивление до 70 кОм, и делителе частоты на 10 - DD1 (КС193ИЕ3), имеющий рабочий диапазон частот от 100 кГц до 270 МГц. Напряжение питания +5 В подаётся на выносной щуп от стабилизатора напряжения частотомера FC250, потребляемый ток - не более 35 мА. Способ подачи напряжения смещения на входы компаратора DA1 с помощью резисторов R3-R7 позволяет подстрочным резистором R3 изменять напряжение гистерезиса и регулировать чувствительность выносного щупа.

Делитель частоты - это электронное устройство, уменьшающее в целое число раз частоту подводимых к нему периодических колебаний. Их используют в синтезаторах частоты, кварцевых и атомных часах, в телевизионных устройствах синхронизации генераторов развёрток и др.

Эксплуатация данного частотомер FC250 с выносным щупом, передающим сигнал на той же частоте, выявила нестабильность его показаний и перегрев микросхемы DD2 на плате частотомера FC250 на частотах более 150 МГц. Поэтому щуп в данной микросхеме пересобран для улучшения работы частотомера. Напряжение питания +5 В подаётся на выносной щуп от стабилизатора напряжения частотомера FC250, потребляемый ток - не более 35 мА.

Выносной щуп собран на двух микросхемах: DA1 (ADCMMP604KSZ-R2) - КМОП-компаратор, имеющем время задержки 1,6 нс, входное дифференциальное сопротивление до 70 кОм, и делителе частоты на 10 - DD1 (КС193ИЕ3), имеющий рабочий диапазон частот от 100 кГц до 270 МГц. Микросхема КС193ИЕ3 не является в полной мере микросхемой стандарта ЭСЛ, напряжение смещения на её входах соответствует стандарту PECL, что даёт возможность соединять их напрямую с выходами компаратора ADCMP604 стандарта LVDS.

При этом противофазный сигнал прямоугольной формы с ADCMP604 подаётся сразу на оба дифференциальных входа делителя, что позволяет работать ВЩ практически во всём диапазоне рабочих частот КС193ИЕ3.

Способ подачи напряжения смещения на входы компаратора DA1 с помощью резисторов R3-R7 позволяет подстрочным резистором R3 изменять напряжение гистерезиса и регулировать чувствительность выносного щупа.

В статическом режиме разность напряжений на входах микросхемы КС193ИЕ3 0,5 В предотвращает её самовозбуждение, а подача противофазного сигнала уровня LVDS (0,35 В) позволила с новым ВЩ получить диапазон измеряемых FC250 частот от 400 кГц до 270 МГц при малой входной ёмкости, большом входном сопротивлении и дискретности измерения в 100 Гц. Выходы компаратора DA1 подключены к входам делителя DD1 без разделительных конденсаторов через согласующие резисторы R8-R10, которые нужны для того, чтобы исключить подачу на входы делителя противофазного напряжения более 2 В в статическом режиме. Напряжение питания +5 В подаётся на ВЩ от стабилизатора напряжения частотомера FC250, потребляемый ток - приблизительно 35 мА. Вывод 6 делителя КС193ИЕ3, выход ТТЛ с открытым коллектором, не задействован и оставлен неподключенным. С его выводов 2 и 4 противофазные сигнал стандарта ЭСЛ по шлейфу длиной 0,3 - 1 м подаётся на входы ПУ, которые размещён на плате FC250 и формирует сигналы уровня ТТЛ, необходимые для работы частотомера. Резистор R12 установлен на конце шлейфа, в месте его соединения с ПУ.

При работе оба контакта ВЩ подключают к измеряемому объекту. Применение ВЩ позволяет измерять частоту сигналов уровней ТТЛ и ЭСЛ, частоту гетеродинов различных типов радиоприёмников. В случае недостаточного уровня измеряемого сигнала происходит занижение или срыв показаний частотомера.



3. Выбор элементной базы

Для проектируемого устройства выбираем следующие элементы:

1. Конденсаторы C1, С2 - К50-35 10 мФ;

Конденсаторы C3, C4 - К10-17 0,15 мкФ;

Конденсатор C5 - К50-35 4,7 мкФ 16 В;

Конденсаторы C6, С7, С8 - К73-17 1 мкФ.

2. Микросхема DA1 - ADCMP604KSZ-R2:

· Напряжение питания (от 2,5 В до 5,5 В);

· Минимальный потребляемый ток 17 мА.

Микросхема DA2 - ADCMP600RJZ-R2:

· Напряжение питания (от 2,5 В до 5,5 В);

· Минимальный потребляемый ток 3 мА;

Микросхема DD1 - КС193ИЕ3 (представляет собой маломощный делитель частоты);

3. Резисторы R1, R2, R12 - С2-33-0,125 1 кОм ±10%;

Резистор R3 - СП5-2ВБ 1 кОм ±10%;

Резисторы R4, R5 - С2-33-0,125 560 кОм ±10%;

Резисторы R6, R7 - С2-33-0,125 5,1 кОм ±10%;

Резистор R8 - МЛТ-0,125 1500 мОм ±10%;

Резисторы R9, R10 - С2-33-0,125 560 мОм ±10%;

Резистор R11 - МЛТ-0,125 6500 мОм ±10%;

Резистор R12 - МЛТ-0,125 47 кОм ±10%;

Резистор R13 - МЛТ-0,125 100 кОм ±10%.

· Диоды VD1, VD2 - 1N4148: Максимальное постоянное обратное напряжение 100 В; максимальное прямое напряжение 1 В; время восстановления 4 нс; максимальный постоянный прямой ток 0,15 А; рабочая температура -65…+150 .



4. Выбор материалов и покрытий

Исходя из условий эксплуатации и влияющих на данную аппаратуры внешних факторов выбираем предположительно материал основания FR-4 (Стеклотекстолит фольгированный). Представляет из себя слоистый материал, изготовленный на основе стеклоткани и эпоксидного связующего.

Данный материал чаще применяется для изготовления ОПП и ДПП. Обладает отличной термостойкостью (от -50 до +120 ), имеет высокое удельное сопротивление и обладает незначительной влагостойкостью.

Технология производства фольгированных диэлектриков обеспечивает возможность производства ПП до 5-ой группы жестоки. Особенности технологий производства FR-4 обеспечивают ПП высокими способностями к термической и химической устойчивости и повышенным требованиям диэлектрической проницаемости. Так же данный материал имеет высокую прочность.

частотомер радиоаппаратура щуп монтаж



5. Выбор способа монтажа

Способ монтажа одна из важнейших задач решаемая на этапе предварительной компоновки изделия. Его тип определяется используемой элементной базой, рабочим диапазоном частот, условие эксплуатации и вариантом конструкции модуля.

Выносной щуп обладает высоким диапозоном частот, используется в комнатных помещениях и имеет среднее количество элементов, поэтому будет использоваться плоский (печатный) способ монтажа.

Данный способ монтажа чаще используется при конструировании печатных плат. В процессе конструирования печатных плат определяются конфигурация и габаритные размеры печатных плат, рациональное взаимное расположение элементов на печатных платах, осуществляется трассировка соединений. Определение конфигурации и габаритных размеров печатных плат необходимо осуществлять с учетом габаритных размеров разрабатываемого изделия, сложности электрической схемы, применяемых элементов, эксплуатационных требований, предъявляемых к изделию.

Конструирование печатной платы для данного выносного щупа будет осуществляться автоматизированным методом. Данный метод предполагает размещение навесных компонентов и разработку проводящего рисунка с помощью ЭВМ. Для этих целей будет использована система автоматизированного проектирования P-CAD и пакета машинной графики AutoCAD.



6. Разработка конструкции печатной платы

Выносной щуп - делитель частоты на 10 для частотомера FC250 является стационарным устройством и находится в комнатных условиях. По условиям данным в 1 пункте курсового проекта данная аппаратура относиться к первой группе жёсткости.

Для стационарной ЭА характерна работа в условиях вибраций, ударов, повышенной и пониженной температуры - данные требования действительны только при транспортировке. Данная аппаратура должна иметь ограниченные габариты и массу, обеспечивать простоту и надёжность электрических соединений и устойчивость к ударам и вибрациям.

Разрабатываемый выносной щуп имеет среднюю конструкторскую сложность ФУ (27 установочных элемента на ПП) и требует незначительной трассировочной способности ПП.

Исходя из параметров приведённых выше выбирается 3-й класс точности. Номинальные значения основных параметров:

· Номинальная ширина проводника мм;

· Номинальное расстояние между проводником мм;

· Расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки мм;

· Предельное отклонение ширины печатного проводника мм;

· Позиционный допуск расположения печатных проводников мм;

· Отношение диаметра отверстия к толщине ПП .

Учитывая тип конструкции и выбранный класс точности ПП, будет использоваться метод изготовления ДПП - комбинированный позитивный (ДПП на диэлектрическом основании).

Исходя из метода изготовления материал основания ДПП будет FR-4. Особенности данного материала описаны в 4 пункте данного курсового проекта.

Выбор габаритных размеров ПП осуществляется с помощью расчётов.

1) Выбор типоразмера ПП:

Исходя из имеющихся на плате элементов рассчитываем типоразмер ПП:

По ГОСТ 10317-79 подбираем ширину и длину ПП. Ширина - 42,5 мм, длинна - 85 мм.

Определение длины электрических связей:

2) Расчёт элементов проводящего рисунка

a) Расчёт диаметра монтажных отверстий:

Номинальный размер диаметра монтажного отверстия определяют по формуле:



b) Расстояние (Q₁) от края ПП до элементов печатного рисунка должно быть не менее толщины ПП с учётом допусков на размеры сторон. Q₁ = 1,6 мм.

c) Расстояние (Q₂) от края паза, выреза, не металлизированного отверстия до элементов печатного рисунка определяются по формуле:

d) Расчёт ширины печатных проводников.

Наименьшее номинальное значение ширины печатного проводника определяют по формуле:

e) Диаметр контактных площадок (КП). Наименьшее номинальное значение диаметра КП определяют по формуле:



Диаметр узкого места КП - 1,9 мм.

f) Расчёт расстояние между элементами проводящего рисунка:

1. Наименьшее номинальное расстояние между элементами проводящего рисунка определяют по формуле:

2. Наименьшее номинальное расстояние для замещения двух КП номинального диаметра в узком месте ДПП в зависимости от размеров и класса точности ПП равно 2,15 мм.

3. Наименьшее номинальное расстояние для размещения печатного проводника номинальной ширины между двумя КП в узком месте ДПП в зависимости от размеров и класса точности ПП равно 2,60 мм - для внутренних слоёв; 2,70 мм - для наружных слоёв.

4. Наименьшее номинальное расстояние для прокладки n проводников между двумя отверстиями с контактными площадками диаметром D₁ и D₂ определяются по формуле:

Проведя расчёты элементов проводящего рисунка необходимо выбрать последовательность основных операций технологического процесса изготовления ДПП методом комбинированным позитивным.



7. Технологический раздел

Технологичность конструкции - это совокупность свойств, проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ремонте по сравнению с соответствующими показателями конструкции изделий того же назначения при обеспечении заданных показателей качества.

Эта характеристика, влияющая на точность и себестоимость является одной из важных.

Исходя из условий данных в курсовой работе произведём технологический расчёт выносного щупа:

5. Коэффициент применения микросхем и микросборок:

Где - общее число дискретных элементов, заменённых микросхемами и микросборками; - общее число ИЭТ, не вошедших в микросхемы. К ИЭТ относят резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы, разъёмы, реле и другие элементы.

6. Определение коэффициента автоматизации и механизации монтажа изделия по формуле:

Где - количество монтажных соединений, которые осуществляются механизированным или автоматизированным способом.

Для блоков на печатных платах механизация относится к установке элементов и последующей пайке; - общее количество монтажных изделий.

Для ЭРЭ, микросхема, разъёмов, роле и прочих определяется количество выводов.

7. Коэффициент автоматизации и механизации подготовки ИЭТ к монтажу:

Где - количество ИЭТ, подготовка выводов которых осуществляется с помощью полуавтоматов и автоматов; в их число включается ИЭТ. Не требуют специальной подготовки (патроны, реле и т.д.); - общее число ИЭТ, которые должны подготавливаться к монтажу в соответствии с требованиями КД.

8. Коэффициент автоматизации и механизации регулировки и контроля:

Где - число операций контроля и настройки, выполняемых на полуавтоматических и автоматически стендах; - общее количество операций регулировки котнполя.

Две операции - визуальный контроль и электрический - являются обязательными.

Если в конструкции имеются регулировачные элементы (катушки индуктивности с подстрочными сердечниками), то количество операций регулировки увеличивается пропорционально числу этих элементов.

9. Коэффициент повторяемости ИЭТ:

Где - количество типоразмеров оригинальных Иэт в РЭС. К оригинальным относятся ИЭТ, разработанные и изготовленные впервые по ТУ; типоразмер определяется компоновочным размером и стандартом на элемент: - общее количество типоразмеров.

10. Коэффициент применения типовых ТП:

Где - число деталей и сборочных единиц, изготавливаемых с применением типовых и групповых ТП;

Д, Е - общее число деталей и сборочных единиц, кроме крепежа.

11. Коэффициент прогрессивности формообразования деталей:

Где - число деталей, изготавливаемых по прогрессивным ТП (штамповка, прогрессирование из пластмасс, литье, порошковая металлургия и т.д.):

Д - общее число деталей (без учёта нормализованного крепежа).

Основным показателем, используемым для оценки технологичности конструкции, является комплексный показатель технологичности конструкции изделия, который находится в пределах :

Исходя их условия технологический расчёт проведён верно.



8. Расчёт надёжности

Существует разное количество расчёта показателей надёжности РЭУ и отличаются они по степени точности учёта электрического режима и условий эксплуатации элементов. При ориентировочном расчёте этот учёт выполняется приближённо, с помощью обобщённых эксплуатационных коэффициентов.

Ориентировочный расчет выполняется на начальных стадиях проектирования, когда еще не выбраны эксплуатационные характеристики элементов, не спроектирована конструкция, и естественно, существуют результаты конструкторских расчетов (теплового режима, виброзащищённой и т.п.).

Последовательность ориентировочного расчёта:

1. На основе анализа электрической схемы ЭВС формируются группы однотипных элементов;

2. Для каждого типа или вида элементов, определяется значение интенсивности отказов . Значения взяты из справочника "Базовые интенсивности отказов групп элементов и компонентов РЭС";

3. Для элементов каждой группы по справочникам определяют средне групповое значение интенсивности отказов

4. Подсчитываем значение суммарно интенсивности отказов элементов устройства

где, - значение интенсивности отказов элементов j-й группы;

- количество элементов в j- группе;

k - число сформированных групп однотипных элементов.

5. С использованием обобщённого эксплуатационного коэффициента выполняем приближенный учёт электрического режима и условий эксплуатации элементов.

Суммарную интенсивность отказов элементов ЭВС с учётом электрического режима и условий эксплуатации определяем по следующему выражению

где - обобщённый эксплуатационный коэффициент, выбираемый в зависимости от вида ЭВС или условий его эксплуатации.

6. Наработка на отказ

Вероятность безотказной работы за заданное время

По данным вычислениям получаем, что данный выносной щуп проработает 304386 часа или почти 35 лет.



Заключение

В результате курсового проекта был спроектирован выносной щуп как делитель частоты для частотомера FC250.

Для проектирования был проведен анализ данного устройства, выбрана элементная база, материал и покрытия, выбран способ монтажа, разработана конструкция печатной платы, проведен технологический расчет и расчет надежности.

Приведена схема электрическая принципиальная данного устройства, её изображение на печатной плате и сборочный чертеж печатной платы.



Литература

1. Фещенко Т.И., Сычева Ю.С., Образцова О.Н., Василевская Н.И. Оформление курсовых и дипломных проектов;

2. Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатный плат - «Форум-Инфо-Н», 2009.

3. Достанко А.П., В.Л. Ланин, А.А. Хмыль, Л.П. Ануфриев Технология радиоэлектронных устройств и автоматизации производства - «Высшая школа», Минск, 2002;

4. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры/ под редакцией Шахнова В.А., - Москва, МГТУ имени Баумана, 2002.

5. Медведев А.И., Сборка и монтаж электронных устройств - «Техносфера», Москва, 2002.

6. Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры - ООО «Группа ИТД», Москва, 2002.

7. Мухосеев В.В., Сидоров И.Н. Маркировка и обозначение элементов. Справочник. - Москва, Горячая линия - Телеком, 2001.

8. Пикуль М.И., Русак И.М., Цирельчук Н.А. Конструирование и технология производства ЭВМ - «Высшая школа», Минск, 1996.

9. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: справочник/ Н.Н. Акимов, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. - Мн.: - Мн.: Беларусь, 1994.

Интернет-ресурсы:

1. Википедия - https://ru.wikipedia.org/.

Размещено на Allbest.ru

...