Электрические линии задержки на дискретных элементах

Электрические линии задержки на дискретных элементах

"Электрические линии задержки на дискретных элементах"

линия задержка радиоэлектронный аппаратура

Введение

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

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

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

1. Электрический расчет

Определяем необходимое число звеньевn по формуле

где t_з- время задержки, мкс;

τ_ф- значение длительности фронта, мкс.

Находим расчетное значение индуктивности катушки , Гн

(2)

где t_з- время задержки, с;

ρ - эквивалентное волновое сопротивление, Ом.

Находим расчетное значение емкости конденсатора , Ф

 (3)

где t_з- время задержки, с;

ρ -эквивалентное волновое сопротивление, Ом.

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

 (4)

где δt_з- допуск на время задержки согласно техническому заданию, %.

2. Выбор и основание эскизного проекта конструирования

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

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

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

К основным преимуществам данной технологии относятся:

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

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

возможность монтажа электронных компонентов с двух сторон платы;

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

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

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

повышение виброустойчивости и вибропрочности печатных узлов в 2 раза;

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

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

К недостатками метода поверхностного монтажа относят:

ниже ремонтопригодность устройства;

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

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

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

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

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

(6)

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

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

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

3. Конструктивный расчет

В проектируемой линии задержки число звеньев n= 50. Индуктивность одного звена составляет 6,8 мкГн. Параллельно индуктивности ставим конденсаторы 12 пФ и 68 пФ. Таким образом, проектируемая линия задержки представляет собой 50 последовательно соединенных звеньев. В техническом задании размеры печатной платы не более 30х30х20 мм. Рассчитаем площадь, занимаемую элементами L и C. В качестве индуктивности будет использоваться катушка Viking - NL05JT6R8 (2×1,25×1,2 мм, размеры контактных площадок 1,14×1,25), с точностью 5 %. Более удобные для восприятия данные представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 - Контактная площадка для катушки

Таким образом, площадь индуктивности в одном звене, мм²

S_L= 3,175 ∙ 1,25 = 3,97.

В качестве емкостей используем конденсаторы Murata -GRM1885C1H680FA01D и Murata-GRM1885C1H120FA01D(1,6 × 0,8 × 0,9 мм, размеры контактных площадок 0,89 × 1,016 мм), с точностью 2 % .

Более удобные для восприятия данные представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 - Контактные площадки для конденсатора

Площадь емкостей в одном звене, мм²

S_C = 1,016 ∙ 2,415 ∙ 2 = 4,91.

В таком случае занимаемая площадь одного звена печатной платы, мм²

S_зв= 3,97 + 4,91 = 8,88.

Общая площадь элементов линии задержки с учетом 50 звеньев, мм²

S_общ= 8,88 ∙ 50 + 3,97 ∙ 2 =451,94.

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

Рисунок 3 - Контакт для печатной платы

Для каждого контакта подразумевается наличие двух отверстий с размерами 0,5 × 2 мм каждый с полем допуска от +0,2 доминус 0,1. На рисунке 4 представлен эскиз расположения контактных отверстий с более подробными характеристиками.

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

Рисунок 5 - Установка и фиксация контакта в печатной плате

Площадь контактной площадки на поверхности монтажа, мм²

S_к = 4,25 ∙ 3 = 12,75.

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

S_ко= 12,75 ∙ 4 = 51.

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

S = 30 ∙ 30 = 900.

Площадь занимаемая всеми элементами на плате, мм²

S_Э = 451,94 + 51 = 502,94.

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

S_РП = 502,94 ∙ 1,5 = 754,41.

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

4. Выбор и обоснование материалов

Для изготовления печатной платы используется стеклотекстолит, толщиной 1 мм, облицованный с одной стороны медной оксидированной фольгой ГОСТ 10316-78. Основным критерием выбора данного материала послужило то, что он обладает хорошей стабильностью электрических свойств при высокой влажности, высокой механической прочностью. Ко всему прочему стеклотекстолит широко используется для изготовления печатных плат с поверхностным монтажом компонентов.

В качестве материала для контакта выбираем латунную полосу Л63 ГОСТ 12920-67, так как она обладает достаточной прочностью и отлично обрабатывается давлением, применяется для изготовления деталей холодной листовой штамповкой и глубокой вытяжкой. Латунь Л63 используется для изготовления крепежных деталей. Покрываем латунную полосу материалом О-Ви ГОСТ 9073-77, именно это покрытие обеспечивает наилучшую коррозионную стойкость.

Для защиты поверхности изделия от воздействия внешней среды применяем лак МЛ-92 ГОСТ 15865-70. Для наилучшей защиты изделие покрыть в 2-3 слоя.

Пайка производится припоем ПОС- 61ГОСТ 21931-76.

5.Методика контроля основных электрических параметров

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

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

Рисунок 6 - Структурная схема стенда для проверки параметров печатной платы

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

Заключение

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

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

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

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

Список литературы

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

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

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

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