3. Разработка требований по целостности сигнала
реклама
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ» Московский институт электроники и математики Щербаков Сергей Александрович РАЗРАБОТКА ТРЕБОВАНИЙ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ТИПОВОГО БЛОКА ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ЦЕЛОСТНОСТЬ СИГНАЛА Выпускная квалификационная работа по специальности 210201.65 Проектирование и технология радиоэлектронных средств Студент ___________________ Рецензент к.т.н., проф. Грачев Н.Н Щербаков С.А Научный руководитель к.т.н., доцент Николаев Д.П Консультант д.т.н., проф. Кечиев Л.Н Москва 2015 г. Оглавление Введение ................................................................................................................... 5 1. Анализ конструктивов системы..................................................................... 6 1.1 Назначение системы ...................................................................... 6 1.2 Требования к печатному узлу ....................................................... 7 1.3 Анализ САПР ................................................................................. 8 1.4 Базовые требования по целостности сигнала ........................... 10 1.5 Постановка задачи ....................................................................... 12 2. Разработка конструкции блока ........................................................................ 14 2.1 Разработка блок-схемы..................................................................... 14 2.2 Схема электрических соединений ................................................... 16 2.3 Электрическая принципиальная схема ........................................... 17 2.4 Перечень элементов .......................................................................... 17 2.5 Обоснование конструкции устройства ........................................... 20 2.5.1 Обоснование конструкции печатной платы ............................ 20 2.5.2 Обоснование конструкции корпуса ......................................... 20 2.6 Материалы и покрытия .................................................................... 21 2.6.1 Печатный узел и печатная плата .............................................. 21 2.6.2 Корпус ......................................................................................... 22 2.6.3 Флюс ............................................................................................ 23 2.6.4 Припой ........................................................................................ 23 2.6.5 Защитное покрытие ................................................................... 23 2.7 Базовые технологии при изготовлении блока и печатной платы 24 2.7.1 Метод нанесения рисунка на печатную плату ........................ 24 2.7.2 Метод изготовления печатной платы ...................................... 24 2.7.3 Метод изготовления корпуса .................................................... 25 2.7.4 Обработка поверхности ............................................................. 25 2.7.5 Технология пайки ...................................................................... 26 2 2.8 Расчет параметров печатной платы ................................................ 27 2.8.1 Расчет конструкторских параметров ....................................... 28 2.8.2 Расчет электрических параметров............................................ 32 2.9 Разработка блока в SolidWorks ........................................................ 36 2.9.6 Корпус ......................................................................................... 40 2.10 Вывод ............................................................................................... 44 3. Разработка требований по целостности сигнала ........................................... 45 3.1 Теоретические сведения ................................................................... 45 3.1.1 Волновое сопротивление........................................................... 45 3.1.2 Модель линии связи................................................................... 47 3.1.3 Помехи в короткой линии связи ............................................... 48 3.1.4 Помехи в длинной линии связи ................................................ 49 3.2 Способы расчета помех отражения ................................................. 50 3.2.1 Аналитический метод ................................................................ 50 3.2.2 Графический метод .................................................................... 51 3.2.3 Начальные условия .................................................................... 51 3.2.4 Определение граничных условий............................................. 53 3.2.5 Решение телеграфных уравнений графическим методом ..... 53 3.2.6 Проведение расчета ................................................................... 54 3.2.7 Определение осциллограммы ................................................... 55 3.3 Расчет искажений сигнала ............................................................... 56 3.4 Способы согласования линии связи ................................................ 59 3.4.1 Согласование линии связи по входу ........................................ 60 3.4.2 Согласование линии связи по выходу ..................................... 61 3.4.3 Согласование линии по выходу с помощью делителя напряжения .................................................................................................... 63 3.5 Согласование линии связи ............................................................... 64 3.5.1 Согласование по входу .............................................................. 64 3 3.5.2 Согласование по выходу ........................................................... 65 3.5.3 Согласование по выходу с помощью делителя напряжения . 67 3.6 Вывод ................................................................................................. 68 4. Разработка требований к проектированию .................................................... 70 4.1 Требования к проектированию печатных узлов и межплатному монтажу .............................................................................................................. 70 4.2 Требования к межсоединениям ....................................................... 72 4.3 Вывод ................................................................................................. 72 5. Экологическая часть ......................................................................................... 73 5.1 Применение бессвинцовой пайки ................................................... 73 5.1.1 Подбор термопрофиля ............................................................... 74 5.1.2 Типы бессвинцовых припоев .................................................... 75 5.1.3 Флюсы ......................................................................................... 77 5.1.4 Вывод .......................................................................................... 78 6. Охрана труда ...................................................................................................... 79 6.1 Работа с ЭВМ .................................................................................... 79 6.2 Условия труда проектировщика ...................................................... 79 6.3 Пожаро- и электробезопасность. ..................................................... 80 6.4 Вывод ................................................................................................. 80 7. Экономическая часть ........................................................................................ 81 7.1 Анализ стоимости изготовления с учетом импортозамещения ... 81 Заключение ............................................................................................................ 84 Список сокращений и условных обозначений ................................................... 85 Список литературы ............................................................................................... 86 Приложения ........................................................................................................... 87 4 Введение Современные радиоэлектронные средства (РЭС) имеют очень высокую скорость обработки информации. Это достигается за счет улучшения характеристик и увеличения скорости работы элементов, из которых состоит РЭС. Однако увеличение скорости работы устройства приводит к усложнению его проектирования, поскольку для быстродействующих РЭС необходимо применение новых методов проектирования. При этом возникает проблема обеспечения целостности сигналов внутри устройства, так как необходимо обеспечить совместную работу всех компонентов разрабатываемого устройства. В данной работе мы осуществим разработку блока узкополосного передатчика. При разработке применены методы, которые также следует применять при проектировании типовых устройств. В процессе работы будет проведен анализ принципов работы данного устройства, выбор элементов и технологии изготовления печатных плат. Далее проведен анализ целостности передаваемого сигнала в данном изделии. На основе этого будет произведена разработка требований по обеспечению целостности сигнала внутри данного устройства, а также требований к интерфейсу, печатному узлу и межплатному монтажу. В результате выполнения работы будут получены сборочные чертежи готового устройства и рекомендации по проектированию для типовых устройств. 5 1. Анализ конструктивов системы 1.1 Назначение системы Узкополосный приемопередатчик (УП) является компонентом многофункционального терминала широкополосного радиодоступа (МТШРД) и предназначен для работы с узкой полосой спектра, занимаемого сигналом в эфире. Терминал широкополосного доступа в свою очередь является узлом самоорганизующейся и самовосстанавливающейся сети радиосвязи. МТШРД предназначен для обеспечения открытой или технически защищённой (с использованием внешних устройств защиты информации) радиосвязи как в самоорганизующихся и самовосстанавливающихся радиосетях, так и в радиосетях прямых связей, в тактическом звене управления. Терминал широкополосного радиодоступа обладает следующими характеристиками[1]: Таблица 1.1 Количество приемо-передатчиков 4 Диапазон рабочих частот: 230-470 МГц два приемопередатчика 30-108 МГц два приемопередатчика Ширина полосы сигнала: 5, 10, 20 МГц в диапазоне 230-470 МГц 12, 25, 100 кГц в диапазоне 30-108 МГц Максимальная передатчика: мощность 8 Вт 15 Вт в диапазоне 230-470 МГц в диапазоне 30-108 МГц 6 Абонентские интерфейсы ТЧ, С1-И, Eth, RS-232, USB2.0 Скорость передачи данных: до 6 Мбит/с в диапазоне 230-470 МГц до 64 кбит/с в диапазоне 30-108 МГц Дальность связи на одном интервале до 7 км на ненаправленную антенну: до 15 км в диапазоне 230-470 МГц в диапазоне 30-108 МГц Необходимо отметить, что в таблице 1.1 характеристики МТШРД приведены с учетом узкополосного приемопередатчика. Поэтому характеристиками УП являются нижние значения, приведенные в таблице. В данной работе будет рассматриваться только процесс проектирования УП, поскольку терминал широкополосного доступа является довольно сложным техническим устройством и его разработка в нашу задачу не входит. 1.2 Требования к печатному узлу Проектируемый блок УП будет состоять из отдельных элементов: 1. Кросс плата 2. Ячейка АЦП-ЦАП 3. Усилитель мощности 4. Ячейка блока питания 5. Ячейка ЦОС 6. Корпус Для печатного узла проектируемого блока обработки информации предъявляются следующие требования: Тип производства – мелкосерийное. 7 Климатические факторы внешней среды – устройство предназначено для работы при температуре внешней среды от +5 до +30°C и относительной влажности воздуха до 85% при температуре +25°C. При хранении воздействует среда от -5 до +50°C и влажностью до 80%. Изделие должно располагаться в корпусе, который необходим для защиты от внешних воздействий. Режим работы (номинально) – постоянный. Для уменьшения затрат узкополосный передатчик следует располагать на печатной плате. Печатный узел должен соответствовать: 1) ГОСТ Р 50621-93 (МЭК 326-4-80). Платы печатные одно- и двусторонние с неметаллизированными отверстиями. Общие технические требования. 2) ГОСТ Р 50622-93 (МЭК 326-5-80). Платы печатные двусторонние с металлизированными отверстиями. Общие технические требования. 3) ГОСТ 23751-86 Платы печатные. Параметры конструкции. 4) ГОСТ 10317-79 Платы печатные. Основные размеры. 5) ОСТ 4 Г0.070.015 Сборочные единицы радиоэлектронной аппаратуры. Общие технические условия. 1.3 Анализ САПР В настоящее время существует множество программ, предназначенных для конструирования. В качестве системы автоматизированного проектирования была выбрана программа SolidWorks, поскольку она наиболее подходит для выполнения нашей задачи. SolidWorks - это приложение для автоматизированного проектирования, позволяющее конструкторам быстро набрасывать эскизы идей, 8 экспериментировать с элементами и размерами и создавать модели и подробные чертежи[2]. Детали являются основными стандартными блоками программного обеспечения SolidWorks. Сборки содержат детали или другие сборки, называемые узлами. Модель SolidWorks состоит из трехмерной геометрии, которая определяет ее кромки, грани и поверхности. Программа SolidWorks позволяет быстро и точно проектировать модели. Модели SolidWorks: • Определяются трехмерным проектированием • Основываются на компонентах В программе SolidWorks используется трехмерный подход к проектированию. При проектировании детали от первоначального эскиза до конечного результата создается трехмерная модель. На основе этой модели можно создавать 2-мерные чертежи или сопрягать компоненты, состоящие из деталей или узлов, для создания 3-мерных сборок. Можно также создавать двухмерные чертежи трехмерных сборок. При проектировании модели с помощью программы SolidWorks можно придать ей большую наглядность по всем трем измерениям, то есть представить модель в том виде, в котором она будет при производстве. Данная программа будет использоваться для разработки конструкции печатного узла, конструкции блока и оформления конструкторской документации. 9 Рис. 1.1. Интерфейс пользователя SolidWorks. Создание 3D модели. На рисунке 1.1 приведен пользовательский интерфейс SolidWorks при создании 3D модели проектируемого изделия. Данная программа имеет понятный графический пользовательский интерфейс, что позволяет использовать ее даже неопытному пользователю. Процесс разработки необходимо начинать с создания 3D моделей всех деталей, входящих в устройство. После создания 3D модели необходимо создать сборку, в которой производится сопряжение всех деталей. После создания сборки детали можно приступать к созданию чертежей. SolidWorks поддерживает работу с ЕСКД, что делает процесс создания чертежей довольно простым. 1.4 Базовые требования по целостности сигнала Проблема целостности сигнала имеет большое значение в проектировании цифровых систем. Она связана с тем, что реальные характеристики сигналов в линии отличаются от идеальных. 10 Как мы знаем, в цифровой линии уровню логической единицы соответствует большое значение напряжения, а уровню логического нуля – маленькое. В реальных устройствах данные уровни имеют отклонения. Поэтому в данных устройствах имеется некоторое пороговое значение Vi . В случае, если на вход приемника подается напряжение меньшее данного порога, то приемник будет считать данное значение логическим нулем. Если на вход подается напряжение большее, чем данное значение, то приемник воспримет его как логическую единицу[3]. Рис. 1.2. Идеальная форма Рис. 1.3. Реальная форма входного цифрового сигнала цифрового сигнала на входе приемника На рисунке 1.2 приведен пример данной ситуации для идеального сигнала. Однако в реальной ситуации, изображенной на рисунке 1.3, форма сигнала будет иметь искажение. Это связано с наличием потерь в линии передачи, отражения от несогласованных нагрузок, резонансных явлений и прочих проблем. По сути, сигнал из цифрового превращается в аналоговый. Соответственно, образуются различные искажения, присущие аналоговому сигналу такие как выбросы, звон и т.д. Из этого возникает проблема нарушения работы системы, так как из-за возникающих приемник не может точно определить форму сигнала, что приводит к непредсказуемым последствиям[3]. 11 В качестве итога можно сказать, что при проектировке выбранного нами устройства должны соблюдаться следующими требованиями: – конструкция печатных плат должна быть выбрана правильно, поскольку в случае неправильной конструкции возникает нарушение работоспособности изделия, связанное с искажениями сигнала; – при проектировке плат следует важно относиться разработке применяемых в них межсоединений, так как в случае неправильного выбора будут возникать внутриаппаратурные помехи, такие как помехи отражения, помехи переключения, перекрестные помехи, скачки напряжения в шине питания и заземления и т.д. 1.5 Постановка задачи В данной главе проведено описание требований, которым должен соответствовать проектируемый блок узкополосного приемопередатчика. Проектирование блока УП будет проходить через несколько этапов: – разработка блок-схемы; – выбор принципиальной электрической схемы и схемы соединений; – выбор перечня элементов для печатных узлов; – выбор конструкции корпуса и печатной платы; – выбор применяемых в данном блоке материалов и покрытий; – выбор и описание базовых технологии при изготовлении блока и печатной платы; – расчет параметров печатной платы; – разработка требований по целостности сигнала для проектируемого устройства; – разработка экологических требований и требований по охране труда, а также экономическая часть; 12 – разработка требований по проектированию типовых устройств обработки информации. В результате выполнения проектирования будут получены сборочные чертежи проектируемого устройства, а также рекомендации, которые следует использовать при проектировании типовых устройств. 13 2. Разработка конструкции блока 2.1 Разработка блок-схемы Как было указано ранее, разрабатываемый блок узкополосного приемопередатчика должен состоять из нескольких компонентов, а именно: Кросс-плата – 1 шт. Ячейка ЦАП-АЦП – 2 шт. Усилитель мощности – 2 шт. Ячейка блока питания – 1 шт. Ячейка ЦОС – 2 шт. Корпус – 1 шт. Рис 2.1. Структурная схема блока узкополосного приемопередатчика. На рисунке 2.1 приведена структурная схема УП. Цифрами справа от блока отмечено количество элементов, применяемых в устройстве. Поскольку 14 разрабатываемое устройство состоит из приемника и передатчика сигналов, то некоторых компонентов будет несколько. Каждый компонент имеет свое назначение. Блок питания служит для обеспечения всего блока необходимыми уровнями напряжения и тока. На его вход подается -28В и +28В постоянного тока. Внутри блока находится стабилизатор, который понижает входное напряжение до заданных значений. На выходе БП имеются следующие значения напряжения: +28В, +12В и + 5В. Кросс-плата служит для соединения и согласования между собой работы узкополосного передатчика и узкополосного приемника. Усилитель мощности необходим для усиления мощности принимаемого и передаваемого через УП сигналов. Для приемника и передатчика отводится свой усилитель. Ячейка ЦАП-АЦП представляет из себя аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователь. Используются две ячейки: одна для приемника и одна для передатчика соответственно. Ячейка ЦОС служит для цифровой обработки и преобразования сигналов. Для приемника и передатчика отводится своя ячейка. Корпус необходим для крепления указанных выше элементов, а также для защиты от внешних воздействий. Также на корпус выводятся входные и выходные разъемы. В целях сокращения времени проектирования в качестве кросс-платы, ячейки ЦОС, ячейки АЦП-ЦАП и усилителя мощности нами будут использоваться готовые устройства. Поэтому проектирование блока будет выполняться с учетом данных условий. 15 2.2 Схема электрических соединений Схема электрических соединений представляет собой схему, показывающую входящие в состав изделия элементы и устройства, их входные и выходные элементы (соединители, платы, зажимы и т.п.), а также соединение между этими устройствами и элементами. Рис. 2.2. Схема электрических соединений УП. На рисунке 2.2 приведена схема электрических соединений разрабатываемого нами узкополосного приемопередатчика. Цифрами отмечен способ соединения элементов: – соединения 1, 3, 4, 9, 11 производятся с помощью жгутов – соединения 2, 5 – 8, 10, 12 – 17 осуществляются с помощью кабелей Цепи П1…П5 выполняются с помощью провода МГТФ 0.75 ТУ 16505.185-71. 16 В держатель под предохранитель FU1 устанавливается вставка плавкая ВП2Б-1В-10А-250В. Плавкий предохранитель необходим для защиты блока УП от превышения по току. К разъему XS1 подается входное напряжение +27В, необходимое для питания блока УП. К гнездам XW1 и XW2 подключаются антенны, одна для приема сигнала и одна для передачи соответственно. 2.3 Электрическая принципиальная схема Электрическая принципиальная схема представляет собой изображение с условными обозначениями элементов электрического устройства. Так как часть применяемых при проектировании блока компонентов имеет готовый статус, была рассмотрена только принципиальная схема ячейки блока питания. 2.4 Перечень элементов При выборе перечня элементов для нашего блока узкополосного передатчика возможны два варианта: использование готового перечня элементов, который прошел процесс согласования и который допустимо использовать при разработке изделия; использование нового перечня элементов. При выборе первого варианта отсутствует необходимость согласования элементов и их проверки на пригодность для использования. При выборе второго варианта кроме проверки новых элементов на пригодность и проведения всех согласований также необходимо провести корректировку принципиальной схемы. Поэтому в целях сокращения времени проектирования мы будем использовать первый вариант. 17 Также отметим, что часть элементов являются импортными, поскольку зарубежные элементы обладают следующими преимуществами перед отечественными: – повышенное быстродействие; – повышенная надежность; – повышенная производительность; – эффективность; – в некоторых случаях пониженная стоимость; – наличие полной технической документации. Разрабатываемая нами ячейка блока питания содержит следующие элементы (таблица 2.1): Таблица 2.1 Обозначение Наименование Описание DA1 REF196GS Аналоговая микросхема DA2 SN65HVD78D Аналоговая микросхема DA4 DA3 DA4 DD1 U1,U2 U3 U4,U5 Z1,Z2 VT1 VT2 VD1 VD2 VD3 L1 ZQ1 C6,C8 C14 ADP3330ARTZ-3.3 LT1776IS8 SN74AHC240 ATSAM3S1AB-AU СМР15А TEN40-2412WIN TEP 100-2416WIR BLM18PG331SN1 IRF4905SPBF IRLML6244 SMBJ48CA BZX384-C10 MBRA160T3 SR0604101K, 100 мкГн, 10% HC49SM-16,000 МГц-1H50PPM UVK1H221MPD 0603, 1 мкФ, 10% Аналоговая микросхема Аналоговая микросхема Аналоговая микросхема Цифровая микросхема Преобразователь Преобразователь Преобразователь Фильтр Транзистор Транзистор Диод Диод Диод Катушка индуктивности Колво x2 x2 x2 Кварцевый резонатор Конденсаторы SMD конденсатор x2 18 C17 C32 C23, C24 C10,C12,C13,C16,C19 …C22,C25…C27,C29,C 30 C18 C1,C2 C11 C31, C33 C3…C5 C28 C7,C9 C15 R18 R4 R13 R5,R8,R10,R12 R19,R28,R20,R27 R1 R6, R9 R25 R17 R3 R15,R16 R31 R26 R24 R30 R7,R11 R2 R32 R29 R14 R33 R21…R23 XP1 XP2 0603, 2.2 нФ, 10% 0603, 10 нФ, 10% 0603, 33 пФ, 5% SMD конденсатор SMD конденсатор SMD конденсатор x2 0603, 100 нФ, 10% SMD конденсатор x13 0603, 100 пФ, 5% 1206, 4.7 мкФ, 10% 1206, 10 мкФ, 10% 1206. 470 нФ, 10% 1210, 10 мкФ, 20% CAPT-C(6032)10В, 100мкФ,20% CAPT-D(7343) 50В, 4.7мкФ,20% CAPT-E(7343) 35В, 47мкФ,20% 0603, 1.0 кОм, 5% 0603, 1.62 кОм, 1% 0603, 2.0 кОм, 1% 0603, 2.55 кОм, 1% 0603, 4.7 кОм, 5% 0603, 5.1 кОм, 5% 0603, 5.11 кОм, 1% 0603, 6.19 кОм, 1% 0603, 10 кОм, 5% 0603, 10.2 кОм, 1% 0603, 10 кОм, 5% 0603, 12.1 кОм, 1% 0603, 22 кОм, 5% 0603, 34.0 кОм, 1% 0603, 36.5 кОм, 1% 0603, 40.2 кОм, 1% 0603, 51 кОм, 5% 0603, 100 кОм, 1% 0603, 100 кОм, 5% 0603, 100 кОм, 5% 0603, 330 кОм, 5% 0603, 330 кОм, 5% MF-8MBR MF-20MBR SMD конденсатор SMD конденсатор SMD конденсатор SMD конденсатор SMD конденсатор SMD конденсатор SMD конденсатор SMD конденсатор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор Соединитель Соединитель x2 x2 x3 x2 x4 x4 x2 x2 x2 x3 19 XP3 XP4 XP5 XP6 MF-2MRB PLS-4R PLS2-2 PLS-5 Соединитель Соединитель Соединитель Соединитель 2.5 Обоснование конструкции устройства При разработке конструкции должны учитываться требования ТЗ и принципиальной схемы. Также при разработке необходимо учесть, что разрабатываемое устройство имеет мелкосерийный тип производства. 2.5.1 Обоснование конструкции печатной платы Ячейка блока питания УП и остальные элементы выполнены на двусторонних печатных платах, поскольку это позволяет разместить РЭИ на плате наиболее эффективно. Установка ЭРИ на печатную плату должна быть согласована с принципиальной схемой устройства, а также с заданными техническими требованиями. 2.5.2 Обоснование конструкции корпуса Все элементы блока располагаются в стальном корпусе размерами 420x398x76. Внутри корпуса предусмотрены рамы для винтового крепления на них компонентов. На лицевой части корпуса находятся отверстия для установки на них разъемов, элементов индикации и переключателей. Корпус имеет прямоугольную форму, поскольку это облегчает процесс его установки в стойку и позволяет повысить устойчивость к нагрузкам. Сверху к корпусу с помощью винтового соединения крепится крышка с установленным на ней радиатором. Это позволяет улучшить теплоотвод от блока. 20 2.6 Материалы и покрытия 2.6.1 Печатный узел и печатная плата В проектируемых нами компонентах будут использоваться печатные платы двустороннего типа с наличием металлизированных отверстий. Платы ячейки ЦОС и ячейки ЦАП-АЦП имеют квадратную форму, а платы ячейки питания и кросс платы – прямоугольную. Исходя из требований ТЗ и в соответствии с ГОСТ Р50621-93, ГОСТ Р50622-93, ГОСТ 23751-86 и ГОСТ 10317-79, ОСТ 4.010.022-85 принимаем следующие требования к плате ячейки питания: – класс точности – 3; – группа жесткости – 3; – шаг координатной сетки – 1.25 мм. 2.6.1.1 Класс точности Согласно ГОСТ 23751-86[4] существует пять классов точности для печатных плат. Каждый класс имеет свои допуски на размеры и расположение проводников и контактных площадок на печатной плате. Нами был выбран третий класс точности. Его параметры приведены в таблице 2.2: Таблица 2.2 Условное обозначение элементов печатного монтажа Наименьшая ширина проводника t, мм Расстояние между проводниками, Значение, мм. 0.25 между проводниками и контактными площадками S, 0.25 мм 21 Предельное отклонение Δt, мм ±0.10 Минимальное значение гарантийного пояска для класса точности b, мм Позиционный допуск расположения проводника относительно соседнего T1, мм 0.10 0.05 2.6.1.2 Основание печатной платы Каждый материал для печатного узла имеет свои преимущества и недостатки. При выборе материала также необходимо учитывать частоты и токи, на которых будет работать проектируемое устройство. Компоненты нашего устройства имеют двусторонние печатные платы и работают на высоких частотах, поэтому в качестве материала мы будем использовать двусторонний фольгированный стеклотекстолит СФ-2Н-50Г согласно ГОСТ 10316-78. Его толщина 2.5 мм, толщина фольги 50 мкм. 2.6.2 Корпус Корпус изготавливается из листового метала толщины 1.5 мм. Материалом корпуса является нержавеющая сталь марки Ст3. Данный материал имеет следующие преимущества: высокая стойкость к механическим нагрузкам, высокая прочность, большой срок службы и сопротивление коррозии. К недостаткам можно отнести большую массу конечного изделия, однако данный недостаток не является большим, поскольку расположение блока УП будет стационарным. 22 2.6.3 Флюс Флюс необходим для подготовки поверхности к пайке и ее очистки от оксидов. Нами будет использоваться флюс ЛТИ-120. Он представляет из себя раствор канифоли в этиловом спирте. Данный флюс подходит для пайки нержавеющей стали, цинка, серебра, меди и ее сплавов. После окончания пайки отмывать данный флюс не требуется. В качестве растворителя можно использовать спиртом или ацетоном. 2.6.4 Припой Припой необходим для соединения элементов печатного узла, предназначенных для установки в отверстия. Считается, что крепкое паяное соединение обеспечивает тугоплавкий припой. Нами будет использоваться припой ПОС-61 (ГОСТ 2193-76). Данный припой предназначен для пайки медных проводов и жил к выводам разъёмов, полупроводниковым приборам и прочих элементов, где недопустим перегрев. Состав: олово 50—61%, свинец 39—50%. Температура плавления данного припоя составляет: начальная 183оС, конечная - 190оС. 2.6.5 Защитное покрытие Для защиты элементов от внешних воздействий на плату необходимо нанести защитное покрытие. Нами будет использоваться лак УР-231 ВТУ ГИПИ-4 № 366-62. Данный лак предназначен для защиты печатных узлов и металлических изделий независимо от климатической обстановки и эксплуатируемых при температурах от -60оС до 120оС. Покрытие лаком необходимо проводить после травления печатной платы, а также после сборки печатного узла. Нанесение лака осуществляется методом погружения. Для маркировки печатной платы используется эмаль ЭП-72. Эмаль наносится методом шелкографии. 23 2.7 Базовые технологии при изготовлении блока и печатной платы 2.7.1 Метод нанесения рисунка на печатную плату Для нанесения рисунка на плату можно использовать следующие методы: – сеткографический; – офсетная печать; – фотопечать. Сеткографический метод изготовления основывается на продавливании заранее подготовленной краски через сетчатый трафарет с помощью рекеля. Метод офсетной печати основан на изготовлении специальной формы, на поверхности которой формируется рисунок слоя, наносимый на основание платы. В качестве метода нанесения рисунка на плату используется фотопечать. Данный метод основывается на переносе контактного рисунка печатного монтажа со специального шаблона на покрытое фоторезистом основание. Данный метод подходит для нашего класса точности и имеет приемлемую точность (0.05 мм). 2.7.2 Метод изготовления печатной платы В качестве метода изготовления ПП можно использовать: аддитивный, полуаддитивный, субтрактивный и комбинированный метод. Аддитивный метод использует основание без фольги, куда наносится проводящий рисунок. Полуаддитивный метод отличается от аддитивного использованием гальванических методов металлизации. Субтрактивный метод использует перенос травлестойкой пленки с рисунком печатных проводников на основание, на которое нанесена фольга. После этого 24 происходит химическое травление. Комбинированный метод сочетает в себе различные приемы изготовления ПП. Для изготовления печатной платы используется комбинированный позитивный метод, поскольку он больше всего подходит для нашего устройства. Из его плюсов можно отметить высокую степень разрешения при установке элементов и прочность сцепления элементов платы с основанием. Далее будут описаны этапы этого метода. Изготовление печатной платы начинается с обрезки заготовки и очистки фольги на поверхности. После этого сверлением изготовляются отверстия для металлизации. Далее происходит предварительная металлизация, сначала химическая, а затем гальваническая. Затем наносится фоторезист и происходит основной этап металлизации. После наносится металлорезист и удаляется фоторезист, затем происходит травление открытых участков фольги, металлорезист при этом удаляется. Наносятся контактные покрытия; после их нанесения плата промывается и сушится. После промывки и сушки на плату наносится паяльная маска для защиты проводящего рисунка, и затем наносятся маркировочные знаки. В конце плата обрезается по периметру и происходит ее электрическая проверка. После проверки плата готова к дальнейшему использованию. 2.7.3 Метод изготовления корпуса Корпус блока узкополосного передатчика будет изготавливаться из листовой нержавеющей стали толщиной 1.5 мм. 2.7.4 Обработка поверхности Обработка поверхности проводится для удаления загрязнений и получения равномерной поверхности печатной платы. Существует несколько вариантов обработки печатных плат: механический, химический, гальванический, комбинированный и т.д. При обработке печатной платы нами 25 будет использоваться механический метод, поскольку данный метод наиболее часто используется на производстве для обработки плат. После обработки печатной платы происходит ее промывка: струйная для отверстий диаметром > 0.5 мм, и фонтанная для более мелких отверстий. На следующем этапе происходит изготовление монтажных и переходных отверстий на плате. Так как на плате имеются металлизированные переходные отверстия, то для изготовления отверстий будет применяться сверление. После получения отверстий необходимо провести металлизацию платы. Металлизация печатной платы применяется для изготовления металлических покрытий на плате. В качестве метода изготовления металлизированных отверстий будет использоваться химическое меднение. На заключительном этапе необходимо рассмотреть варианты соединения элементов на плате. Для межсоединений на ПП применяются печатные проводники, а для соединения РЭИ и печатных проводников применяется пайка. 2.7.5 Технология пайки В качестве технологии пайки используется пайка двойной волной припоя, поскольку в нашем изделии одновременно используются элементы поверхностного монтажа и элементы для установки в отверстия. К преимуществам данного метода можно отнести скорость процесса пайки, а также высокую плотность монтажа. Двойная волна припоя состоит из следующих волн: узкой и ламинарной. Узкая волна подается из форсунки под высоким давлением. При этом происходит смачивание выводов ЭРИ. Ламинарная волна завершает процесс формирования соединений и удаляет перемычки, оставшиеся от узкой волны. Пайка волной проводится на конвейере с тремя рабочими зонами: 26 – зона флюсования; – зона предварительного нагрева; – зона пайки. В зоне флюсования происходит удаление оксидных пленок с поверхности печатной платы и происходит смачивание припоя. Флюс наносится распылением с помощью сетчатого барабана. После нанесения флюса его излишки удаляются с помощью воздушной струи. В зоне предварительного нагрева осуществляется нагревание печатной платы специальными конвекционными системами для предотвращения выхода из строя РЭИ на печатной плате в результате перепада температур при контакте с флюсом и припоем. В зоне пайки происходит пайка элементов печатной платы за счет специальной волны припоя, образующейся в ванне с насосом, устанавливающим форму волны. Печатная плата располагается на лепестках конвейера. Это позволяет изменять угол наклона ПП для удаления излишков припоя. 2.8 Расчет параметров печатной платы В данном пункте произведен расчет параметров платы проектируемого устройства – ячейки блока питания. Технические характеристики: Напряжение питания: +28В; Максимальный ток через проводник: 3.6 А; Размер платы: 130x180 мм; Класс точности: 3; Вид платы: двусторонняя; Метод изготовления: комбинированный позитивный; 27 2.8.1 Расчет конструкторских параметров 2.8.1.1 Расчет диаметра монтажных отверстий и контактных площадок Диаметр отверстий на печатной плате рассчитывается по формуле d d н .о . dэ r , (2.1) где – d н .о . является нижним допустимым отклонением. Для нашего класса точности 3 для отверстий без металлизации отклонение составляет 0.05; – r- разность между минимальным диаметром отверстия и максимальным значения вывода элемента. Для ручного монтажа РЭИ значение следует брать от 0.1 до 0.4 мм; – d Э - максимальный диаметр вывода РЭИ. Таким образом, получаем d dЭ 0.2 Расчет контактной площадки проводится с учетом класса точности ПП: 0.5 D d dв.о. 2b tв.о. 2d т. р. Td 2 T 2 D t 2 н.о. , (2.2) где – d в.о. - верхнее допустимое отклонение для значения диаметра отверстия. Для третьего класса точности и отверстия менее 1 мм берется значение 0.05; – b - гарантийный пояс. Для нашего класса точности берется значение 0.1; – d т. р. - значение вытравливания диэлектрика для отверстия. Так как плата двусторонняя, то значение берем равное 0; – tв .о. и tн.о. - верхний и нижний предельный допуск отклонения ширины проводника. Для нашего класса точности значение = 0.05; 28 – Td - погрешность расположения для осей монтажного отверстия. Для нашего класса точности = 0.15; – Т D - погрешность расположения цента контактной площадки. Мы берем значение 0.25. Отсюда получаем: D d 0, 6 Полученные значения приведены в таблице 2.3. Согласно ГОСТ 1031772[5], округление происходит в большую сторону. Таблица 2.3 Значение Значение диаметра диаметра выводов, отверстий, мм мм СМР15А(x2) 1.0 1.2 1.8 6(x2) TEN40-2412WIN 0.1 0.3 0.9 7 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 Название элемента TEP 2416WIR(x2) 100- Значение диаметра Количество КП, мм 29 2.8.8.2 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 t tmin D tн.о. , (2.3) где – tmin D - минимальный допуск на ширину проводника; расчет производится исходя из нагрузки по току; – tн.о. - 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 jдоп : tmin D I max , где jдоп h (2.4) – tmin D - разрешенная минимальная ширина для проводника; – jдоп - значение максимальной плотности для тока в печатном проводнике; – h - толщина печатного проводника. Нами применяется позитивный комбинированный метод изготовления, поэтому jдоп = 100 А/мм2. I max - 3.6 А 30 У применяемого нами материала СФ-2Н-50Г толщина проводника будет иметь значение h = 0.05 мм. Отсюда выходит tmin D 3.6 0.72 мм 50 103 100 (2.5) Получается, что минимальное допустимое значение ширины для печатного проводника равно t 0.72 0.05 0.77 мм (2.6) Согласно ГОСТ 23751-86[4], для выбранного нами класса точности минимальное значение ширины проводника округляется до 0.8 мм. 2.8.8.3 Расстояние между двумя проводниками Расчет минимально допустимого расстояния между элементами проводящего рисунка производится по формуле S S min D t В.О. T1 , где 2 (2.7) – S minD - минимальное расстояние для элементов проводящего рисунка, в нашем случае для 25 U 50 В значение составляет 0.2 мм; – Tl - позиционная погрешность расположения печатных проводников. Для нашего класса точности 0.05 мм; – t В .О . - верхний предел отклонения ширины проводника. В нашем случае тоже 0.05 мм. Отсюда получаем S = 0.275 мм. 31 2.8.2 Расчет электрических параметров 2.8.2.1 Расчет емкости в печатном монтаже Расчет емкости между 2-мя проводниками производится по формуле C 8.85 Cг l пФ , где (2.8) – - эффективная диэлектрическая проницаемость для материалов изоляции; – Cг - безразмерная величина, обозначает емкость на 1 ед. длины для рассчитываемой системы проводников; – l - длина для системы проводников, м. Так как наша плата двусторонняя, то при вычислении эффективной диэлектрической проницаемости нужно учесть диэлектрическую проницаемость воздуха (значение 1 = 1) и основания платы (стеклотекстолит имеет значение 2 = 5,6), l=0.05 м. Для двух проводников (рис. 2.3) имеем: Рис. 2.3. Емкость в случае двух проводников Сг К 1 2 2 К 3.3 (2.9) (2.10) К f ( ) и К’ f ’ , где arcsink и ’ arcsink’ . Коэффициенты К и К’ необходимо взять из специальных таблиц[6]. 32 Теперь определим модуль эллиптического интеграла первого рода k S 2 , t=0.8 мм. S t 2 (2.11) S 2 0.4 0.33 k S t 0.4 0.8 2 (2.12) (2.13) k 1 k 2 0.94 19 ’ 70 Сг К К 3.6 (2.14) C 8.85 3.3 3.6 0.033 3.47 пФ Емкость между проводником и землей (рис. 2.4) рассчитывается по формуле Рис. 2.4. Емкость между проводником и землей Сг 1.4 К 1 2 2 0.8 103 2 1.5 10 (2.16) 3.3 Модуль эллиптического интеграла первого рода k th k th (2.15) К 3 0.68 t 2hиз , t=0.8 мм (2.17) 33 (2.18) k 1 k 2 0.73 43 ’ 47 Сг 1.4 К К 1.53 (2.19) C 8.85 3.31.53 0.05 2 пФ Расчет показывает, что емкость между проводниками имеет очень маленькое значение, и в нашем случае ей можно пренебречь. 2.8.2.2 Индуктивность печатных проводников Рис. 2.5. Прямолинейный проводник Для прямолинейного проводника (рис. 2.5) индуктивность рассчитывается по формуле 2l L 0.2l ln 1 , l – длина проводника. 0.224 t tср 2 0.05 0.053 мкГн L 0.2 0.05 ln 1 0.224 0.8 103 (2.20) (2.21) Для двухпроводной линии (рис. 2.6) имеем 34 Рис. 2.6. Двухпроводная линия S L 0.4 ln 1.5 th ф (2.22) 0.5 103 0.376 мкГн L 0.4 ln 1.5 0.8 103 75 106 (2.23) Для проводника рядом с землей (рис. 2.7) индуктивность рассчитывается по формуле Рис. 2.7. Проводник рядом с землей 4h 2hф L 0.2 ln из 0.25 d экв (2.24) d экв 0.567 t 0.67 hф (2.25) 4 1.5 103 2 75 106 L 0.2 ln 0.25 0.55 мкГн 3 6 0.567 0.25 10 0.67 75 10 35 2.8.2.3 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 2l M 0.2l ln 1 S 2 0.05 M 0.2 0.05 ln 1 0.043 мкГн 3 0.5 10 (2.26) (2.27) Расчет показывает, что паразитные и взаимные индуктивности проводников малы, поэтому ими можно пренебречь. 2.9 Разработка блока в SolidWorks Как нами указывалось ранее, блок УП состоит из следующих компонентов: 1. Кросс плата 2. Ячейка АЦП-ЦАП 3. Усилитель мощности 4. Ячейка блока питания 5. Ячейка ЦОС 6. Корпус Разработка компонентов будет осуществляться в САПР SolidWorks 2012, с созданием 3D модели компонента и получением готового чертежа. 36 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. 37 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. 38 Рис. 2.11 Модель ячейки блока питания После получения модели мы можем создать сборочный чертеж. Полученные чертеж приведен на рисунке 2.12. 39 Рис. 2.12 Чертеж ячейки блока питания 2.9.6 Корпус Модель используемого нами корпуса блока приведена на рисунке 2.13. На рисунке 2.14 приведен скриншот сборки блока. 40 Рис. 2.13 Модель корпуса блока Рис. 2.14 Модель сборки Теперь можно перейти к построению чертежей. Чертеж корпуса приведен на рисунке 2.15. 41 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. 42 Рис. 2.16 Сборочный чертеж блока 43 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. 44 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 3.1.1 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; 45 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 Z (L/ C)1/2 (3.1) Размерность волнового сопротивления [Ом]. Диапазон значений – от 40 до 120 Ом. Также следует учесть соотношение LC const , действующее в линии в Tволной. Обычно значение этой постоянной принимается равным LC , т.е. LC , и - значение диэлектрической и магнитной проницаемости. Далее с учетом C линии получаем: L / C (3.2) Волновое сопротивление можно определить из: Z (L/ C)1/2 ()1/2 / C (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]. 46 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. 47 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 D1 выдает напряжение U r (t) , то на элементе D 2 с условием Rвых1 Rвх 2 входное напряжение изменяется по формуле U вх 2 U r (t)[1 exp( t/ л )] , (3.4) л - константа времени. Для линии емкостного типа получаем л Rвых1C , (3.5) Для линии индуктивного типа получаем л L / Rвх 2 . (3.6) 48 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 D 2 . В нашем случае возьмем типовое значение U пор 0.5U вх , (3.7) время достижения заданного порога з 0.7 л . (3.8) Отсюда получаем, что параметр л 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 49 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: 1. Аналитический, основанный на вычислении коэффицентов отражения. 2. 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: 1) Расчет коэффицентов отражения Гr и Гs. 2) Расчет амплитуд отраженных и падающих волн: U ni Г sU o (i 1) , (3.9) U oi Г sU n ( j 1) . 3) Расчет формы сигнала U(x,t) как суммы отраженных и падающих волн: U (x, t) U ni U oj . i j (3.10) 50 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 U i L , x t i U C . x t (3.11) Решение получается при указании начальных условий при t=0 и граничных условий U s , I s в точке s; Ur , Ir 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, Rвых линейное. В начальный момент времени t 0 нагрузкой является сопротивление Z. 51 Рис. 3.4. Эквивалентные схемы каскада с формами сигнала для начала и конца линии Входное напряжение находится по формуле: U s (0) U (t) Z , Rг Z (3.12) Z всегда <1. Rг Z При этом возникает дополнительная задержка: t f ( Z ) Rг Z (3.13) Значение волнового сопротивления обратно пропорционально значению сопротивления R и прямо пропорционально U s (0) . 52 Далее идет следующий этап. 3.2.4 Определение граничных условий Определение граничных условий происходит с помощью ВАХ микросхемы. Нам необходимы следующие характеристики: U s 0 (I),U s1 (I), иU r (I) . 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 U n ZI n d1 , (3.14) где U n U s (0) - напряжение в точке s при t 0 , In - ток падающей волны, Z – значение волнового сопротивления равное углу наклона прямой. d1 обозначает константу, зависящую от граничных условий. Поэтому для построения характеристики необходимо знать значение Z и точку, принадлежащую ей. Для отраженной волны характеристика имеет вид U 0 ZI 0 d2 , (3.15) где значения аналогичны предыдущей характеристике, а d 2 является еще одной константой. 53 Также для расчетов необходимо знать значение угла z , заданное в градусах. Значение определяется по формуле z arctg (Z ) M , (3.16) где M – отношение масштаба оси U к масштабу оси I, определяемое по формуле M Обычно масштаб задается mu B mI A таким, чтобы (3.17) 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 Rг . Рассмотрим вариант переключения из нуля в единицу. Значение U в точке s находится из: – падения U на волновом сопротивлении Z; – ВАХ генератора. 54 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 углом z до пересечения U s1 (I) . 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 используется метод осциллограмм характеристик. полученного Нам необходимо сигнала также знать время распространения сигнала от начала до конца линии T и значение Z. Определение проводится в пять этапов: 55 1. Обозначение граничных условий (схемы типа КМОП или ТТЛ). 2. Определение режима 0 и 1. 3. Определение начальных условий. Для этого строится нагрузочная прямая из точки 0 под углом Z для определения точки A. 4. Определение амплитуд падающих и отраженных волн. Для этого строятся ХПВ и ХОВ до достижения состояния “1”. 5. Построение осциллограмм. Построение начинается с осциллограммы U s (t) в начале линии (точки A,C,E). На рисунке 3.6 приведен пример построения осциллограмм. После этого строятся осциллограммы для U r (t) (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. 56 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; U s1 ( I ) – выходная ВАХ генератора для состояния логической единицы; U s 0 ( I ) – выходная ВАХ генератора для состояния логического нуля; U r ( I ) – входная ВАХ нагрузки. В качестве вольтамперных характеристик заданы параметры КМОПмикросхемы 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. 57 Рис 3.9. ВАХ используемой микросхемы. Перейдем непосредственно к расчетам. Масштабный коэффицент M будет равняться 0,25, значение угла z будет 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. 58 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 Рис 3.12. Осциллограмма сигнала для режима из “0” в “1”. 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. 3.4 Способы согласования линии связи Согласование линии необходимо для устранения помех отражения, возникающих в линии. Для согласования линии применяют согласующие резисторы Rc . 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 59 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 Rг Z ) поставить согласующий резистор с сопротивлением, определяемым по формуле Rсг Z Rг (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 сг arctg[(R г R сг ) mu / mi ] arctg(Zmu / mi ) (3.19) 60 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 Rсн . На рисунке 3.14 приведен пример его установки. 61 Рис. 3.14. Согласование по выходу: а) схема замещения; б) графический метод характеристик; в) готовые осциллограммы. Номинал резистора устанавливается согласно формуле Z Rсн Rн / (R сн R н ), (3.20) Rсн ZRн / (R н Z) (3.21) либо В случае Rн Z имеем Rсн Z . До согласования линии ВАХ нагрузки строилась под углом н arctg (R н ) M (3.22) В случае согласованной линии используется угол сн z . Как нами указывалось ранее, недостатком данного метода является значительное уменьшение уровня установившегося напряжения в линии, поэтому данный метод согласования следует применять с осторожностью. 62 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 U un , а второй между линией связи и шиной земли. Входное сопротивление нагрузки определяется по формуле Rн Z Rс1Rc 2 / (R c1 R c 2 ) . (3.23) На рисунке 3.15 приведен пример согласования линии с помощью такого метода. При этом входное сопротивление микросхемы должно быть больше Rc1 и Rc 2 . Вольтамперная характеристика резистивной цепочки определяется по формуле U E Rн I , где Rн - угловой коэффицент, строящийся под углом н arctg (R н mu / mi ) . Эта прямая отсекает на оси напряжений отрезок E. Он определяется по формуле E U un Rc 2 / (R c1 R c 2 ) . (3.24) Рис. 3.15. Согласование по выходу делителем напряжения: а) схема включения; б) графический метод характеристик. 63 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 3.5.1 Согласование по входу Теперь перейдем непосредственно к согласованию линии по входу. Для этого последовательно с генератором поставим согласующий резистор номиналом Rсг 50 Ом. Следует применять данный номинал, так как волновое сопротивление линии Z 50 Ом. 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 сг . Это объясняет изменение уровня напряжения для “нуля” и 64 “единицы” в линии. Угол нагрузочной прямой z = 22º. Перейдем к построению осциллограмм. Рис. 3.17. Осциллограмма сигнала Рис. 3.18. Осциллограмма сигнала для режима переключения из “0” в для режима переключения из “1” в “1”. “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. 3.5.2 Согласование по выходу Для согласования линии по выходу установим параллельно нагрузке согласующий резистор Rсн = 50 Ом. Номинал резистора берется исходя из волнового сопротивления линии Z = 50 Ом. Теперь перейдем к расчету. 65 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 o строятся под одинаковым углом ( сн z 22 ). Уровень “нуля” не изменился, однако уровень “единицы” потерпел значительное изменение. Перейдем к построению осциллограмм. Рис. 3.20. Осциллограмма сигнала Рис. 3.21. Осциллограмма сигнала для режима переключения из “0” в для режима переключения из “1” в “1”. “0”. 66 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. 3.5.3 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 н z 22o , проходя при этом через точку E = 2,5 В, согласно расчету. Рис. 3.23. Осциллограмма сигнала Рис. 3.24. Осциллограмма сигнала для режима переключения из “0” в для режима переключения из “1” в “1”. “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]. 69 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 70 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. 71 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. 72 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 свинцовосодержащими пайки припоями, что по сравнению требует со применения специального паяльного оборудования; – сложность технологии пайки, что требует дополнительных затрат при производстве. 73 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 Рис. 5.2. Термопрофиль прияпоя. 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 170 190С вместо прежних 140 160С для обычных паст. Данный 74 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 8С , что является хорошим результатом. Рис. 5.3. Варианты термопрофилей при пайке: 1) трапециевидный; 2) стандартный. 5.1.2 Типы бессвинцовых припоев Существует пять групп припоев без содержания свинца: 1) SnCu 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. 75 2) SnAg 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 221С и хорошее качество пайки. 3) SnAgCu Эвтектические припои, содержащие сплавы меди, серебра и олова. Имеют температуру плавления 217С . Соотношение компонентов данной группы припоев различается у различных производителей. Каждый состав имеет свои преимущества и недостатки. При добавлении Sb (сурьмы) припой можно использовать для пайки волной. 4) SnAgBi Cu Ge Температура плавления данного сплава имеет значение 200 210С . 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. 5) SnZnBi Данный тип припоев следует использовать при пайке в среде защитного газа, так как наличие Zn (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 применяют SnAgCu припои. Для изготовления профессиональной техники применяют SnAgCu и SnAg сплавы. Для обычной бытовой техники и техники широкого потребления применяют SnAgCu и SnAg сплавы. 76 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 77 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. 78 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. 79 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. 80 7. Экономическая часть 7.1 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 REF196GS Аналоговая микросхема SN65HVD78D Аналоговая микросхема Сумма, имп., руб 132 208 ADP3330ARTZ-3.3 LT1776IS8 SN74AHC240 ATSAM3S1AB-AU СМР15А TEN40-2412WIN TEP 100-2416WIR BLM18PG331SN1 IRF4905SPBF IRLML6244 SMBJ48CA BZX384-C10 MBRA160T3 SR0604101K, 100 мкГн, 10% HC49SM-16,000 МГц-1H-50PPM UVK1H221MPD 0603, 1 мкФ, 10% 0603, 2.2 нФ, 10% Аналоговая микросхема Аналоговая микросхема Аналоговая микросхема Цифровая микросхема Преобразователь Преобразователь Преобразователь Фильтр Транзистор Транзистор Диод Диод Диод Катушка индуктивности Кварцевый резонатор Конденсаторы SMD конденсатор SMD конденсатор 78 276 50 732 2500 4800 20000 40 82 13 20 2 26 27 30 40 8 8 Наименование Описание Колво x2 x2 x2 x2 Сумма, РФ, руб. 3300 - 81 0603, 10 нФ, 10% 0603, 33 пФ, 5% 0603, 100 нФ, 10% 0603, 100 пФ, 5% 1206, 4.7 мкФ, 10% 1206, 10 мкФ, 10% 1206. 470 нФ, 10% 1210, 10 мкФ, 20% CAPT-C(6032)10В, 100мкФ,20% CAPT-D(7343) 50В, 4.7мкФ,20% CAPT-E(7343) 35В, 47мкФ,20% 0603, 1.0 кОм, 5% 0603, 1.62 кОм, 1% 0603, 2.0 кОм, 1% 0603, 2.55 кОм, 1% 0603, 4.7 кОм, 5% 0603, 5.1 кОм, 5% 0603, 5.11 кОм, 1% 0603, 6.19 кОм, 1% 0603, 10 кОм, 5% 0603, 10.2 кОм, 1% 0603, 10 кОм, 5% 0603, 12.1 кОм, 1% 0603, 22 кОм, 5% 0603, 34.0 кОм, 1% 0603, 36.5 кОм, 1% 0603, 40.2 кОм, 1% 0603, 51 кОм, 5% 0603, 100 кОм, 1% 0603, 100 кОм, 5% 0603, 100 кОм, 5% 0603, 330 кОм, 5% 0603, 330 кОм, 5% MF-8MBR MF-20MBR MF-2MRB PLS-4R PLS2-2 SMD конденсатор SMD конденсатор SMD конденсатор SMD конденсатор SMD конденсатор SMD конденсатор SMD конденсатор SMD конденсатор конденсатор конденсатор конденсатор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор SMD резистор Соединитель Соединитель Соединитель Соединитель Соединитель x2 x13 x2 x2 x3 x2 x4 x4 x2 x2 x2 x3 8 16 104 8 16 8 16 24 12 28 14 0.2 0.2 0.2 0.8 0.8 0.2 0.4 0.2 0.2 0.2 0.4 0.2 0.2 0.2 0.2 0.4 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.6 64 63 37 23 24 8 8 8 32 32 8 16 8 8 8 16 8 8 8 8 16 8 8 8 8 8 24 - 82 PLS-5 Итого: Соединитель 5 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. 83 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. 84 Список сокращений и условных обозначений 3D – 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. 85 Список литературы 1. Сайт “НИИССУ” [Электронный ресурс]. – Режим плат для доступа: http://www.niissu.ru. Дата обращения: 20.05.2015. 2. Solidworks. Руководство пользователя. 2012 3. Кечиев Л.Н. Проектирование печатных цифровой быстродействующей аппаратуры / Л.Н. Кечиев – М.: ООО “Группа ИДТ”, 2007. – 261 с. 4. ГОСТ 23751-86 Платы печатные. Основные параметры конструкции. 5. ГОСТ 10317-79 Платы печатные. Основные размеры. 6. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике, М., "Наука", 1974, стр.80. 7. Щербаков С. А. Метод оценки искажения сигнала в длинных линиях передачи с учетом допусковых отклонений. Выпускная квалификационная работа. МИЭМ НИУ ВШЭ, 2014 8. Отличие бессвинцовой [Электронный технологии ресурс]. – от стандартного Режим процесса доступа: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/publ/_compel/pb-free.htm. Дата обращения: 20.05.2015. 9. ГОСТ 12.2.032-78 Рабочее место при выполнении работ сидя. Общие требования. 86 Приложения 1. ФИЯГ.000007.001 Э4 Блок приемопередатчиков узкополосный. Схема электрических соединений. 2. ФИЯГ.000007.001 СБ Блок приемопередатчиков узкополосный. Сборочный чертеж. 3. ФИЯГ.000002.001 СБ Корпус. Сборочный чертеж. 4. ФИЯГ.000005.001 СБ Ячейка блока питания. Сборочный чертеж. 87
