курсовой проект / Настенное цифровое табло / исходник

Введение

Задача курсового проекта – развитие и закрепление навыков самостоятельной работы при решении конкретной задачи, овладение методикой расчета и конструирования изделий ЭАВТ.

Цель курсового проекта – разработка радиоэлектронного устройства – измерителя частоты сигналов с большим периодом, а также научиться использовать нормативно-техническую документацию при разработке изделия, ознакомиться с порядком построения, изложения и оформления конструкторской документации.

В данной курсовой работе необходимо произвести расчет основных параметров разрабатываемого изделия, разработать компоновку модулей в корпусе прибора, разместить навесные ЭРЭ на печатной плате модуля, разработать конструкцию корпуса прибора и коммутацию между модулями, при условии выполнения всех требований, предъявляемых к частотомеру.

Частотомер применяется для измерения низкочастотных периодических процессов (колебаний).

Разрабатываемое изделие имеет широкую область применения. Оно может использоваться в промышленности, в быту, радиолюбительской практике, научно-исследовательских разработках, медицине и. т. д.

Частотомеры широко используются при испытании радиоэлектронной аппаратуры, а также оказывают большую помощь в конструировании, ремонте и регулировке более сложных электронных изделий.

Для измерения частоты применяют различные виды частотомеров.

В электродинамических частотомерах основным элементом является логометр, в одну из ветвей которого включен колебательный контур, настроенный на среднюю для данного диапазона частоту. При прохождении тока его подвижная часть отклоняется на угол, пропорциональный сдвигу фаз между токами в катушках логометра, который зависит от соотношения измеряемой и резонансной частот.

Частоту в диапазоне радиочастот и СВЧ измеряют с помощью электронных частотомеров (волномеров). Их действие основано на сравнении измеряемой частоты с частотой колебания электрического контура.

Разрабатываемый прибор относится к цифровым частотомерам, которые получили наибольшее распространение, принцип действия которых заключается в подсчете числа периодов измеряемых колебаний за определенный промежуток времени. Этот тип частотомеров отличается более высокой точностью, большим диапазоном измеряемых частот, меньшей погрешностью измерений

1 Расширенное техническое задание

1. Назначение.

Частотомер применяется для измерения низкочастотных периодических процессов (колебаний).

2. Состав изделия.

Устройство состоит из 2 модулей: модуля измерения частоты, модуля индикации.

3. Технические требования.

Диапазон измеряемых частот – 0…512 Гц.

Относительная погрешность измерения не более 5%.

Абсолютная погрешность измерения ≈ 0,09 Гц.

Изделие предназначено для работы в диапазоне температур -20С…+60С и относительной влажности 50-90% и атмосферном давлении 600-850 мм. рт.ст.

Транспортирование осуществляется любыми видами транспорта в упакованном виде.

По степени защиты от влаги изделие относиться к приборам обычного исполнения (ГОСТ 14087-80).

Хранить изделие при температуре не ниже –5⁰С в закрытых помещениях.

Разработанное изделие предназначено для использования по IV категории условий эксплуатации (закрытые, отапливаемые и вентилируемые помещения).

1.4 Требования по надежности.

Наработка на отказ 10-15 тыс. часов

Интенсивность отказов 10^-6-10^-9 ч^-1.

Долговечность - 10 лет

Гарантийный срок - 1 год

1.5 Конструктивные требования.

Использовать интегральную и дискретную элементную базу.

Форма и размеры конструкции определить в процессе проектирования.

Использовать печатный и объемный монтаж.

Органы коммутации вынести на панель.

Цвет любой.

Устройство выполнить в металлическом корпусе.

При монтаже использовать печатный и объемный монтаж.

Органы управления и индикации вывести на лицевую панель.

Конструкция изделия должна предусматривать пользователя без применения специальных мер обеспечения безопасности.

1.6 Ориентировочная номенклатура конструкторской документации.

сборочный чертеж – А2;

схема электрическая принципиальная – А2;

печатная плата – А2;

печатный узел – А2.

2 Анализ технического задания, электрической схемы и оценка элементной базы

Был проведен литературный поиск аналогов разрабатываемого устройства. Данный частотомер отличается от устройства-аналога [1] тем, что с целью повышения экономичности изделия, надежности, его эксплутационных и рабочих характеристик, в новом изделии блок измерения частоты выполнен на логических элементах. Отказ от использования микропроцессорного блока измерения частоты выгоден не только с экономической точки зрения, но и тем, что работа с микропроцессорами требует от разработчика специальных знаний и дополнительного оборудования. Разрабатываемый частотомер имеет расширенный диапазон измерения частоты сигналов по сравнению с аналогом [2], отличается универсальностью, что приводит к расширению области его применения, имеет более низкую относительную и абсолютную погрешность.

Разрабатываемое изделие состоит из двух модулей: модуля измерения частоты, модуля индикации.

Каждый рассмотренный модуль содержит функционально-законченные узлы.

Модуль модуля измерения частоты содержит в себе: узел начальной установки счетчика сигналов, узел подсчета проходящих импульсов, узел переключения для приостановки измерения частоты сигналов, узел управления индикацией.

От внешней аппаратуры подаются на модуль измерения частоты напряжения питания и аналоговое измеряемое напряжение, над которым происходит обработка.

Модуль измерения частоты содержит следующие элементы:

А) Резисторы серии МЛТ-0,125 постоянного сопротивления, которые характеризуются высокой стабильностью параметров, слабой зависимостью сопротивления от частоты и рабочего напряжения, высокой надежностью. Установочная площадь – 50 мм². Диапазон рабочих температур минус 60...+125С.

Б) Переменный резистор серии СП4-1а. Это композиционный переменный резистор характеризуется очень высокой надежностью, высокой стабильностью параметров, пониженным уровнем собственных шумов. Характер изменения сопротивления – линейный. Установочная площадь – 100 мм².Предельная рабочая температура - +125С.

В) Конденсаторы постоянной емкости серии К10-5. Характеризуются высокими электрическими показателями, небольшой стоимостью, большим сопротивлением изоляции, малым тангенсом угла потерь. Установочная площадь первого конденсатора – 62,5 мм². Установочная площадь второго конденсатора – 87,5 мм². Диапазон рабочих температур минус 60...+125С.

Г) Транзистор типа КТ307Б – биполярный кремниевый планарный транзистор, n-p-n – типа, безкорпусного исполнения. Установочная площадь – 50 мм². Диапазон рабочих температур минус 60...+85С.

Д) Микросхема К561ЛЕ5 - представляет собой 4 логических элемента 2ИЛИ-НЕ. Размещена в корпусе типа 201.14-1. Установочная площадь – 175 мм². Диапазон рабочих температур минус 45...+85С.

Е) Микросхема К176ИЕ1 – представляет собой шестиразрядный двоичный счетчик. Микросхема размещена в корпусе типа 201.14-1. Установочная площадь – 175 мм². Диапазон рабочих температур минус 40...+70С.

Ж) Микросхема К561КП2 – представляет собой восьмиканальный мультиплексор. Микросхема размещена в корпусе типа 201.14-1. Установочная площадь – 175 мм². Диапазон рабочих температур минус 45...+85С.

З) Микросхема К561ИЕ14 – представляет собой четырехразрядный двоично-десятичный счетчик. Микросхема размещена в корпусе типа 238.16-1. Установочная площадь – 200 мм². Диапазон рабочих температур минус 40...+70С.

И) Микросхема К176ИД1 – представляет собой четырехразрядный дешифратор двоичного кода. Микросхема размещена в корпусе типа 238.16-1. Установочная площадь – 200 мм². Диапазон рабочих температур минус 45...+85С.

К) Микросхема К176ИД1 – представляет собой четырехразрядный дешифратор двоичного кода для вывода информации на семисегментный индикатор. Микросхема размещена в корпусе типа 238.16-1. Установочная площадь – 200 мм². Диапазон рабочих температур минус 45...+85С.

Л) Микросхема К176ЛА7 – представляет собой 3 логических элемента 2И-НЕ. Микросхема размещена в корпусе типа 201.14-1.. Установочная площадь – 175 мм². Диапазон рабочих температур минус 45...+85С.

М) Микросхема К176ЛА9 – представляет собой 3 логических элемента 3И-НЕ. Микросхема размещена в корпусе типа 201.14-1 Установочная площадь – 175 мм². Диапазон рабочих температур минус 45...+85С.

Н) Микросхема К176ТМ1 – представляет собой два D-триггера с установкой на ноль. Микросхема размещена в корпусе типа 201.14-1. Установочная площадь – 175 мм². Диапазон рабочих температур минус 45...+85С.

Модуль индикации содержит три знаковых семисегментных индикатора типа АЛС 314А красного цвета свечения.

Характеристики индикатора:

Установочная площадь - 200 мм²

Диапазон рабочих температур - -40…+70°С

3 Разработка конструкции

Разрабатываемое устройство - частотомер состоит из двух модулей (смотреть на схеме электрической принципиальной УИТС.411127.017 Э3):

• модуль измерения частоты (А1);

• модуль индикации (А2);

3.1 Объемно-компоновочный расчет

Для выбора компоновки разрабатываемого частотомера рассмотрим два возможных варианта. Варианты отличаются расположением печатных плат, органов коммутации и индикации (см. приложение, рисунок 1, а и б).

Рациональная форма блока определяется по трем параметрам:

А) приведенная площадь наружной поверхности;

Б) коэффициент приведенных площадей;

В) коэффициент заполнения объема.

3.1.1 Определение габаритных размеров блоков двух вариантов компоновки.

Для сравнения по данным трем параметрам необходимо знать габаритные размеры (длина, высота и ширина) блоков рассматриваемых двух вариантов компоновки. Для их определения вычислим габаритные размеры и объем занимаемой аппаратуры (печатная плата П1, печатная плата П2)

Для определения объема печатной платы А1 найдем ее размеры. На основе пункта 2 (А-М) определяем общую площадь, занимаемую ЭРЭ на печатной плате:

(1)

где i – количество ЭРЭ, устанавливаемых на ПП П1.

С учетом рекомендуемого значения коэффициента заполнения площади ПП для бытовой РЭА, равного 0,6, получим значение площади А1

(2)

Рассмотрено несколько возможных вариантов соотношения сторон ПП А1 (60100, 9070, 8080,) и был выбран следующий: 8080 мм по ГОСТ10317-79.

Для определения объема печатной платы П2 найдем ее размеры. Определяем общую площадь, занимаемую ЭРЭ на печатной плате

(3)

где i – количество ЭРЭ, устанавливаемых на ПП П2.

С учетом рекомендуемого значения коэффициента заполнения площади ПП для бытовой РЭА, равного 0,6, получим значение площади П2

(4)

Рассмотрено несколько возможных вариантов соотношения сторон ПП П2 (4025, 2050) и был выбран следующий: 2050 мм по ГОСТ10317-79.

Для определения объемов печатных плат необходимо знать ее высоту, которая определяется с учетом превышения над плоскостью платы самого высокого ЭРЭ. Для ПП П1 она равна 14 мм, а для ПП П2 – 5 мм. Тогда

• объем печатной платы П1

V_пп1 = 80·80·14 = 76800 мм³ (5)

- объем печатной платы П2

V_пп2 = 20·50·5 = 5000 мм³ (6)

По полученным габаритным размерам внутренней аппаратуры в зависимости от ее размещения определяем габаритные размеры рассматриваемых двух вариантов корпусов, которые представлены на рисунках 1,а и 1,б. В первом варианте вертикально расположена плата П2, а плата П1 расположена горизонтально и величина ширины блока будет иметь две составляющие: ширина платы П1, толщина платы П2 с учетом высоты индикатора и расстояниями между платами, а также платой и стенкой корпуса блока. Во втором случае варианте ПП П1 и П2 расположены горизонтально и ширина и длина блока зависит от ширины платы П1 (равна 80 мм), органы индикации (плата П2) вынесены на верхнюю панель. Тогда с учетом зазоров между печатными платами, между платами и стенками корпуса, получим габаритные размеры корпусов обоих вариантов компоновки.

Размеры блока для первого варианта: длина A₁=110 мм, ширина B₁=90 мм и высота H₁=60 мм.

Размеры блока для второго варианта: длина A₂=90 мм, ширина B₂=90 мм и высота H₂=40 мм.

3.1.2 Сравнение выбранных двух вариантов компоновки блоков. Определяем полный объем первого (рисунок 1, а) и второго (рисунок 1, б) вариантов

V₁ = A₁·B₁·H₁=110·90·60 = 297000 мм³; (7)

V₂ = A₂·B₂·H₂=90·90·40 = 162000 мм³ (8)

Площади поверхностей вариантов компоновки блока

S₁=2·(A₁·B₁+B₁·H₁+A₁·H₁)=2·(110·90+90·30+110·30) =15900мм; (9)

S₂ = 2·(A₂·B₂+B₂·H₂+A₂·H₂)=2·(90·90+90·20+90·20)=11700 мм² (10)

1. Приведенная площадь наружной поверхности

(11)

(12)

2. Коэффициент приведенных площадей

(13)

где S_пр.ш - приведенная площадь шара

(14)

где d - диаметр шара, мм.

(15)

Вычислим диаметр шара через объем шара V_ш=V₁ и V_ш=V₂:

(16)

Т

(17)

огда:

(18)

Таким образом, коэффициент приведенных площадей, равен:

(19)

(20)

Составим отношение:

, (21)

то первый вариант блока более оптимальный по площади наружной поверхности.

3) Коэффициент заполнения объема.

Для определения коэффициентов заполнения объема определим объем занимаемой аппаратурой:

V_а=V_пп1+ V_пп2 =76800+5000=81800 мм³ (22)

Коэффициент заполнения объема для первого и второго вариантов компоновки блока, %

; (23)

Коэффициент заполнения объема для второго варианта компоновки блока больше, чем для первого варианта. Следовательно, во втором случае объем используется более эффективно.

Вывод. По результатам расчета основных компоновочных характеристик блоков, был выбран второй вариант компоновки (рисунок 1,б), так как его объем используется наиболее эффективно.

4. Конструкторские расчеты

1. Расчет печатного монтажа

Для соединения радиоэлементов электрической схемы проектируемого устройства между собой, в качестве базовой несущей конструкции выбираем двухстороннюю печатную. Учитывая, что при проектировании ПП используются интегральные схемы, а также высокий уровень насыщенности ПП навесными элементами по ГОСТ 23751-86 выбираем четвертый класс точности.

В соответствии с тем, что максимальный диаметр выводов навесных элементов, размещаемых на плате, равен 0,7 мм (конденсаторы), то выбираем толщину платы равной 1,5 мм.

Для конструкции модуля используются двусторонние печатные платы, изготовленные комбинированным позитивным методом. Материал изготовления печатной платы - стеклотекстолит фольгированный СФ-2Н-50Г-1,5 ГОСТ 10316-78.

Для рациональной компоновки проведем расчет элементов конструкции печатной платы в соответствии с ГОСТ 23751-86.

Размер печатной платы в соответствии с ГОСТ 23751-86 равен 8080 мм. Метод изготовления двусторонней печатной платы - комбинированный позитивный, по четвертому классу точности.

Исходные данные:

1. расчетная толщина печатной платы H_Р, мм 1,5;

2. толщина фольги h, мм 0,05;

3. диаметры выводов радиоэлементов: D_выв1, мм 0,5;

D_выв2, мм 0,6;

D_выв3, мм 0,7;

4. максимальный постоянный ток I_max, А 0,02;

5. напряжение питания U, В 9;

6. допустимая плотность токаJ_доп, А/мм² 38;

7. наибольшая длина проводника L, м 0,25.

При проведении расчета будут использованы коэффициенты, допуски, параметры, которые соответствуют четвертому классу точности изготовления двусторонних печатных плат по ГОСТ 23751-86.

4.1.1 Расчет по постоянному току

Допустимое падение напряжения на проводниках не должно превышать 5% от питающего напряжения.

U_доп=U0,05=90,05=0,45 В (26)

Определяем минимальную ширину печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления:

(27)

Определяем минимальную ширину печатного проводника исходя из допустимого падения напряжения на нем:

(28)

где  - удельное объемное сопротивление материала проводника, Оммм²/м. Для меди =0,0175 Оммм²/м.

Для стабильной работы печатных проводников их ширина должна быть больше b_min1 и b_min2. Поэтому ширина проводников питания и заземления равна: b=1 мм.

2. Конструктивно-технологический расчет

В печатных платах применяются монтажные металлизированные отверстия для установки ЭРЭ и переходные металлизированные отверстия для создания электрических связей между слоями. Диаметр монтажного отверстия должен быть больше диаметра выводов навесных элементов на величину, удовлетворяющую условиям пайки и автоматической сборки ячеек.

Определяем номинальное значение диаметров монтажных отверстий:

D= D_выв+d_н.о+Δ_з; (29)

где d_н.о. - нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия,

Δ_з - разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ, принимаем Δ_з=0,1мм,

D_ном1= D_выв+0,1+0,1=0,5+0,1+0,1=0,7; (30)

D_ном2= D_выв2+0,1+0,1=0,6+0,1+0,1=0,8, (31)

D_ном3= D_выв3+0,1+0,1=0,7+0,1+0,1=0,9, (32)

Определяем минимальный диаметр металлизированного переходного отверстия.

Для максимального уплотнения монтажа диаметр переходных отверстий выбирается наименьшим. Однако, в связи ограниченной рассеивающей способностью электролитов при гальванической металлизации необходимо выдерживать предельное соотношение между минимальным диаметром металлизированного отверстия и толщиной платы

D_MminH_Рv=1,50,33=0,495 мм, (33)

где H_Р - расчетная толщина печатной платы;

v - коэффициент, характеризующий отношение диаметра отверстия к толщине пластины.

Так как число отверстий с различным диаметром должно быть минимальным, то принимаем диаметр переходного отверстия равным

D_M=0,6 мм

Определяем диаметры контактных площадок. Минимальный эффективный диаметр контактных площадок:

где b_M - расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки (гарантийный поясок), мм;

_d, _P - допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм;

D_max - максимальный размер просверленного отверстия, мм

D_0max=D₀+Δd+0,1;

где Δd - допуск на отверстие, мм, Δd = 0,1

D₀ - номинальный диаметр металлизированного отверстия, мм;

D_0max1=D₀+0,1+0,1=0,7+0,1+0,1=0,9мм;

D_0max2=D₀+0,1+0,1=0,8+0,1+0,1=1мм;

D_0max3=D₀+0,1+0,1=0,9+0,1+0,1=1,1мм;

Максимальный диаметр контактной площадки:

D_max= D_min+0,05;

где D_min- минимальный диаметр контактной площадки.

Минимальный диаметр контактных площадок, при покрытии олово-свинец

D_min1= D_min1+1,5h_r=1,15+1,50,05=1,225 мм;

D_min2= D_min2+1,5h_r=1,25+1,50,05=1,325 мм,

D_min3= D_min3+1,5h_r=1,25+1,50,05=1,425 мм,

где h_r - толщина металлорезиста, мм;

Максимальный диаметр контактных площадок отверстий

D_max1= D_п.min1+0,05=1,225+0,05=1,275 мм;

D_max2= D_п.min2+0,05=1,325+0,05=1,375 мм;

D_max3= D_п.min3+0,05=1,425+0,05=1,475 мм

Округляем максимальный диаметр контактных площадок до значений равных: D_max1=1,3 мм, D_max2=1,4 мм, D_max3=1,5 мм

Определяем минимальную ширину сигнального проводника

t_min= t_min1+1,5h+t=0,15+1,50,05+0,03=0,255 мм, (37)

где t - допуск на ширину проводника, мм;

t_min1 - минимальная эффективная ширина проводника, мм.

При формировании проводников на фольгированном диэлектрике их минимально допустимая в производстве ширина определяется, прежде всего, адгезионными свойствами материала основания и гальваностойкостью оксидированного слоя фольги, так как браком является даже частичное отслаивание проводника от основания диэлектрика. Поэтому минимальную эффективную ширину t_min1 выбирают в соответствии с классом точности печатных плат по ГОСТ 23751-86.

Максимальная ширина сигнального проводника

t_max= t_min+0,02=0,275 мм (38)

Округляем максимальную ширину сигнального проводника до значения равного: t_max=0,3 мм.

Определяем минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка. Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой первого типа:

где L_э- расстояние между центрами рассматриваемых элементов;

δ _l - допуск на расположение проводников, мм, δ_l = 0,3мм.

М инимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой второго типа

Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой третьего типа

При комбинированном позитивном способе изготовления печатной платы зазор между проводником и контактной площадкой должен быть не менее 0,15 мм.

Минимальное расстояние между двумя сигнальными проводниками:

S_min1= L_Э -(t_max+2₁)=1,25-(0,3+20,03)=0,89 мм. (43)

Минимальное расстояние между проводником питания и сигнальным проводником

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками третьего типа (если данная рассчитываемая величина войдет в допустимый предел, то нет смысла определять расстояние между контактными площадками первого типа, или контактными площадками первого и второго типов, первого и третьего типов и т.д., так как контактные площадки третьего типа наибольшие по диаметру)

S_min1= L_Э -(D_max3+2_P)=2,5-(1,5+20,15)=0,7 мм (45)

4.2 Расчет электромагнитной совместимости

Целью расчета электромагнитной совместимости является определение работоспособности устройств в условиях воздействия перекрестных помех в линиях связи, а также внешних электромагнитных полей.

Так как в нашем устройстве самыми чувствительными элементами к воздействию помех являются микросхемы, то расчет электромагнитной совместимости будем вести только для них.

На рисунке представлена эквивалентная схема электромагнитной совместимости активной (питание микросхемы) и пассивной (сигнального проводника) линии для микросхемы.