Название элемента
|
Значение диаметра выводов,
мм
|
Значение диаметра
отверстий, мм
|
Значение диаметра КП, мм
|
Количество
|
СМР15А(x2)
|
1.0
|
1.2
|
1.8
|
6(x2)
|
TEN40-2412WIN
|
0.1
|
0.3
|
0.9
|
7
|
TEP 100-2416WIR(x2)
|
0.1
|
0.3
|
0.9
|
50(x2)
|
UVK1H221MPD(x2)
|
1.0
|
1.2
|
1.8
|
2(x2)
|
MF-8MBR
|
1.0
|
1.2
|
1.8
|
8
|
MF-20MBR
|
1.0
|
1.2
|
1.8
|
20
|
MF-2MRB
|
1.8
|
2.0
|
2.6
|
2
|
PLS-4R
|
1.0
|
1.2
|
1.8
|
4
|
PLS2-2
|
0.5
|
0.7
|
1.3
|
2
|
PLS-5
|
0.6
|
0.8
|
1.4
|
5
|
Расчет ширины проводников
Значение ширины проводника зависит от конструкторских и электрических
требований, а также от применяемой технологии.
Расчет минимального необходимого значения ширины проводника производится
по формуле
, (2.3)
где
– - минимальный допуск на ширину проводника; расчет
производится исходя из нагрузки по току;
– - нижний предел отклонения размера ширины проводника.
Для нашего класса точности берется значение 0.05 мм;
Для
постоянного тока минимальная ширина проводника определяется по формуле,
содержащей допуск по плотности тока:
, (2.4)
Где
- разрешенная
минимальная ширина для проводника;
– - значение максимальной плотности для тока в печатном
проводнике;
– - толщина печатного проводника.
Нами применяется позитивный комбинированный метод изготовления, поэтому
= 100
А/мм2.
- 3.6 А
У
применяемого нами материала СФ-2Н-50Г толщина проводника будет иметь значение= 0.05 мм. Отсюда выходит
(2.5)
Получается, что минимальное допустимое значение ширины для печатного
проводника равно
(2.6)
Согласно ГОСТ 23751-86[4], для выбранного нами класса точности
минимальное значение ширины проводника округляется до 0.8 мм.
Расстояние между двумя проводниками
Расчет минимально допустимого расстояния между элементами проводящего
рисунка производится по формуле
, где (2.7)
– - минимальное расстояние для элементов проводящего
рисунка, в нашем случае для значение
составляет 0.2 мм;
– - позиционная погрешность расположения печатных
проводников. Для нашего класса точности 0.05 мм;
– - верхний предел отклонения ширины проводника. В нашем
случае тоже 0.05 мм.
Отсюда получаем
S =
0.275 мм.
2.8.2 Расчет электрических параметров
Расчет емкости в печатном монтаже
Расчет емкости между 2-мя проводниками производится по формуле
, где (2.8)
– - эффективная диэлектрическая проницаемость для
материалов изоляции;
– - безразмерная величина, обозначает емкость на 1 ед.
длины для рассчитываемой системы проводников;
– - длина для системы проводников, м.
Так как наша плата двусторонняя, то при вычислении эффективной
диэлектрической проницаемости нужно учесть диэлектрическую проницаемость
воздуха (значение e1 = 1) и
основания платы (стеклотекстолит имеет значение e2 = 5,6), l=0.05 м.
Для двух проводников (рис. 2.3) имеем:
Рис. 2.3. Емкость в случае двух проводников
(2.9)
(2.10)
и,
гдеи.
Коэффициенты
К и К’ необходимо взять из специальных таблиц[6].
Теперь
определим модуль эллиптического интеграла первого рода, t=0.8 мм.
(2.11)
(2.12)
(2.13)
(2.14)
Емкость
между проводником и землей (рис. 2.4) рассчитывается по формуле
Рис.
2.4. Емкость между проводником и землей
(2.15)
(2.16)
Модуль
эллиптического интеграла первого рода, t=0.8
мм
(2.17)
(2.18)
(2.19)
Расчет
показывает, что емкость между проводниками имеет очень маленькое значение, и в
нашем случае ей можно пренебречь.
Индуктивность печатных проводников
Рис. 2.5. Прямолинейный проводник
Для прямолинейного проводника (рис. 2.5) индуктивность рассчитывается по
формуле
, (2.20
l - длина
проводника.)
(2.21)
Для двухпроводной линии (рис. 2.6) имеем
Рис. 2.6. Двухпроводная линия
(2.22)
(2.23)
Для проводника рядом с землей (рис. 2.7) индуктивность рассчитывается по
формуле
Рис. 2.7. Проводник рядом с землей
(2.24)
(2.25)
Взаимная индуктивность между печатными проводниками
Взаимная индуктивность в печатных проводниках (рис. 2.8) рассчитывается
по формуле
Рис. 2.8. Проводники без плоскости, выполняющей экранизирующую функцию
(2.26)
(2.27)
Расчет показывает, что паразитные и взаимные индуктивности проводников
малы, поэтому ими можно пренебречь.
.9 Разработка блока в SolidWorks
Как нами указывалось ранее, блок УП состоит из следующих компонентов:
. Кросс плата
. Ячейка АЦП-ЦАП
. Усилитель мощности
. Ячейка блока питания
. Ячейка ЦОС
. Корпус
Разработка компонентов будет осуществляться в САПР SolidWorks 2012, с созданием 3D модели компонента и получением
готового чертежа.
При проектировании кросс платы следует учитывать, что данная плата будет
иметь 5 соединений с остальными компонентами блока: блок питания, две ячейки
цифровой обработки сигнала и два усилителя мощности. Поэтому необходимо
правильно разместить разъемы на плате для подключения этих элементов.
Рис. 2.9 Модель кросс платы
На рисунке 2.9 показана готовая 3D модель печатной платы.
В качестве ячейки АЦП-ЦАП будет использоваться готовый экземпляр,
приведенный на рисунке 2.10.
Рис. 2.10 Модель ячейки АЦП-ЦАП
В качестве усилителя мощности используется готовое устройство, поэтому
его разработку проводить не нужно. Аналогичным образом можно поступить с
ячейкой цифровой обработки информации
Разработка ячейки питания проведена с учетом требований, описанных выше.
Модель ячейки приведена на рисунке 2.11.
Рис. 2.11 Модель ячейки блока питания
После получения модели мы можем создать сборочный чертеж. Полученные чертеж
приведен на рисунке 2.12.
Рис. 2.12 Чертеж ячейки блока питания
.9.6 Корпус
Модель используемого нами корпуса блока приведена на рисунке 2.13. На
рисунке 2.14 приведен скриншот сборки блока.
Рис. 2.13 Модель корпуса блока
Рис. 2.14 Модель сборки
Теперь можно перейти к построению чертежей. Чертеж корпуса приведен на
рисунке 2.15.
Рис. 2.15 Чертеж корпуса блока
Так как мы имеем все необходимые модели и чертежи, то теперь можно
выполнить последний чертеж - сборочный чертеж блока. Он приведен на рисунке
2.16.
Рис. 2.16 Сборочный чертеж блока
2.10 Вывод
В данной главе было проведено проектирование блока узкополосного
приемопередатчика. Были рассмотрены элементы блока, проведен выбор материалов и
покрытий печатного узла, а также проведен выбор технологии изготовления. Также
был проведен расчет печатной платы одного из элементов. На основе выполненной
работы были получены сборочные чертежи готового устройства, с помощью которых
можно приступать к изготовлению блока УП. Полученные результаты можно
использовать в качестве рекомендаций при проектировании аналогичных устройств.
3. РАЗРАБОТКА ТРЕБОВАНИЙ ПО ЦЕЛОСТНОСТИ СИГНАЛА
В данной главе показан процесс расчета помех отражения и согласования
линии связи для их устранения. Это позволит нам обеспечить целостность сигнала
внутри проектируемого устройства.
3.1 Теоретические сведения
.1.1 Волновое сопротивление
Линия связи представляет собой пару расположенных на небольшом удалении
проводников: прямого и обратного. Пример такой линии изображен на рисунке 3.1.
Проводники создают электромагнитное поле, которое распространяется по направлению
от источника к приемнику. При этом проходящие в линии связи электромагнитные
волны представляют из себя плоские электромагнитные волны (Т-волны). В линии
протекает прямой и обратный ток: первый проходит по направлению от источника к
приемнику, а второй соответственно наоборот.
Линия связи имеет следующие электрические параметры: R (сопротивление), C (погонная емкость), G (проводимость), L (погонная индуктивность). Каждый
параметр задается для определенной длины проводника и указывает направление
проводника. Количество прямых и обратных проводников имеет произвольное
значение. Существуют следующие линии связи:
– многопроводные;
– трехпроводные;
– двухпроводные;
Рис. 3.1. Линия связи, модель.
При практических расчетах полагается отсутствие потерь в линии, поэтому
значения сопротивления и проводимости принимают равными нулю. Значения погонной
емкости и индуктивности включаются в формулу волнового сопротивления
(3.1)
Размерность волнового сопротивления [Ом]. Диапазон значений - от 40 до
120 Ом.
Также
следует учесть соотношение, действующее в линии в T-волной. Обычно
значение этой постоянной принимается равным, т.е., и - значение диэлектрической и магнитной проницаемости.
Далее с учетом C линии получаем:
(3.2)
Волновое сопротивление можно определить из:
(3.3)
Выходит, что погонная емкость является основным электрическим параметром,
необходимым для нахождения характеристик линии. В общем случае, волновое
сопротивление Z задается изначально (к примеру: 50 ±
1 Ом); далее происходит обнаружение значения емкости[7].
3.1.2 Модель линии связи
На рисунке 3.2 показана модель линии связи. В нее входит: емкость C и проводимость G с параллельным соединением и
сопротивление R и индуктивность L с последовательным соединением.
Индуктивность L зависит от
конструкции линии связи и ее материала. В качестве материала линии следует
использовать немагнитный материал, так как это позволяет уменьшить
индуктивность линии и повысить скорость распространения электромагнитной волны
в ней.
Емкость C меняется в зависимости от материала
и конструкции линии. В шинах питания значение емкости должно быть выше, в
сигнальных линиях ниже.
Значение сопротивления R
обозначает активные потери в линии. Сюда относят сопротивление низкочастотным
токам и постоянному току.
Проводимость G обозначает
утечки в материале изоляции линии. Этим параметром довольно часто пренебрегают,
так как в применяемых в настоящее время материалах такие токи малы.
Нужно добавить, что модель линии связи для каждого устройства может
отличаться.
Рис. 3.2 Модель: а) стандартного отрезка линии б) линии, в которой
отсутствуют потери в) линии, напыленной в кристалле
3.1.3 Помехи в короткой линии связи
В случае с короткой линией эта линия имеет индуктивный или емкостной
характер. В таком случае возможна замена линии с помощью реактивных
компонентов, показанных на рисунке 3.3. Проведя такую замену, мы получаем
следующее решение.
Если
схема выдает напряжение , то на
элементе с условием входное
напряжение изменяется по формуле
, (3.4)
-
константа времени.
Для
линии емкостного типа получаем
, (3.5)
Для линии индуктивного типа получаем
(3.6)
Рис. 3.3 Схема замещения короткой линии и ее модель: а) в случае
емкостного типа; б) в случае индуктивного типа;
Далее
можно вычислить задержку распространения сигнала в линии. Нужно задать порог
срабатывания компонента. В нашем случае возьмем типовое значение
(3.7)
время
достижения заданного порога
(3.8)
Отсюда
получаем, что параметр нужно уменьшать, поскольку это позволяет ускорить
распространение сигнала. Для этого необходимо провести изменение индуктивных и
емкостных параметров линии.
3.1.4 Помехи в длинной линии связи
Современные быстродействующие РЭС содержат много длинных линий, что
приводит к возникновению искажений сигнала в этих линиях. Искажения сигнала
опасны тем, что могут приводить к нарушению заданного режима работы устройства.
Поэтому для уменьшения искажений необходимо проводить согласование линий,
которое компенсирует несогласованность и параметры линии. При этом нужно
учесть, что согласование линии приводит к уменьшению информационных сигналов в
линии. Поэтому при разработке РЭА нужно делать правильный выбор в выборе метода
согласования.
3.2 Способы расчета помех отражения
Для расчета помех отражения мощно использовать следующие методы:
. Аналитический, основанный на вычислении коэффициентов отражения.
. Графический, основанный на применении метода характеристик.
В настоящее время при разработке РЭС используют КМОП и ТТЛ схемы, где
имеет место нелинейность входных и выходных сопротивлений. Поэтому для расчета
искажений следует использовать метод характеристик, который является довольно
эффективным графическим методом.
3.2.1 Аналитический метод
Аналитический метод применяется при линейных нагрузках. Он состоит в
следующем:
) Расчет коэффицентов отражения Гr и Гs.
) Расчет амплитуд отраженных и падающих волн:
(3.9)
) Расчет формы сигнала U(x,t) как суммы отраженных и падающих волн:
(3.10)
3.2.2 Графический метод
Графический метод применяется при линейных и нелинейных нагрузках.
Точность исходных данных прямо пропорциональна точности результатов.
Данный метод основывается на графических уравнениях, которые описывают
напряжения и токи в длинных линиях. В случае отсутствия потерь в линии получаем
(3.11)
Решение
получается при указании начальных условий при t=0 и граничных
условий в точке s; , в точке
r.
3.2.3 Начальные условия
Для
определения начальных условий следует использовать эквивалентную схему,
приведенную на рисунке 3.4. Rг является
нелинейным параметром, линейное. В начальный момент времени нагрузкой является сопротивление Z.
Рис.
3.4. Эквивалентные схемы каскада с формами сигнала для начала и конца линии
Входное
напряжение находится по формуле:
(3.12)
всегда
<1.
При
этом возникает дополнительная задержка:
(3.13)
Значение
волнового сопротивления обратно пропорционально значению сопротивления R и
прямо пропорционально.
Далее
идет следующий этап.
3.2.4 Определение граничных условий
Определение
граничных условий происходит с помощью ВАХ микросхемы. Нам необходимы следующие
характеристики: . Данные характеристики описывают напряжения в конце и
начале линии. Их можно взять из описания микросхемы.
3.2.5 Решение телеграфных уравнений графическим методом
Решение уравнений происходит методом характеристик. Существуют две
характеристики:
– ХПВ - падающей волны;
– ХОВ - отраженной волны.
Для падающей волны характеристика имеет вид
(3.14)
где
- напряжение в точке при, - ток падающей волны, Z - значение
волнового сопротивления равное углу наклона прямой. обозначает константу, зависящую от граничных условий.
Поэтому для построения характеристики необходимо знать значение Z и
точку, принадлежащую ей.
Для
отраженной волны характеристика имеет вид
(3.15)
где
значения аналогичны предыдущей характеристике, а является
еще одной константой.
Также
для расчетов необходимо знать значение угла,
заданное в градусах. Значение определяется по формуле
, (3.16)
где M - отношение масштаба оси U к масштабу оси I, определяемое по формуле
(3.17)
Обычно масштаб задается таким, чтобы при значении волнового сопротивления
Z = 75 Ом угол имел значение 45°.
Таким образом, для проведения расчета необходимо последовательно
построить ХПВ и ХОВ из начальной точки.
3.2.6 Проведение расчета
Для
расчета мы применяем графический метод, так как в схеме присутствует нелинейный
параметр. Рассмотрим вариант переключения из нуля в единицу.
Значение
U в точке s находится из:
– падения U на
волновом сопротивлении Z;
– ВАХ генератора.
Рис. 3.5. Пример расчета линии в случае ТТЛ-схемы.
На
рисунке 3.5 изображен пример построения характеристик. Падение напряжения на
сопротивлении Z определяется нагрузочной прямой, строящейся под угломдо пересечения. Вторая
характеристика определяется ВАХ выхода. Точка A является
начальным условием, и с помощью нее осуществляется построение ХПВ и ХОВ.
На
следующем этапе из точки A строится характеристика падающей волны до пересечения
с входной вольтамперной характеристикой микросхемы нагрузки. Таким образом, мы
получаем точку B.
Затем
строится ХОВ из точки B до пересечения с вольтамперной характеристикой
генератора. Здесь мы получаем точку C.
Процесс
построения заканчивается, когда получаемые нами характеристики достигают
состояния единицы.
3.2.7 Определение осциллограммы
Для определения осциллограмм полученного сигнала также используется метод
характеристик. Нам необходимо знать время распространения сигнала от начала до
конца линии T и значение Z. Определение проводится в пять этапов:
. Обозначение граничных условий (схемы типа КМОП или ТТЛ).
. Определение режима 0 и 1.
. Определение начальных условий. Для этого строится нагрузочная
прямая из точки 0 под углом Z для
определения точки A.
. Определение амплитуд падающих и отраженных волн. Для этого
строятся ХПВ и ХОВ до достижения состояния “1”.
5. Построение
осциллограмм. Построение начинается с осциллограммы в начале линии (точки A,C,E).
На рисунке 3.6 приведен пример построения осциллограмм. После этого строятся
осциллограммы для(точки B,D,F).
Рис. 3.6. Готовые осциллограммы.
3.3 Расчет искажений сигнала
Перед расчетом искажений необходимо обозначить схемы включения нагрузки и
генератора. Данные схемы приведены на рисунке 3.7 и 3.8.
Рис 3.7. Схема включения линейных генератора и нагрузки
Рис 3.8. Cхема включения активных нелинейных генератора и нагрузки
(Нелинейный двухполюсник на схеме обозначен НД)
Теперь определим граничные условия согласно ВАХ;
-
выходная ВАХ генератора для состояния логической единицы;
-
выходная ВАХ генератора для состояния логического нуля;
-
входная ВАХ нагрузки.
В
качестве вольтамперных характеристик заданы параметры КМОП-микросхемы
SN74AHC240, используемой в блоке узкополосного передатчика (рис. 3.9). Следует
отметить, что подобные характеристики являются типовыми для большинства
КМОП-микросхем. Значение волнового сопротивления Z будет
равняться 50 Ом.
Рис
3.9. ВАХ используемой микросхемы.
Перейдем
непосредственно к расчетам. Масштабный коэффицент M будет
равняться 0,25, значение углабудет
равняться 22º. Расчет будет производиться для режимов переключения
из “0” в “1” и из “1” в “0”.
Рис
3.10. Расчет отражения сигнала при Z = 50 Ом.
Как
мы видим на рисунке 3.10, в несогласованной линии изначально присутствуют
искажения сигнала. Построение графика отражения начинается с построения
нагрузочной прямой из “0”, а затем строятся характеристики падающей и
отраженной волны до достижения “1”. Теперь можно перейти к построению
осциллограмм.
Рис 3.11. Осциллограмма сигнала для режима из “0” в “1”.
Рис 3.12. Осциллограмма сигнала режима из “1” в “0”
На рисунках 3.11 и 3.12 приведены готовые осциллограммы c отражениями для режимов переключения
из нуля в единицу и наоборот соответственно. Такие отражения характерны для
большинства несогласованных линий, в которых применяются КМОП-микросхемы.
.4 Способы согласования линии связи
Согласование
линии необходимо для устранения помех отражения, возникающих в линии. Для
согласования линии применяют согласующие резисторы. Для согласования линии могут применяться следующие
методы согласования: согласование по входу, согласование по выходу с помощью
согласующего резистора и согласование по выходу с помощью делителя напряжения.
Единственным полностью устраняющим помехи отражения методом является
согласование по выходу согласующим резистором, однако при этом снижается
уровень установившегося напряжения в линии. Согласование по входу незначительно
ослабляет отражения сигнала, также изменяя уровень установившегося напряжения.
Согласование делителем напряжения является промежуточным вариантом, ослабляющим
помехи отражения и незначительно понижающим уровни напряжения в линии, однако
оно требует установки двух согласующих резисторов вместо одного по сравнению с
согласованием по входу и выходу. Далее будут рассмотрены все три метода
относительно их применяемости для нашей схемы.
3.4.1 Согласование линии связи по входу
Для
согласования линии по входу необходимо последовательно с генератором (у
которого выходное сопротивление)
поставить согласующий резистор с сопротивлением, определяемым по формуле
(3.18)
На
рисунке 3.13 показан пример подключения согласующего резистора и получающиеся
осциллограммы. Нужно сказать, что угол наклона ВАХ генератора будет совпадать с
углом ХПВ
(3.19)
Рис. 3.13. Согласование по входу: а) схема замещения; б) графический
метод характеристик; в) готовые осциллограммы.
Данный метод ослабляет помехи отражения, уменьшая при этом напряжение
логической “1”. Далее мы рассмотрим согласование линии по выходу.
3.4.2 Согласование линии связи по выходу
Для
согласования линии по выходу в схему параллельно нагрузке необходимо установить
согласующий резистор. На рисунке 3.14 приведен пример его установки.
Рис.
3.14. Согласование по выходу: а) схема замещения; б) графический метод
характеристик; в) готовые осциллограммы.
Номинал
резистора устанавливается согласно формуле
(3.20)
либо
(3.21)
В
случаеимеем. До
согласования линии ВАХ нагрузки строилась под углом
(3.22)
В
случае согласованной линии используется угол.
Как
нами указывалось ранее, недостатком данного метода является значительное
уменьшение уровня установившегося напряжения в линии, поэтому данный метод
согласования следует применять с осторожностью.
3.4.3 Согласование линии по выходу с помощью делителя
напряжения
При
согласовании линии с помощью делителя напряжения в схему подключают два
согласующих резистора. Один из них включается между линией связи и шиной
питания, а второй между линией связи и шиной земли. Входное
сопротивление нагрузки определяется по формуле
. (3.23)
На
рисунке 3.15 приведен пример согласования линии с помощью такого метода. При
этом входное сопротивление микросхемы должно быть больше и. Вольтамперная характеристика резистивной цепочки
определяется по формуле, где - угловой
коэффициент, строящийся под углом. Эта
прямая отсекает на оси напряжений отрезок E. Он
определяется по формуле
. (3.24)
Рис. 3.15. Согласование по выходу делителем напряжения: а) схема
включения; б) графический метод характеристик.
При выборе согласующих сопротивлений следует правильно подбирать их
номинал. Данный метод обеспечивает значительное подавление помех отражения,
незначительно понижая при этом уровень установившегося напряжения в линии.
3.5 Согласование линии связи
.5.1 Согласование по входу
Теперь
перейдем непосредственно к согласованию линии по входу. Для этого
последовательно с генератором поставим согласующий резистор номиналомОм. Следует применять данный номинал, так как волновое
сопротивление линииОм. Расчет приведен на рисунке 3.16.
Рис
3.16. Согласование линии по входу для Z = 50 Ом.
Как
мы видим, угол наклона ВАХ генератора совпадает с углом наклона ХПВ. Это объясняет изменение уровня напряжения для “нуля”
и “единицы” в линии. Угол нагрузочной прямой= 22º. Перейдем к построению осциллограмм.
Рис.
3.17. Осциллограмма сигнала для режима переключения из “0” в “1”.
Рис.
3.18. Осциллограмма сигнала для режима переключения из “1” в “0”.
На
рисунке 3.17 и рисунке 3.18 приведены получившиеся осциллограммы для сигнала в
линии. Прерывистой линией обозначен уровень “единицы” до согласования. Как мы
видим, произошло изменение уровней “0” и “1”; при этом также произошло
небольшое ослабление помехи отражения сигнала в линии. Теперь перейдем к
рассмотрению следующего метода согласования.
.5.2 Согласование по выходу
Для
согласования линии по выходу установим параллельно нагрузке согласующий
резистор= 50 Ом. Номинал резистора берется исходя из волнового
сопротивления линии Z = 50 Ом. Теперь перейдем к расчету.
Рис
3.19. Согласование линии по выходу для Z = 50 Ом.
На
рисунке 3.19 приведен расчет линии для нашего метода. Мы видим, что ВАХ
нагрузки полностью совпадает с нагрузочной прямой, поскольку они строятся под
одинаковым углом (). Уровень “нуля” не изменился, однако уровень
“единицы” потерпел значительное изменение. Перейдем к построению осциллограмм.
Рис.
3.20. Осциллограмма сигнала для режима переключения из “0” в “1”.
Рис.
3.21. Осциллограмма сигнала для режима переключения из “1” в “0”.
На
рисунке 3.20 и 3.21 приведены получившиеся осциллограммы сигнала. Как мы видим,
произошло полное устранение помех отражения в линии, однако при этом также
произошло резкое падение напряжения уровня “1” до 2 В, вместо изначальных 5 В.
Это делает невозможным применение данного метода для микросхем, у которых порог
переключения из режимов из “0” в “1” и наоборот составляет более 2 В.
.5.3 Согласование по выходу с помощью делителя напряжения
Рассмотрим третий метод согласования линии связи. Для этого в схему будет
установлен делитель напряжения, состоящий их двух резисторов. Один из них
располагается между шиной питания и линией связи, а второй между линией связи и
шиной “Земля”. Исходя из волнового сопротивления линии Z = 50 Ом, номиналы обоих резисторов примем равными 100 Ом.
Рис 3.22. Согласование линии по выходу с помощью делителя
напряжения для Z = 50 Ом.
Расчет приведен на рисунке 3.22. ВАХ нагрузки в этом
случае строится под углом, проходя при этом через точку E = 2,5 В, согласно
расчету.
Рис.
3.23. Осциллограмма сигнала для режима переключения из “0” в “1”.
Рис.
3.24. Осциллограмма сигнала для режима переключения из “1” в “0”.
Осциллограммы
сигналов для обоих режимов переключения приведены на рисунке 3.23 и 3.24. Как
мы видим, произошло значительное ослабление помех отражения в линии. При этом
уровень “1” и “0” также незначительно изменился. Несмотря на это, данное
напряжение обеспечивает нормальную работу нашей микросхемы. Можно сказать, что
данный метод лучше всего подходит для согласования линии связи в нашем случае.
При этом возможно улучшение полученных результатов путем подбора номиналов
резисторов делителя напряжения.
3.6 Вывод
В данной главе нами были рассмотрены варианты согласования линии связи
для КМОП-микросхем. Был проведен расчет помех отражения и проведено построение
осциллограмм сигналов в линиях. На основании этого можно сделать следующие
выводы:
– согласование по входу следует применять в случае, когда
необходимо провести ослабление помех отражения для одного приемника сигнала,
так как помехи устраняются незначительно, и в случае нескольких используемых
микросхем задача устранения помех остается нерешенной;
– согласование по выходу следует применять только в случаях, когда
применяемая микросхема может работать с напряжением логической единицы от 2 В и
ниже; при этом нужно внимательно следить за уровнем напряжения в линии, так как
его пониженный уровень может создать проблемы для других элементов схемы;
– согласование по выходу с помощью делителя напряжения является
лучшим вариантом, так как оно значительно подавляет отражения сигнала в линии
связи, обеспечивая при этом допустимое напряжение для уровня логической
“единицы”;
Отсюда выходит, что лучшим вариантом согласования линии будет
согласование по выходу с помощью делителя напряжения. Данный метод также хорош
тем, что конечный результат можно изменить в “нужную сторону” за счет
правильного подбора номиналов согласующих резисторов. Также необходимо учесть,
что применяемые для согласования резисторы имеют “допуска” (отклонения от
номинала). Отсюда следует, что для согласования линии следует применять
резисторы с наименьшими отклонениями от номинала, а именно 1%[7].
4. РАЗРАБОТКА ТРЕБОВАНИЙ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ
Как нами отмечалось ранее, проблема целостности сигнала связана с тем,
что работа реального устройства отличается от идеального, так как при этом
необходимо учитывать искажения сигнала, возникающие в реальном устройстве. К
этим искажениям относятся: возникновение потерь в линиях передачи,
необходимость согласования линии связи и др. Поэтому эти факторы необходимо
учитывать еще на стадии проектирования устройства. Для этого следует выполнять
следующие рекомендации[3].
4.1 Требования к проектированию печатных узлов и межплатному
монтажу
При проектировании печатного узла следует учитывать наличие
неоднородностей в линии сигнального и возвратного проводника. Неоднородностью
называют изменение волнового сопротивления в линии. Изменение волнового
сопротивления линии происходит из-за изменений ширины проводников, большого
количества ответвлений и из-за выбора неправильной топологии. Поэтому
необходимо четко контролировать значение волнового сопротивления во всех
элементах печатного узла.
Другой проблемой является возникновение в межсоединениях перекрестной
помехи. При наличии сигнала линия также несет некоторое напряжение и,
соответственно, ток. Данный ток создает электромагнитные поля, воздействующие
на расположенные рядом проводники. Отсюда возникают так называемые перекрестные
помехи. Для их устранения следует обеспечить низкое взаимодействие отдельных
линий передачи и применять материалы с низкой диэлектрической проницаемостью.
Также при работе устройства имеют место помехи в шинах питания. Данные
помехи возникают вследствие высокой потребляемой мощностью микросхемами при
небольшом напряжении питания. При таком режиме работы любые просадки напряжения
в линии питания недопустимы. Поэтому при проектировании линий питания и
заземления необходимо уменьшить их полное сопротивление. Для этого необходимо:
· располагать шины питания и заземления как можно ближе друг к
другу;
· устанавливать низкоиндуктивные развязывающие конденсаторы;
· подавать напряжение питания на несколько параллельных выводов
микросхемы.
Также серьезной проблемой при работе цифровых схем является наличие в них
помех отражения. Данные помехи способны серьезно замедлить быстродействие
цифровой схемы и нарушить ее функционирование. Для устранения помех отражения
необходимо использовать согласование линии передачи. В качестве метода
согласования возможно использовать согласование по входу, согласование по
выходу с помощью резистора и согласование по выходу с помощью делителя
напряжения. Согласование по выходу следует применять только в случае, когда у
нас имеется только один приемник сигнала, для которого необходимо провести
ослабление помех. В целом данный метод не является эффективным. Согласование по
выходу с помощью резистора обеспечивает полное устранение помех отражения,
однако при этом уровень напряжения логической единицы опускается до очень
низкого значения, что делает невозможным применение данного метода для ТТЛ и
КМОП-микросхем. Поэтому самым эффективным методом является согласование линии
по выходу с помощью делителя напряжения, так как при этом обеспечивается
значительное подавление помех отражения при допустимом уровне напряжения
логической единицы и нуля.
4.2 Требования к межсоединениям
Приведенные выше требования также следует учитывать при выборе способа
соединения печатного узла. В частности, для соединения элементов внутри корпуса
блока следует использовать соединение кабелем или жгутом с наименьшей
допустимой длиной. Разъемы на печатной плате должны располагаться как можно
ближе к краю, чтобы не увеличивать без надобности длину соединителя. Также это
облегчает процесс монтажа изделия.
4.3 Вывод
В данной главе рассмотрены требования, которые следует применять в
качестве рекомендаций при проектировании типовых устройств обработки
информации. Данные требования позволяют обеспечить целостность сигнала в
устройстве обработке информации, поэтому проектирование типового устройства
следует проводить с их учетом.
5. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
5.1 Применение бессвинцовой пайки
Переход к пайке с помощью бессвинцового метода необходим по ряду причин.
Во-первых, свинец является вредным для здоровья человека элементом. Свинец
имеет свойство накапливаться в организме и оказывать негативное влияние на
здоровье человека. Максимальная концентрация свинца в крови не должна превышать
120-130 мг/л. Во-вторых, с увеличением объемов производства элементов с
содержанием свинца возникла проблема безопасной утилизации. Ведущими
потребителями свинца является электронная и автомобильная промышленность.
Данная проблема имеет значение несмотря на то, что в современной промышленности
объем применения свинца при изготовлении элементов имеет небольшое значение (от
0.1 % до 5 %), поскольку рост электронных отходов требует все больших усилий по
переработке этих отходов.
Переход к бессвинцовым припоям имеет следующие преимущества:
– защита окружающей среды от вредных элементов при производстве и
утилизации печатных плат;
– высокие эксплуатационные характеристики.
Однако у бессвинцового метода есть и недостатки:
– более высокая температура пайки по сравнению со свинцовосодержащими
припоями, что требует применения специального паяльного оборудования;
– сложность технологии пайки, что требует дополнительных затрат при
производстве.
5.1.1 Подбор термопрофиля
Сложность технологии бессвинцовой пайки заключается в том, что пайку необходимо
проводить в более узких границах термопрофиля (рис. 5.1) по сравнению с обычной
пайкой (рис. 5.2).
Рис. 5.1. Термопрофиль свинцового припоя.
Рис. 5.2. Термопрофиль бессвинцового припоя
Из этого следует, что при пайке температура термопрофиля должна строго
соблюдаться. В случае ее несоблюдения качество паяльного узла ухудшается, что
приводит к повышению процента брака на производстве[8].
В целях соблюдения выбранного термопрофиля необходимо добиться уменьшения
разницы температур между участками печатной платы. Этого можно достичь
следующими способами:
· увеличение продолжительности предварительного нагрева. Данный
метод позволяет значительно уменьшить разницу температур, однако недостатком
является то, что при увеличении продолжительности нагрева флюс начинается
испаряться и происходит ухудшение смачиваемости.
· увеличение
температуры, при которой происходит предварительный нагрев. Для бессвинцовых
паяльных паст температура увеличивается до вместо
прежних для обычных паст. Данный метод позволяет еще сильнее
уменьшить скачок температур по сравнению с первым методом, однако недостатком
является то, что флюс начинает испаряться еще быстрее, из-за чего качество
пайки ухудшается.
· применение
специального термопрофиля, имеющего форму трапеции (рис. 5.3). Для этого
необходима установка специальных печей. Данный метод позволяет уменьшить
разницу температур между элементами при пайке до, что
является хорошим результатом.
Рис. 5.3. Варианты термопрофилей при пайке: 1) трапециевидный; 2)
стандартный.
.1.2 Типы бессвинцовых припоев
Существует пять групп припоев без содержания свинца:
1) Эвтектические припои с содержанием меди. Используются
при пайке волной припоя. К недостаткам относятся высокая температура плавления
и низкие механические свойства по отношению к другим типам.
) Серебросодержащие эвтектические припои. Используются
в качестве бессвинцового типа припоя довольно продолжительное время. К
преимуществам относятся высокие механические свойства и хорошую паяемость по сравнению
с первой группой. Имеют температуру плавления и
хорошее качество пайки.
) Эвтектические припои, содержащие сплавы меди, серебра
и олова. Имеют температуру плавления.
Соотношение компонентов данной группы припоев различается у различных
производителей. Каждый состав имеет свои преимущества и недостатки. При
добавлении (сурьмы) припой можно использовать для пайки волной.
) Температура плавления данного сплава имеет значение. При добавлении Cu или Ge
прочность паяного соединения увеличивается. Разные производители имеют свою
формулу соотношения компонентов в данном припое. К недостаткам данного типа
припоев можно отнести повышенное образование припойных перемычек по сравнению с
другими группами. Данный недостаток можно уменьшить путем изменения формулы
сплава.
) Данный тип припоев следует использовать при пайке в
среде защитного газа, так как наличие (цинка)
создает проблемы, присущие данному элементу: необходимость использования
активных флюсов, повышенная вероятность коррозии, и т.д.
Тип
применяемого припоя зависит от изготовляемого устройства. В оборонной
промышленности применяютприпои. Для изготовления профессиональной техники
применяют исплавы.
Для обычной бытовой техники и техники широкого потребления применяютисплавы.
При
выборе типа припоя необходимо учитывать температуру его плавления. Типы припоев
с температурами плавления приведены в таблице 5.1.
Таблица 5.1
Выбор нужного сплава необходимо производить при разработке изделия, также
необходимо учитывать, что производители имеют различные составы припоев.
5.1.3 Флюсы
При пайке РЭИ возможно применение активированных и неактивированных (на
основе канифоли) флюсов. Активированные флюсы применяют для механизированной
пайки или пайки металлов, имеющих плохую смачиваемость (сюда относят никель).
Неактивированные флюсы применяют при пайке изделий, для которых необходимо
высокое качество паяного соединения.
При бессвинцовой пайке волной можно применять флюсы, используемые для
обычной пайки. Однако следует учесть, что температура плавления бессвинцовой
пайки будет выше, чем для обычной. Это следует учитывать при выборе флюса.
5.1.4 Вывод
При изготовлении блока узкополосного приемопередатчика будет
использоваться свинцовая пайка, поскольку применение бессвинцовой пайки требует
дополнительных затрат при проектировании и изготовлении устройства.
6. ОХРАНА ТРУДА
6.1 Работа с ЭВМ
При разработке блока УП используется ЭВМ. При работе с ЭВМ на человека
воздействуют вредные факторы, такие как:
– электромагнитные поля;
– шум;
– вибрация;
– статическое электричество.
При работе с компьютером человек испытывает большое умственное
напряжение. Также высокая нагрузка приходится на зрительные органы и мышцы рук.
Это приводит к быстрому утомлению оператора. При этом большую роль играет
правильное расположение рабочего места и его элементов.
6.2 Условия труда проектировщика
Проектирование устройства осуществляется в производственном помещении. В
производственном помещении, как и в любом другом, имеется свой микроклимат. К
микроклимату помещения относятся: влажность, шум, температура, освещение и
ионизация воздуха. Поддержание микроклимата необходимо проводить с помощью
систем кондиционирования. Также время от времени желательно проветривать
помещение.
Освещение в производственном помещении должно осуществляться с помощью
светодиодных, либо люминесцентных ламп. Также необходимо обеспечить комфортный
уровень естественного освещения в помещении.
Для снижения электромагнитных помех в помещении рекомендуется заземлять
металлические конструкции, такие как решетки на окнах.
Для работы в помещении должны использоваться столы с высотой не менее 725
мм, согласно ГОСТ 12.2.032-78[8]. Также конструкция кресел должна обеспечивать
возможность регулировки высоты сиденья.
6.3 Пожаро- и электробезопасность.
В целях обеспечения электробезопасности все электроприборы в помещении
должны быть заземлены. За состоянием электроприборов на предприятии должен
следить специальный отдел.
Для предотвращения возгорания в производственном помещении должна быть
установлена автоматизированная система пожаротушения. В специальных местах
должны быть установлены углекислотные огнетушители (ОУ-8) в количестве не менее
двух штук.
6.4 Вывод
Проектирование блока узкополосного приемопередатчика будет осуществляться
в производственном помещении, которое отвечает всем необходимым требованиям по
охране труда.
7. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
.1 Анализ стоимости изготовления с учетом импортозамещения
В таблице 7.1 приведен расчет стоимости элементов, из которых состоит
ячейка питания. В колонке 4 приведена сумма в случае использования импортных
элементов, а в колонке 5 приведена сумма в случае использования отечественных
элементов. Также следует учитывать то, что у многих импортных элементов (в
частности, интегральных микросхем) отсутствуют отечественные аналоги, и поэтому
собрать устройство, полностью состоящее из элементов, произведенных на
территории РФ, невозможно.
Таблица 7.1
Наименование
|
Описание
|
Кол-во
|
Сумма, имп., руб
|
Сумма, РФ, руб.
|
REF196GS
|
Аналоговая микросхема
|
|
132
|
-
|
SN65HVD78D
|
Аналоговая микросхема
|
|
208
|
-
|
ADP3330ARTZ-3.3
|
Аналоговая микросхема
|
|
78
|
-
|
LT1776IS8
|
Аналоговая микросхема
|
|
276
|
-
|
SN74AHC240
|
Аналоговая микросхема
|
|
50
|
-
|
ATSAM3S1AB-AU
|
Цифровая микросхема
|
|
732
|
-
|
СМР15А
|
Преобразователь
|
x2
|
2500
|
3300
|
TEN40-2412WIN
|
Преобразователь
|
|
4800
|
-
|
TEP 100-2416WIR
|
Преобразователь
|
x2
|
20000
|
-
|
BLM18PG331SN1
|
Фильтр
|
x2
|
40
|
-
|
IRF4905SPBF
|
Транзистор
|
|
82
|
-
|
IRLML6244
|
Транзистор
|
|
13
|
-
|
SMBJ48CA
|
Диод
|
|
20
|
-
|
BZX384-C10
|
Диод
|
|
2
|
-
|
MBRA160T3
|
Диод
|
|
26
|
-
|
SR0604101K, 100 мкГн, 10%
|
Катушка индуктивности
|
|
27
|
-
|
HC49SM-16,000 МГц-1H-50PPM
|
Кварцевый резонатор
|
|
30
|
-
|
UVK1H221MPD
|
Конденсаторы
|
x2
|
40
|
-
|
0603, 1 мкФ, 10%
|
SMD конденсатор
|
|
8
|
-
|
0603, 2.2 нФ, 10%
|
SMD конденсатор
|
|
8
|
-
|
0603, 10 нФ, 10%
|
SMD конденсатор
|
|
8
|
-
|
0603, 33 пФ, 5%
|
SMD конденсатор
|
x2
|
16
|
-
|
0603, 100 нФ, 10%
|
SMD конденсатор
|
x13
|
104
|
-
|
0603, 100 пФ, 5%
|
SMD конденсатор
|
|
8
|
-
|
1206, 4.7 мкФ, 10%
|
SMD конденсатор
|
x2
|
16
|
-
|
1206, 10 мкФ, 10%
|
SMD конденсатор
|
|
8
|
-
|
1206. 470 нФ, 10%
|
SMD конденсатор
|
x2
|
16
|
-
|
1210, 10 мкФ, 20%
|
SMD конденсатор
|
x3
|
24
|
-
|
CAPT-C(6032)10В,
100мкФ,20%
|
конденсатор
|
|
12
|
-
|
CAPT-D(7343) 50В,
4.7мкФ,20%
|
конденсатор
|
x2
|
28
|
-
|
CAPT-E(7343) 35В,
47мкФ,20%
|
конденсатор
|
|
14
|
-
|
0603, 1.0 кОм, 5%
|
SMD резистор
|
|
0.2
|
8
|
0603, 1.62 кОм, 1%
|
SMD резистор
|
|
0.2
|
8
|
0603, 2.0 кОм, 1%
|
SMD резистор
|
|
0.2
|
8
|
0603, 2.55 кОм, 1%
|
SMD резистор
|
x4
|
0.8
|
32
|
0603, 4.7 кОм, 5%
|
SMD резистор
|
x4
|
0.8
|
32
|
0603, 5.1 кОм, 5%
|
SMD резистор
|
|
0.2
|
8
|
0603, 5.11 кОм, 1%
|
SMD резистор
|
x2
|
0.4
|
16
|
0603, 6.19 кОм, 1%
|
|
0.2
|
8
|
0603, 10 кОм, 5%
|
SMD резистор
|
|
0.2
|
8
|
0603, 10.2 кОм, 1%
|
SMD резистор
|
|
0.2
|
8
|
0603, 10 кОм, 5%
|
SMD резистор
|
x2
|
0.4
|
16
|
0603, 12.1 кОм, 1%
|
SMD резистор
|
|
0.2
|
8
|
0603, 22 кОм, 5%
|
SMD резистор
|
|
0.2
|
8
|
0603, 34.0 кОм, 1%
|
SMD резистор
|
|
0.2
|
8
|
0603, 36.5 кОм, 1%
|
SMD резистор
|
|
0.2
|
8
|
0603, 40.2 кОм, 1%
|
SMD резистор
|
x2
|
0.4
|
16
|
0603, 51 кОм, 5%
|
SMD резистор
|
|
0.2
|
8
|
0603, 100 кОм, 1%
|
SMD резистор
|
|
0.2
|
8
|
0603, 100 кОм, 5%
|
SMD резистор
|
|
0.2
|
8
|
0603, 100 кОм, 5%
|
SMD резистор
|
|
0.2
|
8
|
0603, 330 кОм, 5%
|
SMD резистор
|
|
0.2
|
8
|
0603, 330 кОм, 5%
|
SMD резистор
|
x3
|
0.6
|
24
|
MF-8MBR
|
Соединитель
|
|
64
|
-
|
MF-20MBR
|
Соединитель
|
|
63
|
-
|
MF-2MRB
|
Соединитель
|
|
37
|
-
|
PLS-4R
|
Соединитель
|
|
23
|
-
|
PLS2-2
|
Соединитель
|
|
24
|
-
|
PLS-5
|
Соединитель
|
|
5
|
-
|
Итого:
|
|
|
29560
|
30608
|
Как мы видим, конечная стоимость изделия в обоих вариантах различается
незначительно. В случае отсутствия задачи импортозамещения устройство
рекомендуется собирать из импортных компонентов, так как это позволит сократить
расходы на производство. Также возможно изготовить изделие, минимизировав
количество импортных элементов, однако полностью изготовить устройство из
отечественных компонентов невозможно.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе было проведено проектирование блока узкополосного
приемопередатчика в соответствии с ТЗ. Был проведен расчет печатного узла,
рассмотрены технологии изготовления и применяемые материалы и покрытия. Также
была рассмотрена проблема обеспечения целостности сигнала внутри данного
устройства. На основе этого были получены готовые чертежи устройства, а также разработаны
рекомендации по обеспечению целостности сигнала и проектированию типовых
устройств. Поставленная задача была полностью выполнена.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
D - трехмерное измерение;
АЦП - аналого-цифровой преобразователь;
БП - блок питания;
ВАХ- вольт-амперная характеристика;
ВКР - выпускная квалификационная работа;
ИМС- интегральная микросхема;
КМОП- комплементарная структура металл-оксид-полупроводник;
КП- контактная площадка;
ЛС- линия связи;
МТШРД - многофункциональный терминал широкополосного радиодоступа
ПП - печатная плата;
РЭА- радиоэлектронная аппаратура;
РЭИ- радиоэлектронное изделие;
РЭС- радиоэлектронное средство;
САПР - система автоматизированного проектирования;
ТТЛ- транзисторно-транзисторная логика;
УП - узкополосный приемопередатчик;
ХОВ- характеристика отраженной волны;
ХПВ- характеристика падающей волны;
ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;
ЦОС - цифровая обработка сигналов;
SMD-
surface-mount device; устройство для поверхностного монтажа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сайт
“НИИССУ” [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.niissu.ru. Дата обращения: 20.05.2015.
2. Solidworks. Руководство пользователя. 2012
. Кечиев
Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры /
Л.Н. Кечиев - М.: ООО “Группа ИДТ”, 2007. - 261 с.
. ГОСТ
23751-86 Платы печатные. Основные параметры конструкции.
. ГОСТ
10317-79 Платы печатные. Основные размеры.
. Бронштейн
И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике, М., "Наука", 1974,
стр.80.
. Щербаков
С. А. Метод оценки искажения сигнала в длинных линиях передачи с учетом
допусковых отклонений. Выпускная квалификационная работа. МИЭМ НИУ ВШЭ, 2014
. Отличие
бессвинцовой технологии от стандартного процесса [Электронный ресурс]. - Режим
доступа: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/publ/_compel/pb-free.htm. Дата
обращения: 20.05.2015.
. ГОСТ
12.2.032-78 Рабочее место при выполнении работ сидя. Общие требования.