Простой средневолновой синтезатор частоты

Стремительное развитие микропроцессорной и компьютерной техники, микроэлектроники оказывает существенное влияние на развитие радиопередающих устройств как с точки зрения увеличения функциональных возможностей, так и с точки зрения улучшения их эксплуатационных показателей.

Синтезаторы частот служат источниками стабильных (по частоте) колебаний в радиоприемниках, радиопередатчиках, частотомерах, испытательных генераторах сигналов и других устройствах, в которых требуется настройка на разные частоты в широком диапазоне и высокая стабильность выбранной частоты. Стабильность обычно достигается применением фазовой автоподстройки частоты или прямого цифрового синтеза (DDS) с использованием опорного генератора с кварцевой стабилизацией. Синтез частот обеспечивает намного более высокую точность и стабильность, чем традиционные электронные генераторы с перестройкой изменением индуктивности или ёмкости, очень широкий диапазон перестройки без каких-либо коммутаций и практически мгновенное переключение на любую заданную частоту.

Синтезатор частот — устройство для генерации электрических гармонических колебаний с помощью линейных повторений (умножением, суммированием, разностью) на основе одного или нескольких опорных генераторов. Синтезаторы частоты обычно выполняются с применением цифровой техники, то есть необходимая частота задается в цифровом виде, управление осуществляется с помощью микроконтроллера.

Тема дипломной работы — «Простой средневолновой синтезатор частоты». В дипломном проекте представлена актуальная разработка синтезатора построенного по классической схеме с петлёй фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) на микросхемах структуры КМОП в корпусах, не содержащих золота и с широко распространённым кварцевым резонатором на 1 МГц.

Целью дипломного проекта является разработка простой конструкции синтезатора частоты без ухудшения технических характеристик. Цель предопределила структуру дипломного проекта. Он состоит из введения, восьми частей и заключения.

Введение

включает актуальность, цель дипломного проекта, раскрывает его теоретическую и практическую значимость.

Общая часть посвящена разработке и описанию принципа работы схемы электрической принципиальной для устройства «Простой средневолновой синтезатор частоты».

Исследовательская часть включает исследование и выбор элементов схемы.

Расчетная часть посвящена расчету основных параметров схемы электрической принципиальной.

В конструкторской части проводится обоснование разработки трассировки и компоновки печатной платы.

Организационная часть рассматривает вопросы организации рабочего места оператора при эксплуатации электронной аппаратуры.

Экономическая часть посвящена расчету себестоимости устройства «Простой средневолновой синтезатор частоты».

В части охраны труда рассматриваются мероприятия по охране труда при наладке РЭО.

В заключении подводятся итоги исследования, формируются окончательные выводы по рассматриваемой теме.

1. Общая часть

1.1 Анализ технического задания

Диапазон рабочих частот, кГц от 1449 до1800,

Шаг перестройки, кГц 9,

Число фиксированных частот, 40,

Напряжение питания, В от15 до 30,

Точность установки частоты, не хуже Гц от минус 5 до плюс 5,

Температурный уход частоты, °С-1 — 1,5· 10−6,

Потребляемый ток, мА — 50.

Целью дипломного проекта является разработка устройства и схемы электрической принципиальной простого средневолнового синтезатора частоты с анализом технических параметров, а также разработка трассировки печатной платы и сборочного чертежа на устройство.

По схеме электрической принципиальной произвести обоснование выбора радиоэлементов по их электрическим параметрам: резисторов, конденсаторов, микросхем, диодов, транзисторов и произвести следующие расчеты:

расчет надежности;

расчет теплового сопротивления корпуса ИС;

расчет коэффициента заполнения печатной платы;

расчёт узкого места;

расчет себестоимости.

В дипломном проекте необходимо провести обзор разделов по технологической, организационной части и по технике безопасности.

1.2 Описание схемы электрической принципиальной простого средневолнового синтезатора частоты

Структурная схема синтезатора представлена на рисунке 1.2.1 Генератор, управляемый напряжением (ГУН), работает на той же частоте, которая поступает на выход. Устойчивость к наводкам обеспечивается тем, что частотозадающие цепи этого генератора не содержат катушек индуктивности, а сам он практически целиком находится внутри одной микросхемы.

Рисунок 1.2.1 — Схема функциональная простого средневолнового синтезатора частоты Формирователь импульсов (ФИ) имеет однотактный мощный выход с открытым стоком и допустимым напряжением до 200 В. Для оптимального согласования с нагрузкой в формирователе предусмотрена возможность регулировки длительности выходных импульсов.

Образцовый сигнал частоты сравнения 100 Гц получается делением частоты кварцевого генератора (КГ) 1 МГц на 10 000. Столь низкой эта частота выбрана по той причине, что в спектре выходного сигнала синтезатора неизбежно присутствуют составляющие, отстоящие на её значение от основной выходной частоты. Если в связной аппаратуре с этим можно мириться, то для вещательного передатчика наличие спектральных составляющих, создающих при амплитудном детектировании сигналы звуковых частот, недопустимо. Поэтому частоту сравнения необходимо выбирать в надтональной или подтональной области. В нашем случае принят второй вариант, поскольку 100 Гц легко подавить последетекторным фильтром приёмника, не ухудшая качества принимаемых речевых и музыкальных сигналов.

Частотно-фазовый детектор (ЧФД) сравнивает образцовый сигнал 100 Гц с сигналом такой же (в режиме захвата) частоты, полученным делением частоты ГУН сначала на 9, а затем с помощью делителя с переменным коэффициентом деления (ДПКД) на 1610−2000 в соответствии с заданным значением выходной частоты. В зависимости от знака рассогласования сравниваемых сигналов по частоте и фазе ЧФД вырабатывает управляющий сигнал, увеличивающий или уменьшающий частоту ГУН. Управляющее напряжение поступает на ГУН через пропорционально-интегрирующий фильтр (ПИФ), оптимизирующий динамические характеристики петли ФАПЧ.

Предварительное деление частоты ГУН на 9 продиктовано двумя причинами. Во-первых, это требуется для получения сетки частот с шагом 9 кГц. Во-вторых, микросхема КА561ИЕ15А, применённая в ДПКД, имеет максимальную рабочую частоту 1,5 МГц.

Принципиальная схема синтезатора приведена на рисунке 1.2.2. Все применённые в нём цифровые микросхемы — структуры КМОП малой и средней степеней интеграции. Микросхемы серий К561 и КР1561 работоспособны на частотах до 2…3 МГц при напряжении питания 3…15 В. Потребляемый ими в динамическом режиме ток не превышает единиц миллиампер.

КГ выполнен на микросхеме DD1. Подстроечным конденсатором С4 устанавливают частоту генерации 1 МГц с точностью не хуже 1…2 Гц.

Рисунок 1.2.2 — Схема электрическая принципиальная простого средневолнового синтезатора частоты Для получения образцового сигнала частотой 100 Гц импульсы с выхода КГ поступают на вход С двоичного счётчика DD4. Применённая здесь микросхема К561ИЕ16 представляет собой 14-разрядный двоичный счётчик. Необходимый коэффициент деления 10 000 получается с помощью логического узла 5И на диодах VD3—VD7 и резисторе R7. Когда в процессе счёта на всех выходах счётчика, к которым подключены диоды, высокие логические уровни будут присутствовать одновременно, на его входе R уровень также станет высоким, что установит счётчик в исходное нулевое состояние, затем процесс подсчёта импульсов повторится. Коэффициент деления при показанном на схеме подключении диодов получается равным Кд= 16+256+512+1024+8192= 10 000.

ГУН и ЧФД находятся в микросхеме DD2 КР1561ГГ1. Крайние значения частоты диапазона перестройки ГУН задают резисторами R1, R2, С1. Перестраивают частоту напряжением на входе IG (выводе 9 микросхемы).

Исходные данные для выбора указанных выше элементов — диапазон частот синтезатора 1,449…1,8 МГц и разброс параметров ГУН, который от экземпляра к экземпляру микросхем может доходить до 20%. Таким образом, необходимо иметь запас по перестройке не менее 0,36 МГц. С некоторым запасом будем считать, что ГУН должен перестраиваться в диапазоне 1…2,2 МГц. Нижнюю границу этого диапазона (при нулевом напряжении на входе IG) устанавливают резистором R2, верхнюю границу (при управляющем напряжении, равном напряжению питания) — суммарным сопротивлением резисторов R1 и R2. Работу ГУН разрешает низкий логический уровень на входе INH (выводе 5).

ЧФД имеет два входа 1С и IS (выводы 3 и 14) и выход Q1 (вывод 13). Сигнал рассогласования с выхода Q1 через ПИФ R4R3C2 поступает на управляющий вход ГУН IG.

ПИФ — весьма критичная часть петли ФАПЧ. Расчёт этого фильтра в общем виде довольно сложен и требует знания теории автоматического управления. Для радиолюбительской практики вполне удовлетворительные характеристики обеспечиваются расчётом с использованием соотношений, приведённых в справочных материалах по микросхеме МС14 046В — зарубежному аналогу КР1561ГГ1:

R3C2 = 6N/fmax-N/2?f

(R4 + 3000 Ом) С2 =100N?f/f2max — R3C2

?f = f maxf mix

R3? R4/10,

где N — коэффициент деления рабочей частоты в петле ФАПЧ;

fmax и f mix — граничные частоты перестройки ГУН; 3000Ом — выходное сопротивление ЧФД.

С выхода ГУН сигнал рабочей частоты поступает на ФИ и делитель частоты на 9. Последний выполнен на микросхеме DD5 К561ИЕ14 и элементе DD3.1 микросхемы К561ЛН2.

Четырёхразрядный реверсивный счётчик К561ИЕ14 может работать как двоичный (на входе В высокий уровень) или как десятичный (на входе В низкий уровень). Направление счёта задают уровнем на входе U: высокий — увеличение, низкий — уменьшение. На вход С подают счётные импульсы, причём состояние счётчика изменяется по их нарастающим перепадам. Счёт разрешён при низком уровне на входе PI.

Вход S позволяет асинхронно записывать в триггеры счётчика любой восьмиразрядный код с входов D1—D8. Поскольку счётчик отдельного входа начальной установки не имеет, эту функцию выполняет вход S при низких уровнях на входах D1— D8 (в режиме счёта на увеличение). На выходе переноса появляется низкий уровень, когда в режиме счёта на увеличение накопленное число стало максимальным (или минимальным в режиме счёта на уменьшение).

В нашем случае счётчик работает на увеличение в десятичном режиме. При поступлении десятого импульса сигнал с выхода переноса через инвертор DD3.1 принудительно устанавливает счётчик в нулевое состояние.

С выхода 4 счётчика сигнал поступает на ДПКД — микросхему DD6 КА561ИЕ15А. У неё имеются вход счётных импульсов С, четыре управляющих входа K1, К2, КЗ, L, шестнадцать входов 1—8000 для установки коэффициента деления и один выход. Коэффициент деления может находиться в интервале 3—21 327, причём предусмотрено несколько способов его установки. В синтезаторе использован наиболее простой и удобный способ — коэффициент задают двоично-десятичным кодом, поданным на входы 1—8000. При этом, однако, максимально возможное его значение — 16 659.

Чтобы воспользоваться этим способом, на входах К1 и L должны быть установлены разные логические уровни (низкий и высокий или высокий и низкий), а на входе КЗ — низкий уровень. Вход К2 служит для установки счётчика в начальное состояние, которая происходит при низком уровне на этом входе за три периода счётных импульсов. При высоком уровне на нём счётчик работает в режиме делителя частоты.

Нужные уровни на входах 1−8000 задают галетными переключателями SA1 и SA2. Их контактам, соединённым с общим проводом, соответствуют низкие уровни на соответствующих входах микросхемы, а свободным — высокие (их поддерживают резисторы R8-R15).

ФИ позволяет установить длительность выходных импульсов, оптимальную для подключённой к синтезатору нагрузки, например, выходного контура без промежуточных усилителей. ФИ построен на логических инверторах DD3.2—DD3.6, диоде VD2, подстроечном резисторе R6, транзисторах VT1—VT3. Эмиттерный повторитель на транзисторах VT1 и VT2 уменьшает длительность зарядки и разрядки ёмкости затвора полевого транзистора VT3, увеличивая этим скорость его включения и выключения. Зарядка входной ёмкости элементов DD3.3—DD3.6 происходит быстро через малое динамическое сопротивление диода VD2, а разрядка — сравнительно медленно через подстроенный резистор R6. Длительность разрядки, а за счёт этого и длительность формируемого импульса зависят от введённого сопротивления резистора R6.

2. Исследовательская часть

2.1 Обоснование выбора элементов схемы

2.1.1 Обоснование выбора резисторов

Все резисторы выбираются по требуемому номинальному значению и мощности. Иногда в особо точных схемах учитывается допустимое отклонение от номинальной величины сопротивления. Допустимое отклонение от номинальной величины сопротивления зависит от типа резистора: композиционный, проволочный, угольный. Выбирая резисторы по мощности, определяется мощность рассеяния на каждом резисторе отдельно по формуле P=U· I, P=U2/R, P=I2· R, выведенные из закона Ома. Полученная величина увеличивается вдвое. Исходя из полученных значений, выбираем резисторы эталонных мощностей: 0,125, 0,25, 0,5,1, 2,5, 10Вт и т. д.

Таблица 2.1.1 — Сравнительная характеристика резисторов

Резисторы МЛТ И С2−23 являются аналогами. Выбираем резисторы МЛТ которые обеспечивают гарантированную стабильность в течение минимальной наработки 25 000 ч при номинальной нагрузке (не более): ±5 — ±10%, большим диапазоном номинальных сопротивлений, удобны для использования в нашей схеме, отличаются дешевизной и широтой использования. Импортный аналог — резистор MF.

Керамические резисторы С2−23 использованы в схеме данного устройства благодаря небольшим размерам и низкой цене.

2.1.2 Обоснование выбора конденсаторов

При выборе конденсаторов для радиоэлектронных устройств, приходиться решать одну из противоположных по своему характеру задач. Прямая задача — по известному стандартному напряжению конденсатора найти максимально допустимые значения переменной и постоянной составляющих рабочего напряжения. Обратная задача заключается нахождения типа и стандартного напряжения конденсаторов по рабочему режиму.

Под номинальным напряжением понимается наибольшее напряжение между обкладками конденсатора, при котором он способен работать с заданной надёжностью в установленном диапазоне рабочих температур. Номинальное напряжение, оговоренное стандартами, называется стандартным напряжением — оно маркируется на конденсаторах, выпускаемых согласно действующих стандартов. Под рабочим напряжением подразумевается значения постоянного и переменного напряжения, которые действуют на конденсаторе при его работе.

Прямая задача нахождения рабочего напряжения решается с помощью условий, оговоренных в действующих стандартах. Однако эти условия справедливы лишь для тех случаев, когда переменная составляющая (пульсация) напряжения на конденсаторе меняется по закону гармонического колебания.

Для решения обратной задачи — нахождения типа и стандартного напряжения конденсатора по рабочему режиму, необходимо вначале найти минимальное напряжение, а затем выбрать ближайшее к нему стандартное значение.

Величина рабочего напряжения конденсатора ограничивается тремя требованиями:

а) конденсатор не должен перегреваться;

б) перенапряжение на нём недопустимо;

в) он должен быть защищен от прохождения обратных токов, если это полярный оксидный конденсатор.

Для того чтобы конденсатор не перегревался, следует рассчитать выделяемую на нём реактивную мощность. Она не должна превышать номинальную мощность конденсатора.

Чтобы защитить конденсатор от перенапряжения, рабочее напряжение на нём не должно превышать номинальное. Это условие формулируется в стандартах как сумма постоянной составляющей и амплитуды переменной составляющей рабочего напряжения не должна быть больше стандартного напряжения.

Электролитические конденсаторы отличаются большими токами утечки и большими потерями. Проводимость их зависит от полярности приложенного напряжения, поэтому они используются только в цепях постоянного и импульсного токов. Электролитические конденсаторы обладают большими ёмкостями.

Таблица 2.1.2.1 — Сравнительная характеристика конденсаторов

В качестве электролитических конденсаторов выбираем К50−35. Он наименьших размеров, имеет большое количество зарубежных аналогов, широкий диапазон рабочих температур, долговечен. Импортные аналоги-конденсаторы серии ERDH.

В качестве керамического конденсатора выбираем К10−17Б применяющийся в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Керамические конденсаторы характеризуются высокими электрическими показателями и сравнительно небольшой стоимостью.

Таблица 2.1.2.2 — Сравнительная характеристика конденсаторов

У керамических конденсаторов К10−17Б подходящее рабочее напряжение, они небольшого размера, дешевы и поэтому больше подходят для нашей схемы. Импортный аналог MLCC (многослойный керамический конденсатор).

Таблица 2.1.2.3 — Сравнительная характеристика конденсаторов

Металлопленочные полиэтилентерефталатные конденсаторы серии К73−24 предназначены для работы в цепях постоянного, переменного, пульсирующего токов и в импульсных режимах. Могут применяться взамен К73−17, К73−30, К73−34, К73−5.

Подстроечные защищённые конденсаторы КТ4−21б, КТ4−23, КТ4−24, КТ4−25б предназначены для работы в качестве встроенных элементов внутреннего монтажа аппаратуры, в кожухе комплектного изделия, в электрических цепях постоянного и переменного токов и в импульсных режимах.

Таблица 2.1.2.4 — Технические характеристики конденсатора КТ4−24

Импортный аналог BD680.

2.1.3 Обоснование выбора микросхем

Интегральные микросхемы (ИМС) — это научно-техническое направление микроэлектроники, которое в результате комплекса физических, химических, схематических, технологических и других методов и приемов решает проблему создания высоконадежных и экономичных микроминиатюрных электронных схем и устройств.

Микросхемы характеризуются следующими параметрами:

— максимальное напряжение на входе,

— максимальный выходной ток,

— мощность потребления микросхемы,

— сопротивление на входе и на выходе,

— напряжение на выходе.

В данном устройстве используются микросхемы: К561ЛА7, КР1561ГГ1, К561ЛН2, К561ИЕ14, К561ИЕ15А, К561ИЕ16, 7812. Основным критерием выбора микросхем является обеспечение заданных параметров работы устройства. Ниже представлены основные характеристики и функциональное назначение этих микросхем.

Стабилизаторы электрического напряжения это устройства, входящие в состав блока питания и позволяющие держать на выходе блока питания стабильное напряжение. Стабилизаторы электрического напряжения бывают рассчитанные на какое-то фиксированное напряжение на выходе (например, 5 В, 9 В, 12В), а бывают регулируемые стабилизаторы напряжения, у которых есть возможность установить требуемое напряжение в тех пределах, в каких они позволяют.

Все стабилизаторы обязательно рассчитаны на какой-то максимальный ток, который они могут обеспечить. Превышение этого тока грозит выходом стабилизатора из строя. Современные стабилизаторы обязательно оснащаются защитой по току, которая обеспечивает отключение стабилизатора при превышении максимального тока в нагрузке и защитой по перегреву. 7812 — стабилизатор напряжения 12 вольт, размещённый в корпусе типа TO-220 с тремя выводами. Способность стабилизации такого популярного напряжения как 12 вольт делает его полезным в целой массе различных электронных устройств.

Таблица 2.1.3.1 — Технические характеристики микросхемы 7812- стабилизатор напряжения

Аналоги КР142ЕН8Б, ESG7812P.

КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник; англ. CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor) -технология построения электронных схем. В технологии КМОП используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости. Отличительной особенностью схем КМОП по сравнению с биполярными технологиями (ТТЛ, ЭСЛ и др.) является очень малое энергопотребление в статическом режиме (в большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется только во время переключения состояний). Отличительной особенностью структуры КМОП по сравнению с другими МОП-структурами (N-МОП, P-МОП) является наличие как n-, так и p-канальных полевых транзисторов; как следствие, КМОП-схемы обладают более высокой скоростью действия и меньшим энергопотреблением, однако при этом характеризуются более сложным технологическим процессом изготовления и меньшей плотностью упаковки. Стандартные серии КМОП: 176, 561, 564.

Таблица 2.1.3.2 — Технические характеристики микросхемы К561ЛА7

Логическая КМОП-микросхема отечественного производства К561ЛА7 содержит по четыре двухвходовых базовых элемента И с инверсией выходного сигнала. Зарубежным аналогом микросхем 564ЛА7 и К561ЛА7 является микросхема CD4011A.

Таблица 2.1.3.3 — Технические характеристики микросхемы К561ЛН2-инвертор

Из многочисленных серий цифровых интегральных схем на полевых транзисторах наибольшее распространение получили микросхемы на комплементарных, т. е. взаимно дополняющих, полевых транзисторах с изолированным затвором. Основой интегральной схемы является инвертор, он состоит из двух полевых транзисторов. Основным его преимуществом является малая статическая мощность, потребляемая от источника питания, что обеспечивается за счет отсутствия сквозного тока в статическом режиме. Эта уникальная способность инвертора положена в основу популярной микросхемы К561ЛН2. Микросхема К561ЛН2 представляет собой шесть логических элементов НЕ с буферным выходом. Микросхема имеет широкий диапазон рабочих напряжений от 3 до 15 В. Микросхема не имеет защитных диодов, подключенных к шине питания, это позволяет подавать на ее вход напряжение, превышающее допустимое, поэтому она может быть использована для согласования выходных уровней КМОП со входами ТТЛ-микросхем. В качестве других эксплуатационных характеристик стоит отметить ее высокую нагрузочную способность, высокое входное сопротивление и упрощенное сопряжение со слаботочными источниками входного напряжения. Исключительно малая потребляемая мощность этой микросхемы открыла широкую перспективу применения в технических устройствах с автономным питанием. Не маловажной особенностью микросхемы К561ЛН2 является ее быстродействие, что особенно популярно стало применение различного рода инверторах, генераторах, преобразователях, индикаторах.

Импортный аналог: CD4049.

Таблица 2.1.3.4 — Технические характеристики микросхемы КА561ИЕ15- программируемый счетчик

Счетчик КА561ИЕ15 имеет разнообразные применения. ИЕ15 представляет вычитающий счетчик — делитель, который может быть запрограммирован, чтобы делить входную частоту на любое число от 3 до 15 999. Выходной сигнал является импульсом с шириной равной периоду тактовой частоты, который повторяется с частотой в «N» раз меньше входной. Счетчик предустанавливается 16-ю входными сигналами. Зарубежным аналогом микросхемы К561ИЕ15 является микросхема CD4059A.

Таблица 2.1.3.5 — Технические характеристики микросхемы — К561ИЕ16 — 14-разрядный асинхронный счётчик

Микросхема К561ИЕ16 содержит 14-разрядный асинхронный счётчик (счётчик пульсаций), дающий на своих выходах Q0-Q13 16 384 двоичных отсчетов. Счетчик К561ИЕ16 имеет выходной каскад, формирующий (обостряющий) тактовые импульсы. Входная часть счетчика К561ИЕ16 (формирователь и первый триггер со схемой мастер-помощник). Выходной провод QO получает сигнал от буферного инвертора. Счетчик К561ИЕ16 сбрасывает выходные сигналы в нуль при напряжении высокого уровня на входе сброса R. Содержимое счетчика увеличивается согласно каждому отрицательному перепаду тактового импульса. Максимальная тактовая частота достигает 3 МГц, длительность импульса сброса должна превышать 550 нс. Зарубежным аналогом микросхемы К561ИЕ16 является микросхема CD4020A.

Таблица 2.1.3.6 — Технические характеристики микросхемы КР1561ГГ1 -генератор с фазовой автоматической подстройкой частоты

Микросхема КР1561ГГ1 применяется в преобразователях информации и в цифровых системах, для частотной и фазовой модуляции, демодуляции частотно модулированных сигналов, тактовой синхронизации и синтеза частоты, умножения частоты и аналогово-цифрового преобразования. ИС состоит из следующих функциональных блоков: фазового компаратора1 (логического элемента «исключающее или») и фазового компаратора 2 (реагирует на положительные перепады входных сигналов, имеющих общие входы); стабилитрона с Uст.=5,4 В; генератора, линейно управляемого напряжением, выдающего прямоугольные импульсы на выход U со скважностью 2. Частота генерации линейно зависит от напряжения на выводе, её диапазон определяется внешними С1, R1 и R2. Импортный аналог CD4046BE.

2.1.4 Обоснование выбора диодов

В схеме используется диоды КД522А и КД212А. Диод КД212А относится к классу «Выпрямительные диоды малой мощности». Диод КД522А относится к классу «Диоды универсальные и импульсные». Диоды универсальные и импульсные отличаются от выпрямительных малым временем обратного восстановления, или большой величиной импульсного тока. Диоды этой группы могут быть использованы в выпрямителях на высокой частоте, например, в качестве детектора или модуляторах, преобразователях, формирователях импульсов, ограничителях и других импульсных устройствах. Ниже представлены основные характеристики диодов.

Таблица 2.1.4.1 — Технические характеристики диодов КД522А и КД212А

Импортный аналог КД522А — 1N4148. Для диода КД212А — импортный аналог 1N1124.

2.1.5 Обоснование выбора транзисторов

Произведём выбор наиболее подходящих полупроводниковых приборов. Транзистор выбирается по максимальному значению тока коллектора IKmax, допустимой мощности рассеяния и максимально допустимым напряжением коллектор-эмиттер, которое должно быть выше напряжения источника питания. При выборе руководствуются также следующим: максимальный ток коллектора, выбирается с запасом ?1,5−2 раза. Не следует выбирать транзисторы со слишком большим запасом по допустимому току.

В схеме синтезатора используется три вида транзисторов — КТ209Б, КТ3117А-1, IRFS630A.

Таблица 2.1.5.1 — Технические характеристики биполярного транзистора КТ209Б

По техническим характеристикам биполярного транзистора малой мощности КТ209Б полностью удовлетворяет предъявляемым требованиям к разрабатываемому устройству. Заменять можно на любые маломощные кремниевые соответствующей структуры.

Таблица 2.1.5.2 — Технические характеристики транзистора КТ3117А-1

По техническим характеристикам и цене транзистор КТ209Б полностью удовлетворяет предъявляемым требованиям к разрабатываемому устройству. Заменять транзистор его аналогом следует с учетом его конкретной схемы применения и режима работы.

Таблица 2.1.5.3 — Технические характеристики силового полевого транзистора IRFS630A

Выбираем IRF630, как наиболее дешёвые и распространённые транзисторы и отличаются хорошими и надёжными показателями. Транзисторы IRF630 предназначены для работы в импульсных схемах (развёртки мониторов компьютеров, импульсные блоки питания) но при выведении их в режим близкий к линейному они дают хорошие показатели.

3. Расчетная часть

3.1 Расчет надежности

Расчет надежности производят на этапе разработки объекта для определения времени наработки на отказ устройства. В результате расчета должны быть определены количественные характеристики надежности объектов. Расчет производится по известным данным об интенсивности отказов элементов, составляющих рассматриваемый объект; в частности, надежность какой-либо сборочной единицы ЭВМ определяется значениями интенсивности отказов ЭРЭ и элементов конструкции, составляющих сборочную единицу. Расчет производится в соответствии с методическими рекомендациями [9]

В настоящее время имеются обширные справочные данные по интенсивности отказов ЭРЭ. Эти данные приводятся для нормальных температурных условий и для определенного электрического режима ЭРЭ.

Для определения среднего времени наработки на отказ произведём расчет надёжности на этапе проектирования. Для расчета задаются ориентировочные данные. В качестве температуры окружающей среды может быть принято среднее значение температуры внутри блока.

Для различных элементов при расчетах надёжности служат различные параметры. Для резисторов и транзисторов это допустимая мощность рассеяния, для конденсаторов допустимое напряжение, для диодов прямой ток.

Коэффициенты нагрузок для элементов каждого типа по напряжению могут быть определены по величине напряжения источника питания. Так для конденсаторов номинальное напряжение рекомендуется брать в 1,5−2 раза выше напряжения источника питания. Допустимую мощность рассеяния резисторов следует брать в качестве номинального параметра. Фактическое значение параметра надо брать на половину меньше.

Для конденсаторов номинальным параметром в расчете надежности считается допустимые значения напряжения на обкладках конденсатора. В большинстве схем этот параметр не указывается. Его следует выбирать исходя напряжения источника питания.

Для транзисторов номинальный параметр Рк берется и справочников.

Для диодов контролируемый параметр — величина прямого тока (из справочников). При увеличении коэффициента нагрузки интенсивность возрастает. Она также возрастает, если элемент эксплуатируется в более жестких условиях: при повышенной температуре, влажности, при ударах и вибрациях. В стационарной аппаратуре, работающей в отапливаемых помещениях, наибольшее влияние на надежность аппаратуры имеет температура.

В таблицу 3.1.4, 3.1.5 заносим данные из принципиальной схемы.

В 1-ую колонку заносится наименование элемента, его тип определяется по схеме. Часто в схемах не указывается тип конденсатора, а даётся только его ёмкость. В этом случае следует по емкости, и выбрать подходящий тип конденсатора в справочнике. Тип элемента заносится во вторую колонку.

В колонку 4 заносится температура окружающей среды.

Далее следует заполнить колонку 6, пользуясь теми рекомендациями, которые были приведены выше. Фактические параметры элемента необходимо выбирать руководствуясь рекомендациями таблицы 3.1.1.

Зная н определяем фактическое значение параметра и заполняем колонки 5 и 8. Если н в таблицу для элемента не указано, то следует ставить прочерк или брать н=0,5.

Колонка 7 заполняется по справочнику.

Таблица 3.1.1

Далее определяется коэффициент влияния (), которое показывает как влияние на интенсивность отказов окружающая элемент температура в связи с коэффициентом нагрузки. Находят () по таблице 3.1.2.

Таблица 3.1.2

Таблица 3.1.3

Определим произведение коэффициентов влияний

i = • о, где: (3.1.1)

i — произведение коэффициентов влияний;

— коэффициент влияния температуры;

о — интенсивность отказов.

В двенадцатой колонке определяем:

с = i • n, где: (3.1.2)

i — произведение коэффициентов влияний;

n — количество элементов.

Определим среднее время наработки на отказ:

где: (3.1.3)

Тср — среднее время наработки на отказ с — суммарное значение двенадцатой колонки Следует помнить, что? лc — число, умноженное на 10−6, т. е. при делении 10−6 перейдет в числитель.

Общая надежность устройства (таблица 3.1.4):

?лc = 9,0735· 10−6

Тср = 1/9,0735· 10−6

Тср = 106/9,0735= 110 211 часов.

3.2 Расчёт теплового сопротивления корпуса ИС микросхемы DD6

При использовании тепловых режимов некоторых конструкций возникает задача определения теплового сопротивления от интегральной схемы к корпусу блока. Определим тепловое сопротивление при передаче тепловой энергии от корпуса ИС к блоку по твёрдым частям конструкции. Элементы конструкции, по которым передаётся тепло: зазор между корпусом ИС и теплопроводящей шиной заполнен теплопроводящим материалом; от шины тепло передаётся через тепловые контакты на каркас субблока и от каркаса субблока к стене блока. Расчет производится в соответствии с методическими рекомендациями.

Полное тепловое сопротивление

Rполн. = R3 + Rш1 + Rш2 + Rст + Rк, где

R3 — тепловое сопротивление зазора

Rш — тепловое сопротивление между шиной и сторонами каркаса

Rст — тепловое сопротивление контакта шина — каркас субблока

Rк — тепловое сопротивление стенки каркаса Рассчитать тепловое сопротивление от корпуса ИС Исходные данные:

Площадь основания корпуса Sk = 16•14,5•10−6 (м2) =232,0•10−6 м2

Толщина зазора между корпусом ИС и шиной h3 (м) 0,3 • 10−2

Коэффициент теплопроводности материала, заполняющего зазор Л3 = 1.5 (ВтмК) Материал зазора — Ситалл Размер шины: ширина bш =0,02(м), высота hш =0,5 • 10−3 (м) Расстояние от ИС от стенок каркаса L1 =61 • 10−3 (м), L2 =31 • 10−3 (м) Материал шины — Медь Коэффициент теплопроводности шины Лш = 400 (ВтмК) Удельная тепловая проводимость контакта шина — каркас (медь-алюминий) бк1 = бк2 = 12•104(Втм2К) Длина стенки каркаса Lk =90 • 10−3 (м) Толщина стенки каркаса hk =2 • 10−3 (м) Ширина стенки каркаса bk =70 • 10−3 (м) Материал каркаса и его коэффициент теплопроводности Лk = 196 (ВтмК) — Алюминий.

Расчёт:

Определяем тепловое сопротивление зазора

R3 = h3 (Л3? Sк) (3.2.1)

R3 = 0,3 • 10−2 (1,5 • 232,0•10−6) = 3000 348= 8,620 (К/Вт) Где h3 — толщина зазора в (м) Л3 — коэффициент теплопроводности материала зазора

Sk — площадь основания корпуса Л3 — берём из таблицы 3.2.1

Таблица 3.2.1

Найдём площадь поперечного сечения теплопроводящей шины

Sш = bш•hш (3.2.2)

Sш = 0,02 • (0,5•10−3) = 1•10−4 (м2)

Определим тепловые сопротивления между шиной и сторонами каркаса

Rш1 = L1 (Лш•Sк) (3.2.3)

Rш1 = 61•10−3 (400 • (232•10−6)) = 610 928= 0,657 (К /Вт)

Rш2 = L2/(Лш•Sк) (3.2.4)

Rш2 = 31•10−3 (400 • (232•10−6)) = 310 928= 0,334 (К/Вт) Определим тепловое сопротивление контакта шины с каркасом Площадь контакта:

Sк1 = bш•hк (3.2.5)

Sк1= 0,02 (2 • 10−3) = 4•10−5 (м2), где bш — ширина шины;

hк — толщина стенки корпуса

Rк1 = 1/ (бк1 • Sк1) (3.2.6)

Rк1 = 1/ (12•104) • 4•10−5 = 0,208 (К/Вт) бк1 находим из таблицы 3.2.2.

Таблица 3.2.2

Находим тепловое сопротивление стенки каркаса

Rст = bk / (Лk ?bk? Lk) (3.2.7)

Rст = 70•10−3/ 196(70•10−3•90•10−3) = 100 1764= 0,057(К/Вт) Где bk — ширина корпуса Находим тепловое сопротивление контакта

Rк2 = 1/(бк2 • Sk2) (3.2.8)

Rк2 = 1/ 12• 10−4• 0.18•10−3 = 1 21,6= 0,0463 К/Вт, где Sk2 = hк•Lk (3.2.9)

Sk2 = (2 • 10−3) • (90•10−3) = 0,18•10−3 м2

Где Lk — длина стенки корпуса Полное тепловое сопротивление

Rполн. = R3 + Rш1 + Rш2 + Rст + Rк + Rк К/Вт (3.2.10)

Rполн. = 8,62+ 0,657+ 0,334+ 0,057 + 0,208+ 0,0463= 9,9223 К/Вт По расчету теплового сопротивления корпуса ИС микросхемы DD1 получены данные, что тепловое сопротивление незначительно, следовательно, введение теплоотводящей шины не нужно.

3.3 Расчет коэффициента заполнения печатной платы

Расчет коэффициента заполнения печатной платы можно сделать по сборочному чертежу платы. Для этого надо измерить площадь, занимаемую элементом вместе с выступающими за корпус выводами (посадочное место). В плане (плоскости) все посадочные места можно рассматривать как прямоугольники и окружности. Как известно, площадь прямоугольника равна произведению длины на ширину прямоугольника, а площадь круга

S = рDІ/4,

где

D — диаметр круга, а р — физическая константа, равная 3,14

Расчет следует вести с использованием таблицы 3.3.1.Расчет производится в соответствии с методическими рекомендациями [9]

Таблица 3.3.1

Таблица заполняется, после чего надо сложить все цифры последнего столбца. Таким образом, будет найдена площадь, занимаемая всеми элементами схемы S элемент. Площадь печатной платы — S платы равна произведению ее длины на ширину.

S элемент = 1779,46 ммІ

Sплаты= 90 · 70 = 6300 ммІ

Коэффициент заполнения печатной платы:

К зап. = S элемент / S платы • 100% (3.2.1)

К зап. = 1779,46 / 6300 • 100% = 28,25%

3.4 Расчёт узкого места

Рассчитаем минимальный диаметр контактной площади

Dkmin = 2Bm + d0 + 1,5hф + 2л + C1, (3.4.1)

D kmin = 2•0,025 + 1,2 + 1,5•0,4 + 2•0,27 + 0,3 = 2,69(мм),

где Bm — расстояние от края просверленной линии до края контактной площади (см. табл. 3.4.1);

d0 — номинальный диаметр металлизированного отверстия;

hф — толщина фольги.

л = м L100, -изменение длины печатной платы при нестабильности линейных размером. л = 0,3•90/100 = 0,27

где L — размер большей длины печатной платы м — изменение контактной площади при нестабильности линейных размеров (обычно 0,3 мм) С1 — поправочный коэффициент (см. табл. 3.4.2)

С1 учитывает погрешности при центровке, сверлении, при изготовлении фотошаблона и др.

Толщина фольги — 0,3 — 0,5 (мм) Печатные платы размером более 240•240мм — 1 класс плотности Для плат размером менее 240•240 мм и больше 170•170мм — 1 и 2 классы плотности, платы меньших размеров 3 класс плотности. Расчет производится в соответствии с методическими рекомендациями.

Таблица 3.4.1

Таблица 3.4.2

Рассчитаем максимальный диаметр контактной площади

Dkmax = 2Bm + d0 + 1.5hф + 2л + C2, (3.4.2)

D kmax = 2• 0,025 + 1,2 + 1,5•0,4 + 2•0,27 + 0,35 = 2,74 (мм)

C2 — поправочный коэффициент (см. табл. 3.4.3)

Таблица 3.4.3

Минимальное расстояние для прокладки n проводников между двумя контактными площадками должно обеспечиваться при максимальном диаметре контактной площади и максимальной ширине проводника с учётом погрешности ш (см. табл. 3.4.4)

Таблица 3.4.4

Минимальное расстояние для прокладки n проводников

Lmin = 0,5(Dk1min + Dk2max) + 2 ш + (Tmax +ш)n + S (n+1), (3.4.3)

Lmin = 0,5 (2,69+ 2,74) + 2 · 0,03 + (0,24+ 0,03) 3+ 0,250 (3+1)=4,59 (мм) где Tmax = T + ш + 2э, (3.4.4)

Tmax = 0,150 + 0, 03 + 2•0,03 = 0,24 (мм) э — погрешность при экспонировании (см. табл. 3.4.4)

Таблица 3.4.5

Из расчета следует, что минимальное расстояние для прокладки 3 проводников равно 4,59 мм.

4. Конструкторская часть

4.1 Обоснование разработки трассировки печатной платы

Синтезатор выполнен на односторонней печатной плате толщиной 1,5 мм (рис. 4.1). Она изготовлена методом термического переноса рисунка проводников на поверхность фольги с его распечатки на лазерном принтере. Номера монтажных отверстий на плате, предназначенных для проводов, идущих к переключателям, совпадают с номерами проводов жгута на схеме. В эти отверстия, а также в те, которые предназначены для проводов питания и нагрузки, желательно установить монтажные штыри[10].

Рисунок 4.1 — Трассировка печатной платы простого средневолнового синтезатора частоты Трассировка соединений является, как правило, заключительным этапом конструкторского проектирования РЭА и состоит в определении линий, соединяющих контакты элементов, и компонентов, составляющих проектируемое устройство. Задача трассировки — одна из наиболее трудоемких в общей проблеме автоматизации проектирования РЭА. Это связано с несколькими факторами, в частности с многообразием способов конструктивно-технологической реализации соединений, для каждого из которых при алгоритмическом решении задачи применяются специфические критерии оптимизации и ограничения. С математической точки зрения трассировка — наисложнейшая задача выбора из огромного числа вариантов оптимального решения.

Одновременная оптимизации всех соединений при трассировке за счет перебора всех вариантов в настоящее время невозможна. Поэтому разрабатываются в основном локально оптимальные методы трассировки, когда трасса оптимальна лишь на данном шаге при наличии ранее проведенных соединений.

Основная задача трассировки формулируется следующим образом: по заданной схеме соединений проложить необходимые проводники на плоскости, чтобы реализовать заданные технические соединения с учетом заранее заданных ограничений. Основными являются ограничения на ширину проводников и минимальные расстояния между ними.

Исходной информацией для решения задачи трассировки соединений обычно являются список цепей, параметры конструкции элементов и коммутационного поля, а также данные по размещению элементов. Критериями трассировки могут быть процент реализованных соединений, суммарная длина проводников, число пересечений проводников, число монтажных слоев, число межслойных переходов, равномерность распределения проводников, минимальная область трассировки и т. д. Часто эти критерии являются взаимоисключающими, поэтому оценка качества трассировки ведется по доминирующему критерию при выполнении ограничений.

Чертежи печатных плат выполняются на бумаге, имеющей координатную сетку, нанесенную с определенным шагом. Наличие сетки позволяет не ставить на чертеже размеры на все элементы печатного проводника.

Координатную сетку наносят на чертеж с шагом 2,5 или 1,25 мм. Шаг 1,25 мм. применяют в том случае, если на плату устанавливают многовыводные элементы с шагом расположения выводов 1,25 мм. Центры монтажных и переходных отверстий должны быть расположены в узлах координатной сетки. Если устанавливаемый на печатную плату элемент имеет два вывода или более, расстояние между которыми кратно шагу координатной сетки, то отверстие под все такие выводы должны быть расположены в узлах сетки. Если устанавливаемый элемент не имеет выводов, расстояние между которыми кратно шагу координатной сетки, то один вывод следует располагать в узле координатной сетки, а центр отверстия под другой вывод — на вертикальной или горизонтальных линиях координатной сетки.

Диаметр отверстия в печатной плате должен быть больше диаметра вставляемого в него вывода, что обеспечит возможность свободной установки радиоэлемента. При диаметре вывода до 0,8 мм диаметр не металлизированного отверстия делают на 0,2 мм больше диаметра вывода; при диаметре вывода более 0,8 мм — на 0,3 мм больше.

Диаметр не металлизированного отверстия зависит от диаметра вставляемого в него вывода и от толщины платы. Связано это с тем, что при гальваническом осаждении металла на стенках отверстия малого диаметра, сделанного в толстой плате, толщина слоя металла получатся не равномерной, а при большем отношении длины к диаметру некоторые места могут остаться не покрытыми. Диаметр металлизированного отверстия должен составлять не менее половины толщины платы.

Чтобы обеспечить надежное соединение металлизированного отверстия с печатным проводником, вокруг отверстия делают контактную площадку. Контактные площадки отверстий рекомендуется делать в виде кольца. Печатные проводники рекомендуются выполнять прямоугольной конфигурации, располагая их параллельно линиям координатной сетки.

Проводники на всем их протяжении должны иметь одинаковую ширину. Если один или несколько проводников проходит через узкое место, ширина проводников может быть уменьшена. При этом длина участка, на котором уменьшена ширина, должна быть минимальной.

4.2 Обоснование разработки компоновки печатной платы

Наиболее ответственным этапом конструирования радиоаппарата является компоновка. От компоновки зависит, будет ли аппарат отвечать поставленным требованиям, станет ли он удобным в обращении, легким в изготовлении и изящным.

Перед компоновкой радиоаппаратуры надо выбрать тип конструкции, которая может быть следующими:

свободной (плоскостной), когда все детали размещены на одном шасси; эта конструкция наиболее часто применяется как в заводской, так и в радиолюбительской аппаратуре;

объемной, когда радиодетали заполняют весь объем прибора (блока) в несколько этажей; такую конструкцию радиолюбители применяют редко, так как в этом случае затруднен доступ к радиодеталям;

блочной, которая характеризуется разделением всего устройства на ряд отдельных блоков; такая конструкция применяется в телевизорах и других сложных радиоустройствах.

В радиоаппаратуре могут сочетаться различные типы конструкций. Например, объемная конструкция может быть получена из нескольких расположенных друг над другом плоскостных конструкций. После выбора типа конструкции следует решить вопрос о материалах, из которых будут изготовлены шасси, а также корпус.

Печатная плата — пластина из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой. Если радиоэлементы имеют штыревые выводы, то их устанавливают в отверстия печатной платы и запаивают. Если корпус ЭРЭ имеет планарные выводы, то их припаивают к соответствующим площадкам внахлест.

ЭРЭ со штыревыми выводами нужно устанавливать на плату с одной стороны (для плат с односторонней фольгой — на стороне, где нет фольги). Это обеспечивает возможность использования высокопроизводительных процессов пайки, например пайка «волной». Поэтому их можно располагать с двух сторон печатной платы. При этом обеспечивается большая плотность монтажа, так как на одной и той же плате можно разместить большее количество элементов.

В зависимости от конструкции конкретного типа элемента и характера механических воздействий, действующих при эксплуатации (частота и амплитуда вибрации, значение и длительность ударных перегрузок и др.), ряд элементов нельзя закреплять только пайкой за выводы — их нужно крепить дополнительно за корпус.

Крепление за корпус в зависимости от конструкции и массы элементов можно производить приклейкой к плате специальными мастиками или клеями, прилакировкой в процессе влагозащиты печатного узла, заливкой компаундом, привязкой нитками или проволокой, с помощью скоб, держателей и другими методами.

ЭРЭ должны располагаться на печатной плате так, чтобы осевые линии их корпусов были параллельны или перпендикулярны друг другу. Это обеспечит при необходимости возможность применения специальных машин для автоматической установки и пайки ЭРЭ на печатной плате. На платах с большим количеством микросхем в однотипных корпусах их располагать правильными рядами.

Зазор между корпусами должен быть менее 1,5 мм (в одном из направлений). Указанный зазор необходим для возможности захвата микросхемы специальными устройствами при автоматической установке. Планарные корпуса нужно располагать длинной стороной вдоль направления конвекционного потока воздуха. При этом улучшается охлаждение микросхемы.

Элементы, имеющие большую массу, следует размещать вблизи мест крепления платы или выносить их за пределы платы и закреплять на шасси аппарата.

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 полиамидных материалов, таких как капрон.

Так как печатные платы имеют малые расстояния между проводниками, то воздействие влаги может привести к таким ухудшениям сопротивления изоляции, при которой будет нарушаться нормальная работа схемы. Поэтому печатные узлы, которые будут работать в сложных климатических условиях, необходимо покрывать слоем лака. Используемые для этого лаки должны иметь следующие свойства: хорошую адгезию к материалу платы и печатным проводникам; малую влагопоглощаемость; большое сопротивление изоляции; способность быстро высыхать при невысокой плюсовой температуре; отсутствие растрескивания в диапазоне рабочих температур. Наиболее часто для покрытия печатных плат используют лак УР — 231.

При установке ЭРЭ на печатные платы необходимо обеспечивать:

работоспособность ЭРЭ в условиях, соответствующих эксплуатационным требованиям к ЭВМ;

удаление ИМС и других полупроводниковых приборов от наиболее тепловыделяющих элементов;

необходимые зазоры вокруг ЭРЭ и радиаторов с большим выделением тепла для прохождения охлаждающих потоков воздуха; установку ЭРЭ на изоляционные прокладки, если под ними проходит печатный монтаж;

защиту ЭРЭ и монтажа, расположенных вблизи ручек, используемых для вставления и вынимания ячеек;

свободный доступ к любому ЭРЭ для его замены в ячейках ремонтопригодной конструкции, а также подборочным и регулировочным элементам;

возможность выполнения технологических процессов ручной или механизированной установки ЭРЭ и групповой пайки;

возможность нанесения влагозащитного покрытия без попадания на места, не подлежащие покрытию (контакты разъемов, контрольные точки);

расположение наиболее массивных ЭРЭ и элементов конструкции (радиаторов, разъемов) ближе к местам крепежа платы для ячеек ЭВМ, работающих при значительных механических нагрузках.

В ячейках различной конструкции и назначения предусматриваются:

ручки или специальные отверстия и прорези в печатных платах для вынимания ячеек из ЭВМ;

контрольные точки для определения правильности функционирования ячеек в составе ЭВМ или при их предварительной проверке;

внешние контакты ячеек под пайку или накрутку в составе сборочных единиц более высоких КТУ;

шины подводки напряжений питания к ИМС;

металлические накладки и рамки для окантовки печатных плат ячеек-ТЭЗ, используемых в условиях значительных механических воздействий;

узлы крепления печатных плат к таким накладкам и рамкам, замки, обеспечивающие надежное крепление рамочных ячеек-ТЭЗ в составе ЭВМ.

После выбора типа конструкции следует решить вопрос о материалах, из которых будут изготовлены шасси, а также корпус (ящик) аппарата.

Устройство собрано на печатной плате из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита толщиной 1,5 мм сторон; чертеж платы и расположение на ней деталей показаны на рисунке 4.2.1.

Рисунок 4.2.1 — Сборочный чертеж платы простого средневолнового синтезатора частоты Транзистор VT3 и стабилизатор напряжения DA1 находятся на общем теплоотводе (не забывайте смазать их посадочные места теплопроводной пастой КПТ-8), изготовленном из алюминиевого листа.

Транзистор VT3 необходимо устанавливать на теплоотвод через изолирующую прокладку. Длинное плечо теплоотвода зафиксировано на плате проволочным хомутом.

4.3 Описание конструкции синтезатора

В устройстве использованы постоянные резисторы Постоянные резисторы — МЛТ или аналогичные. Подстроечный резистор R6 — СПЗ-38а. Конденсатор С2 (это может быть, например, К73−24) должен быть с органическим диэлектриком. Конденсатор С4 — подстроечный КТ4−24. Конденсаторы С1, СЗ, С7- С10 — любые керамические подходящего размера. Оксидные конденсаторы также любые, подходящие по размеру и номинальному напряжению.

Микросхему КА561ИЕ15А можно заменить на 564ИЕ15, но она, к сожалению, дороже, так как содержит золото. Вместо К561ЛА7 будет без изменения схемы и платы работать микросхема К561ЛЕ5. Транзисторы VT1, VT2 можно принять любые маломощные кремниевые соответствующей структуры.

Переключатели SA1 и SA2 — П2Г-3 соответственно 4П4Н и 10П4Н или любые другие галетные, подходящие по числу положений и направлений. Кварцевый резонатор — РГ-06 или РК170.

5. Технологическая часть

5.1 Технология изготовления печатных плат

Печатные платы являются основными конструктивными единицами любой радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры, так как печатный монтаж обеспечивает повторяемость параметров от образца к образцу, дает возможность точно и просто идентифицировать (узнавать) установленные на плату элементы. Обеспечивает высокую надежность изделий за счет использования стандартных, хорошо отработанных технологических процессов их изготовления. Преимущество печатного монтажа заключается также в компактности аппаратуры и уменьшении ее массы.

Многообразие сфер применения электроники обусловило совместное существование различных типов печатных плат:

односторонние печатные платы;

двусторонние печатные платы;

многослойные печатные платы;

гибкие печатные платы;

рельефные печатные платы;

высокоплотная односторонняя печатная плата.

Односторонние платы по-прежнему составляют значительную долю выпускаемых в мире печатных плат. Маршрут изготовления односторонних плат традиционно включает сверление, фотолитографию, травление медной фольги, защиту поверхности и подготовку к пайке, разделение заготовок. Альтернативой фотохимическому способу изготовления односторонних плат является фрезерование проводящего слоя в медной фольге на двух координатных фрезерных станках с ЧПУ.

Двухсторонние платы широко используются, что объясняется своеобразным компромиссом между их относительно малой стоимостью и достаточно высокими возможностями. Технологический процесс изготовления двухсторонних плат, также как односторонних, является частью более общего процесса изготовления многослойных ПП. Однако для двухсторонних плат не требуется применять прессования слоев, значительно проще выполняется очистка отверстий после сверления.

Многослойные печатные платы (далее МПП) составляют две трети мирового производства печатных плат в ценовом исчислении, хотя в количественном выражении уступают однои двухсторонним платам.

По своей структуре МПП значительно сложнее двухсторонних плат. Они включают дополнительные экранные слои (земля и питание), а также несколько сигнальных слоев.

Для обеспечения коммутации между слоями МПП применяются межслойные переходы. Они могут выполняться в виде сквозных отверстий, соединяющих внешние слои между собой и с внутренними слоями, применяются также глухие и скрытые переходы.

Глухой переход — это соединительный металлизированный канал, видимый только с верхней или нижней стороны платы. Скрытые же переходы используются для соединения между собой внутренних слоев платы. Их применение позволяет значительно упростить разводку плат, например, 12-слойную конструкцию МПП можно свести к эквивалентной 8-слойной коммутации.

Специально для поверхностного монтажа разработаны микропереходы, соединяющие между собой контактные площадки и сигнальные слои.

Для изготовления МПП производится соединение нескольких ламинированных фольгой диэлектриков между собой, для чего используются склеивающие прокладки — препреги. Поэтому толщина МПП растет непропорционально быстро с ростом числа сигнальных слоев.

В связи с этим необходимо учитывать большое соотношение толщины платы к диаметру сквозных отверстий. Например, для МПП с диаметром отверстий 0,4 мм и толщиной 4 мм это соотношение равно 10:1, что является весьма жестким параметром для процесса сквозной металлизации отверстий.

Тем не менее, даже учитывая трудности с металлизацией узких сквозных отверстий, изготовители МПП предпочитают достигать высокой плотности монтажа за счет большего числа относительно дешевых слоев, нежели меньшим числом высокоплотных но, соответственно, более дорогих слоев.

В современных МПП широко применяется поверхностный монтаж всех видов современных интегральных схем, включая, как это показано на рисунке, бескорпусных схем, заливаемых компаундом после разварки выводов.

Использование гибких диэлектрических материалов для изготовления печатных плат дает как разработчику, так и пользователю электронных устройств ряд уникальных возможностей. Это прежде всего — уменьшение размеров и веса конструкции, повышение эффективности сборки, повышение электрических характеристик, теплоотдачи и в целом надежности.

Если учесть основное свойство таких плат — динамическую гибкость — становится понятным все возрастающий объем применения таких плат в автомобилях, бытовой технике, медицине, в оборонной и аэрокосмической технике, компьютерах, в системах промышленного контроля и бортовых системах.

Гибкие печатные платы (ГПП) изготавливаются на полиимидной или лавсановой пленке и поэтому могут легко деформироваться даже после формирования проводящего рисунка. Большая часть конструкций гибких ПП аналогична конструкциям печатных плат на жесткой основе.

Существует множество материалов для печатных плат. Они выполняют роль диэлектрика и различаются своими электрическими, механическими и температурными особенностями. Основой печатной платы служит диэлектрик, наиболее часто используются такие материалы, как текстолит, стеклотекстолит, гетинакс.

5.2 Настройка простого средневолнового синтезатора частоты

Безошибочно собранный из заведомо исправных элементов синтезатор не требует налаживания, необходимо лишь выставить подстроечным конденсатором С4 частоту кварцевого генератора с точностью ±2 Гц. Её контролируют на выводе микросхемы DD1.

Подстроечным резистором R6 добиваются получения максимально неискаженного сигнала несущей на эквиваленте антенны.

6. Организационная часть

6.1 Организация рабочего места оператора при эксплуатации электронной аппаратуры

Для успешного монтажа электрои радиоаппаратуры необходимо знать правила выполнения монтажных работ и их технологические особенности. Надо также знать, в каких условиях будет работать данный прибор, чтобы обеспечить удобство его ремонта при эксплуатации, замены отдельных деталей, доступность проверки работы цепей и блоков. Рабочим местом монтажника является монтажный стол или верстак, оснащенный необходимым оборудованием и приспособлениями.

Правильная организация рабочего места существенно влияет на производительность труда рабочего и качество выполняемой продукции. На рабочем месте монтажника размещают все необходимые для выполнения текущей работы инструменты, детали и оборудование. Последним дополнением к рабочему столу монтажника являются кассы, которые служат для хранения крепежных деталей и монтируемых радиодеталей. Они могут иметь самую разнообразную конструкцию. Инструменты раскладывают по ящикам стола в строгом порядке — по группам применения. Нельзя хранить в одном ящике измерительные, монтажные, сборочные и слесарные инструменты. Размещение инструментов в ящике должно быть продумано. Лучше всего хранить инструменты в ящиках со специально изготовленными для них гнездами, подобно тому, как это делается в готовальне. Измерительные инструменты обычно выдают монтажнику из инструментальной кладовой в специальных футлярах или укладочных ящиках, поэтому гнезд для их укладки в ящике не требуется.

Иногда с правой стороны стола крепят тиски, на которых выполняют мелкие слесарные работы, встречающиеся при сборки или монтаже радио аппаратуры. Паяльник устанавливают на подставку. Для включения паяльника устанавливают колодку с несколькими штепсельными гнездами, к которым подводят напряжение от различных отводов обмотки трансформатора.

На одно рабочее место монтажника устанавливают определенный трансформатор, рассчитанный на одно рабочее место. При установке трансформатора или колодки шнур располагают вне стола, что бы нечего не мешало передвижению паяльника. Подставку для паяльника изготавливают вместе с коробкой, разделенной на две части — для флюса и припоя. На дно коробки кладут прессшпан или плотную бумагу, которые при загрязнении флюсом выбрасывают в месте с ним. Количество флюса в коробке не должно превышать 4−5см3, его часто надо менять полностью. Припой также кладут в коробку в небольшом количестве, так как загрязненный нагаром и окалиной стержня паяльника он требует больше времени для плавлении, чем чистый. Загрязненный припой собирают в одно место для переплавки.

Стол монтажника должен быть хорошо освещен дневным светом. При искусственном освещение применяют лампочку не более 40−60Вт, создающие вполне достаточную освещенность рабочего места на расстоянии 0,5−0,75 м от освещаемой плоскости. Свет должен падать равномерно; теней, затрудняющих работу монтажника, должно быть, возможно, меньше. При правильном освещении рабочего места не должно быть ослепляющего воздействия на глаза источника света, вызванного его чрезмерной яркостью. Очень удобна арматура с раздвижным или поворотным кронштейном и глубоким отражателем, в котором лампочка утопает целиком.

Технологическую карту помещают в рамку и располагают на специальном кронштейне, что бы она всегда находилась в поле зрения монтажника. Объект монтажа располагают в нормальной зоне движения рук рабочих.

Для удаления вредных испарений и продуктов горения, образующих в процессе пайки или сварки, на рабочем месте оборудуют вытяжную вентиляцию. Если применяют электросварку в монтажных соединениях, рабочее место снабжают специальными щитами или занавесками, защищающими глаза от вредного воздействия дневного света сварочной дуги исходящей от соседних рабочих мест.

Что бы предохранить монтируемый прибор от повреждений, на рабочий стол монтажника укладывают коврик из губчатой резины, а для хранения легко воспламеняющих жидкостей используют металлический ящик.

7. Экономическая часть

7.1 Расчет себестоимости простого средневолнового синтезатора частоты

Себестоимость — изделия, детали представляет собой сумму затрат в денежном выражении на производство и реализацию, приходящихся на единицу продукции.

В дипломном проекте рассчитываются цеховая, производственная, полная себестоимость.

Калькуляция — расчёт затрат на производство и реализацию единицы продукции по калькуляционным статьям расходов. В электронной промышленности в качестве калькуляционной единицы, как правило, принимается 1 или 1000 изделий.

Методика расчёта калькуляционных статей расходов приводится.

Статья № 1. Сырьё и основные материалы.

В эту статью включаются затраты на сырьё и основные материалы, которые образуют основу изготовляемой продукции или являются необходимыми компонентами при её изготовлении. Кроме затрат на основные материалы к полученному итогу добавляются надбавки на транспортные и заготовительные расходы в размере от 5…10% и исключается сумма, получаемая от реализации отходов в размере 1…2% от стоимости сырья и основных материалов. Стоимость всех материалов рассчитывается по оптовым ценам, установленным в действующих прейскурантах. Данные приведены в таблицах № 7.1.1 и 7.1.2.

Таблица 7.1.1 — Расчет материала на изготовление изделия

Таблица 7.1.2 — Ведомость основных материалов и расчет их стоимости

Статья№ 2.Покупные комплектующие изделия полуфабрикаты.

В эту статью включаются затраты на приобретение готовых изделий и полуфабрикатов, требующих дополнительных затрат труда на их обработку или сборку при укомплектовании выпускаемой продукции. Расчёт стоимости покупных полуфабрикатов и комплектующих изделий, производится аналогично расчёту стоимости основных материалов. Стоимость рассчитывается по оптовым ценам, установленным в действующих прейскурантах. Все выявленные данные по расходу радиодеталей и узлов в конечном счёте сводятся в таблицу № 7.1.3.

Таблица 7.1.3 — Расчет стоимости покупных комплектующих деталей

Статья № 3. Основная заработная плата производственных рабочих.

В эту статью включаются затраты на основную заработную плату как производственных рабочих, непосредственно связанных с изготовлением продукции. В состав основной заработной платы включаются: оплата операций и работ по сдельным нормам и расценкам.

Статья № 4. Дополнительная заработная плата производственных рабочих.

В эту статью включаются затраты на выплаты, предусмотренные законодательством о труде или коллективными договорами за не проработанное на производстве время: компенсация за неиспользованный отпуск; оплата льготных часов подростков; оплата времени, связанного с выполнением государственных и общественных обязанностей; выплата вознаграждения за выслугу лет и др. Принимается в размере 10−20% от основной зарплаты.

Таблица 7.1.4 — Маршрут изготовления устройства

Таблица 7.1.5 — Расчет трудоемкости и заработной платы основных производственных рабочих

Статья № 5. Отчисления на социальное страхование В эту статью включаются отчисления на социальное страхование по установленным нормам от суммы основной и дополнительной заработной платы производственных рабочих.

Осоц.ст = (Зосн + Здоп)? 30,2% / 100%

О соц.ст.= 148,86 · 0,302 = 44,95 руб.

Статья № 6. Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования В эту статью включаются затраты на содержание, амортизацию и текущий ремонт производственного оборудования, цехового транспорта, приборов, рабочих мест. С разрешения вышестоящих организаций иногда допускается распределение расходов на содержание и эксплуатацию оборудования между отдельными видами изделий пропорционально основной заработной плате производственных рабочих.

Исходные данные для расчёта затрат на содержание и эксплуатацию оборудования при определении себестоимости изделия берутся на предприятии, где будет изготавливаться проектируемое изделие в размере 80−300% от З осн. Например, если 100%, то Рсэо =100%? Зосн / 100%

Рсэо = 135,33 руб.

Статья № 7. Цеховые расходы В эту статью включаются затраты на заработную плату аппарата управления цехом; амортизация и затраты на содержание и текущий ремонт зданий, сооружений и инвентаря общецехового назначения; затраты на реализацию и изобретательство цехового характера; затраты на мероприятия по охране труда и другие расходы цеха, связанные с управлением обслуживания производства.

Для большинства предприятий этот процент составляет от 80 до300.

Например, если процент цеховых расходов равен 100, то цеховые расходы составляют:

Цр = 100/100 (Зосн + Рс.э.о.),

Цр =135,33 +135,33 =270,66 руб.

Найдем цеховую себестоимость:

СЦ = М + ППОК + ЗОБ + ОСОЦ. СТ + РСЭО + ЦР Сц = 201,79+988,46+148,86+ 44,95 + 135,33 + 270,66 =1790,05 руб.

Статья № 8. Общезаводские расходы В эту статью включаются затраты, связанные с управлением предприятия и организацией производства в целом. Общезаводские расходы определяются исходя из процента общезаводских расходов, принятого по данным предприятия, где предполагается организовать производство проектируемого объекта, и основной заработной платы производственных рабочих (без доплат по прогрессивно-премиальным системам) и расходов на содержание и эксплуатацию оборудования. Для большинства предприятий этот процент составляет от 80 до300.

Общезаводские расходы составят:

ОЗР = 80 / 100 (Зосн + Рс.э.о.),

ОЗР =(135,33 +135,33)0,8 =216,53 руб.

Найдем производственную себестоимость:

СПР = СЦ + ОЗР Спр. =1790,05 +216,53 =2006,58 руб.

Статья № 9. Внепроизводственные расходы В эту статью калькуляции включаются расходы, связанные с упаковкой и отправкой готовой продукции. Обычно их размер принимается 2…4% от производственной стоимости.

После расчёта всех статей расходов необходимо составить сводную таблицу 7.1.6.

Полная себестоимость СПОЛ = СПР + РВПР Спол.= 2006,58 +40,13=2046,71 руб.

Таблица 7.1.6 — Плановая калькуляция

8. Охрана труда

8.1 Техника безопасности при эксплуатации электронной аппаратуры

резистор синтезатор плата частота Радиоэлектронным называется оборудование, принцип действия которого основан на использовании радиотехнических устройств, электронных, ионных, полупроводниковых и квантовых приборов.

Безопасность работ с радиоэлектронным оборудованием и содержание его в исправном состоянии регламентируются правилами техники безопасности и производственной санитарии в электронной промышленности, ПТЭ и ПТБ при эксплуатации электроустановок потребителей.

Лицам, допускаемым к работам с радиоэлектронным оборудованием, присваиваются 2−5 квалификационные группы по технике безопасности, соответствующие ПТБ и ПСЭБ, одновременно с проверкой знаний ПТЭ и ПТБ.

По обеспечению мер безопасности и организации условий работы радиоэлектронное оборудование на малои крупногабаритное.

К малогабаритному радиоэлектронному оборудованию относится оборудование одноблочного и многоблочного исполнения, которое по своей массе и габаритам может быть рабочем столе или на тележке около него, а также стойки с вставными блоками размерами в плане не более 700Ч700 мм.

К крупногабаритному относится однокорпусное, многокорпусное и бескорпусное оборудование, состоящее из одного и более блоков, которое устанавливается на полу.

Изготовление каркасов, шасси оборудования на слесарно-механических участках необходимо проводить с соблюдением требований техники безопасности при холодной и горячей обработке металлов.

При монтаже радиоэлектронного оборудования следует соблюдать требования электробезопасности и работать только исправным электрооборудованием. При работе с электродрелью необходимо применять диэлектрические резиновые перчатки.

Электропаяльник и лампы для местного освещения необходимо применять напряжением не более 42 В Для понижения сетевого напряжения 220и 127 В до 42 В следует применять понижающий трансформатор. Один конец вторичной обмотки трансформатора и металлический кожух необходимо заземлять.

При подключении аппаратуры к цеховой сети следует применять штепсельные разъемы. В случае неисправности в сетевой проводке необходимо вызвать электромонтера.

При монтаже радиосхем запрещается:

проверять на ощупь наличие напряжения и нагрев токоведущих частей схемы;

применять для соединения блоков и приборов провода с поврежденной изоляцией;

производить пайку и установку деталей оборудовании, находящемся под напряжением;

измерять напряжения и токи переносными приборами с неизолированными проводами и щупами;

подключать блоки и приборы к оборудованию, находящемуся под напряжением;

заменять предохранители во включенном оборудовании, работать на высоковольтных установках без защитных средств.

Экспериментальные работы заключаются в макетировании и обследовании радиоэлектронного оборудования, а также проверке работоспособности экспериментального образца изделия электронной техники.

Эксперименты проводят не менее двух человек — инженерно — технический работник с квалифицированной группой по технике безопасности (ТЮ) не ниже 4 и высококвалифицированный рабочий с группой по ТБ не ниже 3.

Место проведения экспериментальных работ должно быть обеспечено временными ограждениями, экранами и защитными средствами.

Оборудование, используемое в эксперименте, должно присоединиться к отдельному электрощиту или отдельной группе предохранителей электрощита, имеющего общее отключающее устройство. Провода, применяемые для наружного соединения приборов и оборудования, должны заключаться в металлические заземленные оболочки. При напряжении до 500 В допускается применение шланговых проводов и кабелей.

Наладка макетов радиоэлектронного оборудования приводится так же, как действующих образцов. Следует учесть, что если для исключения наводок и помех на работу налаживаемого макета, требуется не заземлять его корпус. То наладку следует вести с применением защитных средств.

В радиоэлектронном оборудовании, предназначенных для различных видов технологической обработки изделий электронной техники, должна быть предусмотрена рабочая камера, оснащенная защитным средством.

Наладка крупногабаритного радиоэлектронного оборудования производится бригадой двух человек, возглавляемой инженерно-техническим работником или высококвалифицированным наладчиком, имеющим группу по ТБ не ниже 4. Члены бригады должны иметь группу по ТБ не ниже 3.

Наладка малогабаритного оборудования может производиться одним наладчиком, имеющим достаточную производительность, квалифицированную группу по ТБ не ниже 4, в присутствии вблизи налаживаемого оборудования второго лица, имеющего группу по ТБ не ниже 3.

Проведение наладочных работ допускается на специально предназначенных участках, а также в производственных помещениях, где разрабатывается и эксплуатируется оборудование. При этом исключается пребывание лиц на рабочих местах, не допущенных к наладке. На рабочих местах должны применять ограждения.

Для наладки малогабаритного оборудования и отдельных вставных блоков крупногабаритного оборудования необходимо организовать рабочее место: специально оборудованный рабочий стол и свободная часть площади около него, предназначенная для размещения налаживаемого оборудования с вставными блоками и оборудования, смонтированного на спецтележках. Контрольноизмерительной аппаратуры и нахождения самого наладчика. Наладку вставных блоков крупногабаритного оборудования разрешается производить на месте его размещения, если невозможно налаживать блоки отдельно. При этом допускается использовать любой механический прочный стол или специальную подставку из диэлектрического материала. При наладке вставного блока под напряжением все работы на других токоведущих частях налаживаемого оборудования должны быть прекращены, токоведущие части ограждены. Одновременная наладка под напряжением нескольких блоков запрещается.

Выявлять и устранять дефекты в электросхеме, заменять детали разрешается только после полного снятия напряжения с оборудования и проверки отсутствия остаточных зарядов с помощью заземленного разрядника.

Для измерения параметров электрической схемы с помощью контрольно-измерительной аппаратуры разрешается извлекать блоки налаживаемого оборудования из корпуса, открывать дверцы, снимать ограждения в местах подключения измерительной аппаратуры, замыкать накоротко блокировку[12].

Заключение

В дипломном проекте был изучен принцип работы и проанализированы технические параметры простого средневолнового синтезатора частоты. По схеме электрической принципиальной проведено обоснование выбора элементов по их электрическим параметрам: конденсаторов, резисторов, диодов и микросхем, транзисторов, а так же проведено обоснование разработки трассировки и компоновки печатной платы.

Графическая часть выполнена в соответствии с требованиями ЕСКД и содержит следующие чертежи:

схема электрическая принципиальная;

печатная плата;

сборочный чертеж;

схема структурная синтезатора;

В дипломном проекте были выполнены следующие расчеты:

расчет надежности;

расчет теплового сопротивления корпуса ИС;

расчет коэффициента заполнения печатной платы;

расчёт узкого места;

расчет себестоимости.

Расчет надежности показал, что средняя наработка на отказ составляет 110 211 часов, а полная себестоимость изделия составляет 2046,71 руб. что приемлемо для данного устройства.

Дипломный проект выполнен в полном объеме и в соответствии с заданием на дипломное проектирование.

Список используемых источников

1. Шахтарин Б. И. и др. Синтезаторы частот: 2007. 128 с.

2. Комаров С. И., Средневолновой радиовещательный синтезатор частоты: Радио, 2012, № 9 с. 19−23; № 10 с. 21−23.

3. Билибин К. И., Шахнов В. А. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: Учеб. для техн. вузов. Изд. перераб. и доп. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005, — 568с.

4. Бойко В. И. Схемотехника электронных систем. Цифровые устройства. — СПб.: БХВ-Петербург, 2004. — 512с.

5. Шило В. Л. Популярные микросхемы КМОП: Справочник. — М.: Ягуар, 1993. — 64 с.

6. Нефёдов А. В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. — М.: РадиоСофт, 2000. — 512с.

7. Пестриков В. М. Уроки радиотехники. — СПб.: КОРОНА Принт, 2000. — 592с.

8. Петухов В. М. Транзисторы и их зарубежные аналоги. — М.:РадиоСофт, 2004. — 544с.

9. Методическое пособие для дипломного проектирования. Панферова Н. И., Середа Е. Г. Журнал «Радио» № 2, 2014 г. стр. 21.

10. Методические указания по дипломному проектирования экономической части для специальностей 210 306 (Радиоаппаратостроение) 230 101 (Вычислительные машины, комплексы, системы и сети). Толмачева М.Е.

11. Ткачук К. Н., Собарно Р. В. Охрана труда и окружающей среды в радиоэлектронной промышленности: Учеб. пособие. — К.: Высш. шк. Головное изд-во, 1988. — 240с.