Описание схемы электрической принципиальной. Обоснование выбора резисторов, конденсаторов, микросхем, диодов. Разработка трассировки и компоновки печатной платы. Настройка простого средневолнового синтезатора частоты. Организация рабочего места оператора.
В дипломном проекте был изучен принцип работы и проанализированы технические параметры простого средневолнового синтезатора частоты. По схеме электрической принципиальной проведено обоснование выбора элементов по их электрическим параметрам: конденсаторов, резисторов, диодов и микросхем, транзисторов, а так же проведено обоснование разработки трассировки и компоновки печатной платы.
Введение
Стремительное развитие микропроцессорной и компьютерной техники, микроэлектроники оказывает существенное влияние на развитие радиопередающих устройств как с точки зрения увеличения функциональных возможностей, так и с точки зрения улучшения их эксплуатационных показателей.
Синтезаторы частот служат источниками стабильных (по частоте) колебаний в радиоприемниках, радиопередатчиках, частотомерах, испытательных генераторах сигналов и других устройствах, в которых требуется настройка на разные частоты в широком диапазоне и высокая стабильность выбранной частоты. Стабильность обычно достигается применением фазовой автоподстройки частоты или прямого цифрового синтеза (DDS) с использованием опорного генератора с кварцевой стабилизацией. Синтез частот обеспечивает намного более высокую точность и стабильность, чем традиционные электронные генераторы с перестройкой изменением индуктивности или емкости, очень широкий диапазон перестройки без каких-либо коммутаций и практически мгновенное переключение на любую заданную частоту. [1].
Синтезатор частот - устройство для генерации электрических гармонических колебаний с помощью линейных повторений (умножением, суммированием, разностью) на основе одного или нескольких опорных генераторов. Синтезаторы частоты обычно выполняются с применением цифровой техники, то есть необходимая частота задается в цифровом виде, управление осуществляется с помощью микроконтроллера.
Тема дипломной работы - «Простой средневолновой синтезатор частоты». В дипломном проекте представлена актуальная разработка синтезатора построенного по классической схеме с петлей фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) на микросхемах структуры КМОП в корпусах, не содержащих золота и с широко распространенным кварцевым резонатором на 1 МГЦ.
Целью дипломного проекта является разработка простой конструкции синтезатора частоты без ухудшения технических характеристик. Цель предопределила структуру дипломного проекта. Он состоит из введения, восьми частей и заключения.
Введение включает актуальность, цель дипломного проекта, раскрывает его теоретическую и практическую значимость.
Общая часть посвящена разработке и описанию принципа работы схемы электрической принципиальной для устройства «Простой средневолновой синтезатор частоты».
Исследовательская часть включает исследование и выбор элементов схемы.
Расчетная часть посвящена расчету основных параметров схемы электрической принципиальной.
В конструкторской части проводится обоснование разработки трассировки и компоновки печатной платы.
Организационная часть рассматривает вопросы организации рабочего места оператора при эксплуатации электронной аппаратуры.
Экономическая часть посвящена расчету себестоимости устройства «Простой средневолновой синтезатор частоты».
В части охраны труда рассматриваются мероприятия по охране труда при наладке РЭО.
В заключении подводятся итоги исследования, формируются окончательные выводы по рассматриваемой теме.
1. Общая часть
1.1 Анализ технического задания
Диапазон рабочих частот, КГЦ от 1449 до1800, Шаг перестройки, КГЦ 9, Число фиксированных частот, 40, Напряжение питания, В от15 до 30, Точность установки частоты, не хуже Гц от минус 5 до плюс 5, Температурный уход частоты, °С-1 - 1,5·10-6, Потребляемый ток, МА - 50.
Целью дипломного проекта является разработка устройства и схемы электрической принципиальной простого средневолнового синтезатора частоты с анализом технических параметров, а также разработка трассировки печатной платы и сборочного чертежа на устройство.
По схеме электрической принципиальной произвести обоснование выбора радиоэлементов по их электрическим параметрам: резисторов, конденсаторов, микросхем, диодов, транзисторов и произвести следующие расчеты: расчет надежности;
расчет теплового сопротивления корпуса ИС;
расчет коэффициента заполнения печатной платы;
расчет узкого места;
расчет себестоимости.
В дипломном проекте необходимо провести обзор разделов по технологической, организационной части и по технике безопасности.
1.2 Описание схемы электрической принципиальной простого средневолнового синтезатора частоты
Структурная схема синтезатора представлена на рисунке 1.2.1 Генератор, управляемый напряжением (ГУН), работает на той же частоте, которая поступает на выход. Устойчивость к наводкам обеспечивается тем, что частотозадающие цепи этого генератора не содержат катушек индуктивности, а сам он практически целиком находится внутри одной микросхемы.
Формирователь импульсов (ФИ) имеет однотактный мощный выход с открытым стоком и допустимым напряжением до 200 В. Для оптимального согласования с нагрузкой в формирователе предусмотрена возможность регулировки длительности выходных импульсов.
Образцовый сигнал частоты сравнения 100 Гц получается делением частоты кварцевого генератора (КГ) 1 МГЦ на 10000. Столь низкой эта частота выбрана по той причине, что в спектре выходного сигнала синтезатора неизбежно присутствуют составляющие, отстоящие на ее значение от основной выходной частоты. Если в связной аппаратуре с этим можно мириться, то для вещательного передатчика наличие спектральных составляющих, создающих при амплитудном детектировании сигналы звуковых частот, недопустимо. Поэтому частоту сравнения необходимо выбирать в надтональной или подтональной области. В нашем случае принят второй вариант, поскольку 100 Гц легко подавить последетекторным фильтром приемника, не ухудшая качества принимаемых речевых и музыкальных сигналов.
Частотно-фазовый детектор (ЧФД) сравнивает образцовый сигнал 100 Гц с сигналом такой же (в режиме захвата) частоты, полученным делением частоты ГУН сначала на 9, а затем с помощью делителя с переменным коэффициентом деления (ДПКД) на 1610-2000 в соответствии с заданным значением выходной частоты. В зависимости от знака рассогласования сравниваемых сигналов по частоте и фазе ЧФД вырабатывает управляющий сигнал, увеличивающий или уменьшающий частоту ГУН. Управляющее напряжение поступает на ГУН через пропорционально-интегрирующий фильтр (ПИФ), оптимизирующий динамические характеристики петли ФАПЧ.
Предварительное деление частоты ГУН на 9 продиктовано двумя причинами. Во-первых, это требуется для получения сетки частот с шагом 9 КГЦ. Во-вторых, микросхема КА561ИЕ15А, примененная в ДПКД, имеет максимальную рабочую частоту 1,5 МГЦ.
Принципиальная схема синтезатора приведена на рисунке 1.2.2. Все примененные в нем цифровые микросхемы - структуры КМОП малой и средней степеней интеграции. Микросхемы серий К561 и КР1561 работоспособны на частотах до 2...3 МГЦ при напряжении питания 3...15 В. Потребляемый ими в динамическом режиме ток не превышает единиц миллиампер.
КГ выполнен на микросхеме DD1. Подстроечным конденсатором С4 устанавливают частоту генерации 1 МГЦ с точностью не хуже 1...2 Гц.
Для получения образцового сигнала частотой 100 Гц импульсы с выхода КГ поступают на вход С двоичного счетчика DD4. Примененная здесь микросхема К561ИЕ16 представляет собой 14-разрядный двоичный счетчик. Необходимый коэффициент деления 10000 получается с помощью логического узла 5И на диодах VD3-VD7 и резисторе R7. Когда в процессе счета на всех выходах счетчика, к которым подключены диоды, высокие логические уровни будут присутствовать одновременно, на его входе R уровень также станет высоким, что установит счетчик в исходное нулевое состояние, затем процесс подсчета импульсов повторится. Коэффициент деления при показанном на схеме подключении диодов получается равным Кд= 16 256 512 1024 8192= 10000..
ГУН и ЧФД находятся в микросхеме DD2 КР1561ГГ1. Крайние значения частоты диапазона перестройки ГУН задают резисторами R1, R2, С1. Перестраивают частоту напряжением на входе IG (выводе 9 микросхемы).
Исходные данные для выбора указанных выше элементов - диапазон частот синтезатора 1,449...1,8 МГЦ и разброс параметров ГУН, который от экземпляра к экземпляру микросхем может доходить до 20 %. Таким образом, необходимо иметь запас по перестройке не менее 0,36 МГЦ. С некоторым запасом будем считать, что ГУН должен перестраиваться в диапазоне 1...2,2 МГЦ. Нижнюю границу этого диапазона (при нулевом напряжении на входе IG) устанавливают резистором R2, верхнюю границу (при управляющем напряжении, равном напряжению питания) - суммарным сопротивлением резисторов R1 и R2. Работу ГУН разрешает низкий логический уровень на входе INH (выводе 5).
ЧФД имеет два входа 1С и IS (выводы 3 и 14) и выход Q1 (вывод 13). Сигнал рассогласования с выхода Q1 через ПИФ R4R3C2 поступает на управляющий вход ГУН IG.
ПИФ - весьма критичная часть петли ФАПЧ. Расчет этого фильтра в общем виде довольно сложен и требует знания теории автоматического управления [2]. Для радиолюбительской практики вполне удовлетворительные характеристики обеспечиваются расчетом с использованием соотношений, приведенных в справочных материалах по микросхеме МС14046В - зарубежному аналогу КР1561ГГ1: R3C2 = 6N/fmax-N/2p?f
(R4 3000 Ом)С2 =100N?f/f2max - R3C2
?f = f max- f mix
R3? R4/10, где N - коэффициент деления рабочей частоты в петле ФАПЧ;
fmax и f mix - граничные частоты перестройки ГУН; 3000Ом - выходное сопротивление ЧФД.
С выхода ГУН сигнал рабочей частоты поступает на ФИ и делитель частоты на 9. Последний выполнен на микросхеме DD5 К561ИЕ14 и элементе DD3.1 микросхемы К561ЛН2.
Четырехразрядный реверсивный счетчик К561ИЕ14 может работать как двоичный (на входе В высокий уровень) или как десятичный (на входе В низкий уровень). Направление счета задают уровнем на входе U: высокий - увеличение, низкий - уменьшение. На вход С подают счетные импульсы, причем состояние счетчика изменяется по их нарастающим перепадам. Счет разрешен при низком уровне на входе PI.
Вход S позволяет асинхронно записывать в триггеры счетчика любой восьмиразрядный код с входов D1-D8. Поскольку счетчик отдельного входа начальной установки не имеет, эту функцию выполняет вход S при низких уровнях на входах D1- D8 (в режиме счета на увеличение). На выходе переноса появляется низкий уровень, когда в режиме счета на увеличение накопленное число стало максимальным (или минимальным в режиме счета на уменьшение).
В нашем случае счетчик работает на увеличение в десятичном режиме. При поступлении десятого импульса сигнал с выхода переноса через инвертор DD3.1 принудительно устанавливает счетчик в нулевое состояние.
С выхода 4 счетчика сигнал поступает на ДПКД - микросхему DD6 КА561ИЕ15А. У нее имеются вход счетных импульсов С, четыре управляющих входа K1, К2, КЗ, L, шестнадцать входов 1-8000 для установки коэффициента деления и один выход. Коэффициент деления может находиться в интервале 3-21327, причем предусмотрено несколько способов его установки. В синтезаторе использован наиболее простой и удобный способ - коэффициент задают двоично-десятичным кодом, поданным на входы 1-8000. При этом, однако, максимально возможное его значение - 16659.
Чтобы воспользоваться этим способом, на входах К1 и L должны быть установлены разные логические уровни (низкий и высокий или высокий и низкий), а на входе КЗ - низкий уровень. Вход К2 служит для установки счетчика в начальное состояние, которая происходит при низком уровне на этом входе за три периода счетных импульсов. При высоком уровне на нем счетчик работает в режиме делителя частоты.
Нужные уровни на входах 1-8000 задают галетными переключателями SA1 и SA2. Их контактам, соединенным с общим проводом, соответствуют низкие уровни на соответствующих входах микросхемы, а свободным - высокие (их поддерживают резисторы R8-R15).
ФИ позволяет установить длительность выходных импульсов, оптимальную для подключенной к синтезатору нагрузки, например, выходного контура без промежуточных усилителей.ФИ построен на логических инверторах DD3.2-DD3.6, диоде VD2, подстроечном резисторе R6, транзисторах VT1-VT3. Эмиттерный повторитель на транзисторах VT1 и VT2 уменьшает длительность зарядки и разрядки емкости затвора полевого транзистора VT3, увеличивая этим скорость его включения и выключения. Зарядка входной емкости элементов DD3.3-DD3.6 происходит быстро через малое динамическое сопротивление диода VD2, а разрядка - сравнительно медленно через подстроенный резистор R6. Длительность разрядки, а за счет этого и длительность формируемого импульса зависят от введенного сопротивления резистора R6.
2. Исследовательская часть
2.1 Обоснование выбора элементов схемы
2.1.1 Обоснование выбора резисторов
Все резисторы выбираются по требуемому номинальному значению и мощности. Иногда в особо точных схемах учитывается допустимое отклонение от номинальной величины сопротивления. Допустимое отклонение от номинальной величины сопротивления зависит от типа резистора: композиционный, проволочный, угольный. Выбирая резисторы по мощности, определяется мощность рассеяния на каждом резисторе отдельно по формуле P=U·I, P=U2/R, P=I2·R, выведенные из закона Ома. Полученная величина увеличивается вдвое. Исходя из полученных значений, выбираем резисторы эталонных мощностей: 0,125, 0,25, 0,5,1, 2,5, 10Вт и т.д.
Марка резисторов Диапазон температур, °С Номинальное сопротивление Габариты, мм Максимальное напряжение, В
МЛТ - 0,125 от минус 60 до плюс 70 1 Ом... 10 МОМ 2,2?6,0 200
С2-23-0,125 от минус40 до плюс 155 1 Ом - 3,01 МОМ 2,2?6,0 200
Резисторы МЛТ И С2-23 являются аналогами. Выбираем резисторы МЛТ которые обеспечивают гарантированную стабильность в течение минимальной наработки 25000 ч при номинальной нагрузке (не более): ±5 - ±10%, большим диапазоном номинальных сопротивлений, удобны для использования в нашей схеме, отличаются дешевизной и широтой использования. Импортный аналог - резистор MF.
Керамические резисторы С2-23 использованы в схеме данного устройства благодаря небольшим размерам и низкой цене.
2.1.2 Обоснование выбора конденсаторов
При выборе конденсаторов для радиоэлектронных устройств, приходиться решать одну из противоположных по своему характеру задач. Прямая задача - по известному стандартному напряжению конденсатора найти максимально допустимые значения переменной и постоянной составляющих рабочего напряжения. Обратная задача заключается нахождения типа и стандартного напряжения конденсаторов по рабочему режиму.
Под номинальным напряжением понимается наибольшее напряжение между обкладками конденсатора, при котором он способен работать с заданной надежностью в установленном диапазоне рабочих температур. Номинальное напряжение, оговоренное стандартами, называется стандартным напряжением - оно маркируется на конденсаторах, выпускаемых согласно действующих стандартов. Под рабочим напряжением подразумевается значения постоянного и переменного напряжения, которые действуют на конденсаторе при его работе.
Прямая задача нахождения рабочего напряжения решается с помощью условий, оговоренных в действующих стандартах. Однако эти условия справедливы лишь для тех случаев, когда переменная составляющая (пульсация) напряжения на конденсаторе меняется по закону гармонического колебания.
Для решения обратной задачи - нахождения типа и стандартного напряжения конденсатора по рабочему режиму, необходимо вначале найти минимальное напряжение, а затем выбрать ближайшее к нему стандартное значение.
Величина рабочего напряжения конденсатора ограничивается тремя требованиями: а) конденсатор не должен перегреваться;
б) перенапряжение на нем недопустимо;
в) он должен быть защищен от прохождения обратных токов, если это полярный оксидный конденсатор.
Для того чтобы конденсатор не перегревался, следует рассчитать выделяемую на нем реактивную мощность. Она не должна превышать номинальную мощность конденсатора.
Чтобы защитить конденсатор от перенапряжения, рабочее напряжение на нем не должно превышать номинальное. Это условие формулируется в стандартах как сумма постоянной составляющей и амплитуды переменной составляющей рабочего напряжения не должна быть больше стандартного напряжения [3].
Электролитические конденсаторы отличаются большими токами утечки и большими потерями. Проводимость их зависит от полярности приложенного напряжения, поэтому они используются только в цепях постоянного и импульсного токов. Электролитические конденсаторы обладают большими емкостями.
Марка конденсаторов Габариты, мм Рабочая температура, °С Максимальный ток утечки, МКА
К50-35 11 ?5 от минус 40 до плюс 85 4
К50-29 14?6,3 от минус 40 до плюс 85 0,02
В качестве электролитических конденсаторов выбираем К50-35. Он наименьших размеров, имеет большое количество зарубежных аналогов, широкий диапазон рабочих температур, долговечен. Импортные аналоги-конденсаторы серии ERDH.
В качестве керамического конденсатора выбираем К10-17Б применяющийся в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Керамические конденсаторы характеризуются высокими электрическими показателями и сравнительно небольшой стоимостью.
Марка конденсаторов Рабочее напряжение, В Температурный коэффициент емкости Рабочая температура, °С Габариты, мм
К10-17Б 40 Н90 от минус 60 до плюс 85 6,8?5,6
КМ5А 50 Н90 от минус 60 до плюс 85 11?10,5
У керамических конденсаторов К10-17Б подходящее рабочее напряжение, они небольшого размера, дешевы и поэтому больше подходят для нашей схемы. Импортный аналог MLCC(многослойный керамический конденсатор).
Марка конденсаторов Рабочее напряжение, В Температурный коэффициент емкости Рабочая температура, °С Габариты, мм
К73-24 40 Н90 от минус 60 до плюс 125 6,8?5,6
КМ5А 50 Н90 от минус 60 до плюс 85 11?10,5
Металлопленочные полиэтилентерефталатные конденсаторы серии К73-24 предназначены для работы в цепях постоянного, переменного, пульсирующего токов и в импульсных режимах. Могут применяться взамен К73-17, К73-30, К73-34, К73-5.
Подстроечные защищенные конденсаторы КТ4-21б, КТ4-23, КТ4-24, КТ4-25б предназначены для работы в качестве встроенных элементов внутреннего монтажа аппаратуры, в кожухе комплектного изделия, в электрических цепях постоянного и переменного токов и в импульсных режимах.
Таблица 2.1.2.4 - Технические характеристики конденсатора КТ4-24
Тип КТ4-24
Рабочее напряжение, В 25
Емкость мин.,ПКФ 5
Емкость макс., ПФ 25
Рабочая температура, С от минус 60до плюс 100
Добротность Q мин. 500
Импортный аналог BD680.
2.1.3 Обоснование выбора микросхем
Интегральные микросхемы (ИМС) - это научно-техническое направление микроэлектроники, которое в результате комплекса физических, химических, схематических, технологических и других методов и приемов решает проблему создания высоконадежных и экономичных микроминиатюрных электронных схем и устройств.
Микросхемы характеризуются следующими параметрами: - максимальное напряжение на входе, - максимальный выходной ток, - мощность потребления микросхемы, - сопротивление на входе и на выходе, - напряжение на выходе.
В данном устройстве используются микросхемы: К561ЛА7, КР1561ГГ1, К561ЛН2, К561ИЕ14, К561ИЕ15А, К561ИЕ16, 7812. Основным критерием выбора микросхем является обеспечение заданных параметров работы устройства. Ниже представлены основные характеристики и функциональное назначение этих микросхем.
Стабилизаторы электрического напряжения это устройства, входящие в состав блока питания и позволяющие держать на выходе блока питания стабильное напряжение. Стабилизаторы электрического напряжения бывают рассчитанные на какое-то фиксированное напряжение на выходе (например, 5В, 9В, 12В), а бывают регулируемые стабилизаторы напряжения, у которых есть возможность установить требуемое напряжение в тех пределах, в каких они позволяют.
Все стабилизаторы обязательно рассчитаны на какой-то максимальный ток, который они могут обеспечить. Превышение этого тока грозит выходом стабилизатора из строя. Современные стабилизаторы обязательно оснащаются защитой по току, которая обеспечивает отключение стабилизатора при превышении максимального тока в нагрузке и защитой по перегреву [4]. 7812 - стабилизатор напряжения 12 вольт, размещенный в корпусе типа TO-220 с тремя выводами. Способность стабилизации такого популярного напряжения как 12 вольт делает его полезным в целой массе различных электронных устройств.
Таблица 2.1.3.1 - Технические характеристики микросхемы 7812- стабилизатор напряжения
Номинальный выходной ток, А 1,2
Выходное напряжение, В 12
Максимальное входное напряжения, В 35
Температурный диапазон, C от минус 45 до плюс 125
Аналоги КР142ЕН8Б, ESG7812P.
КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник; англ. CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor) -технология построения электронных схем. В технологии КМОП используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости. Отличительной особенностью схем КМОП по сравнению с биполярными технологиями (ТТЛ, ЭСЛ и др.) является очень малое энергопотребление в статическом режиме (в большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется только во время переключения состояний). Отличительной особенностью структуры КМОП по сравнению с другими МОП-структурами (N-МОП, Р-МОП) является наличие как n-, так и р-канальных полевых транзисторов; как следствие, КМОП-схемы обладают более высокой скоростью действия и меньшим энергопотреблением, однако при этом характеризуются более сложным технологическим процессом изготовления и меньшей плотностью упаковки [5]. Стандартные серии КМОП: 176, 561, 564.
Таблица 2.1.3.2 - Технические характеристики микросхемы К561ЛА7
Ток потребления при низком уровне на выходе и напряжении источника питания 18 В, МА 0,15
Время задержки распространения при включении, нс 220
Время задержки распространения при выключении, нс 220
Выходной ток высокого уровня, МА 0,42
Выходной ток низкого уровня, МА 0,42
Температура окружающей среды, ОС от минус 45до плюс85
Ток потребления при низком уровне на выходе и напряжении источника питания 18 В, МА 0,15
Время задержки распространения при включении, нс 220
Логическая КМОП-микросхема отечественного производства К561ЛА7 содержит по четыре двухвходовых базовых элемента И с инверсией выходного сигнала. Зарубежным аналогом микросхем 564ЛА7 и К561ЛА7 является микросхема CD4011A.
Таблица 2.1.3.3 - Технические характеристики микросхемы К561ЛН2-инвертор
Время задержки, нс (типовое) 50
Мощность потребления,МКВТ/вентиль 0,4
Напряжение питания,В 3-15
Из многочисленных серий цифровых интегральных схем на полевых транзисторах наибольшее распространение получили микросхемы на комплементарных, т.е. взаимно дополняющих, полевых транзисторах с изолированным затвором. Основой интегральной схемы является инвертор, он состоит из двух полевых транзисторов. Основным его преимуществом является малая статическая мощность, потребляемая от источника питания, что обеспечивается за счет отсутствия сквозного тока в статическом режиме. Эта уникальная способность инвертора положена в основу популярной микросхемы К561ЛН2. Микросхема К561ЛН2 представляет собой шесть логических элементов НЕ с буферным выходом. Микросхема имеет широкий диапазон рабочих напряжений от 3 до 15В. Микросхема не имеет защитных диодов, подключенных к шине питания, это позволяет подавать на ее вход напряжение, превышающее допустимое, поэтому она может быть использована для согласования выходных уровней КМОП со входами ТТЛ-микросхем. В качестве других эксплуатационных характеристик стоит отметить ее высокую нагрузочную способность, высокое входное сопротивление и упрощенное сопряжение со слаботочными источниками входного напряжения. Исключительно малая потребляемая мощность этой микросхемы открыла широкую перспективу применения в технических устройствах с автономным питанием. Не маловажной особенностью микросхемы К561ЛН2 является ее быстродействие, что особенно популярно стало применение различного рода инверторах, генераторах, преобразователях, индикаторах.
Импортный аналог: CD4049.
Таблица 2.1.3.4 - Технические характеристики микросхемы КА561ИЕ15- программируемый счетчик
Время задержки, нс (типовое) 50
Мощность потребления, МКВТ/вентиль 0,4
Напряжение питания, В 3-15
Счетчик КА561ИЕ15 имеет разнообразные применения. ИЕ15 представляет вычитающий счетчик - делитель, который может быть запрограммирован, чтобы делить входную частоту на любое число от 3 до 15999. Выходной сигнал является импульсом с шириной равной периоду тактовой частоты, который повторяется с частотой в "N" раз меньше входной. Счетчик предустанавливается 16-ю входными сигналами. Зарубежным аналогом микросхемы К561ИЕ15 является микросхема CD4059A.
Ток потребления при максимальном напряжении питания, МА 0,2
Время задержки распространения, нс 3300
Выходной ток низкого уровня, МА 0,12
Температура окружающей среды, о С от минус 45до плюс 85
Микросхема К561ИЕ16 содержит 14-разрядный асинхронный счетчик (счетчик пульсаций), дающий на своих выходах Q0-Q13 16384 двоичных отсчетов. Счетчик К561ИЕ16 имеет выходной каскад, формирующий (обостряющий) тактовые импульсы. Входная часть счетчика К561ИЕ16 (формирователь и первый триггер со схемой мастер-помощник). Выходной провод QO получает сигнал от буферного инвертора. Счетчик К561ИЕ16 сбрасывает выходные сигналы в нуль при напряжении высокого уровня на входе сброса R. Содержимое счетчика увеличивается согласно каждому отрицательному перепаду тактового импульса. Максимальная тактовая частота достигает 3 МГЦ, длительность импульса сброса должна превышать 550 нс [6]. Зарубежным аналогом микросхемы К561ИЕ16 является микросхема CD4020A.
Таблица 2.1.3.6 - Технические характеристики микросхемы КР1561ГГ1 -генератор с фазовой автоматической подстройкой частоты
Потребляемая мощность (Макс.), МВТ 70
Напряжение питания, В 5
Температурный диапазон, C от минус 45 до плюс 85
Максимальная рабочая частота, МГЦ от 0,5 до 1,4
Технология 4000(кмоп)
Микросхема КР1561ГГ1 применяется в преобразователях информации и в цифровых системах, для частотной и фазовой модуляции, демодуляции частотно модулированных сигналов, тактовой синхронизации и синтеза частоты, умножения частоты и аналогово-цифрового преобразования. ИС состоит из следующих функциональных блоков: фазового компаратора1 (логического элемента "исключающее или") и фазового компаратора 2 (реагирует на положительные перепады входных сигналов, имеющих общие входы); стабилитрона с Uct.=5,4 В; генератора, линейно управляемого напряжением, выдающего прямоугольные импульсы на выход U со скважностью 2. Частота генерации линейно зависит от напряжения на выводе, ее диапазон определяется внешними С1, R1 и R2. Импортный аналог CD4046BE.
2.1.4 Обоснование выбора диодов
В схеме используется диоды КД522А и КД212А. Диод КД212А относится к классу "Выпрямительные диоды малой мощности". Диод КД522А относится к классу "Диоды универсальные и импульсные". Диоды универсальные и импульсные отличаются от выпрямительных малым временем обратного восстановления, или большой величиной импульсного тока. Диоды этой группы могут быть использованы в выпрямителях на высокой частоте, например, в качестве детектора или модуляторах, преобразователях, формирователях импульсов, ограничителях и других импульсных устройствах [7]. Ниже представлены основные характеристики диодов.
Таблица 2.1.4.1 - Технические характеристики диодов КД522А и КД212А Марка диодов Макс. постоянное обратное напряжение, В Максимальный прямой(выпрямленный за полупериод)ток, МА
Произведем выбор наиболее подходящих полупроводниковых приборов. Транзистор выбирается по максимальному значению тока коллектора IKMAX, допустимой мощности рассеяния и максимально допустимым напряжением коллектор-эмиттер, которое должно быть выше напряжения источника питания. При выборе руководствуются также следующим: максимальный ток коллектора, выбирается с запасом ?1,5-2 раза. Не следует выбирать транзисторы со слишком большим запасом по допустимому току [8].
В схеме синтезатора используется три вида транзисторов - КТ209Б, КТ3117А-1, IRFS630A.
Таблица 2.1.5.1 - Технические характеристики биполярного транзистора КТ209Б
Структура p-n-p
Макс. напр. к-б при заданном обратном токе к и разомкнутой цепи э.(Uкбо макс),В 15
Макс. напр. к-э при заданном токе к и разомкнутой цепи б.(Uкэо макс),В 15
Максимально допустимый ток к ( Ік макс.А) 0,3
Статический коэффициент передачи тока h21э, мин от 40до120
Граничная частота коэффициента передачи тока fгр, МГЦ 5
Максимальная рассеиваемая мощность,Вт 0,2
Корпус ТО-92
По техническим характеристикам биполярного транзистора малой мощности КТ209Б полностью удовлетворяет предъявляемым требованиям к разрабатываемому устройству. Заменять можно на любые маломощные кремниевые соответствующей структуры.
Таблица 2.1.5.2 - Технические характеристики транзистора КТ3117А-1
Структура n-p-n
Максимально допустимое (импульсное) напряжение коллектор-база, В 60
Максимально допустимое (импульсное) напряжение коллектор-эмиттер, В 60
Максимально допустимый постоянный(импульсный) ток коллектора, МА 400(800)
Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора без теплоотвода (с теплоотводом),Вт 0,3
Статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером от40до200
Обратный ток коллектора, МКА 10
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером, МГЦ 200
По техническим характеристикам и цене транзистор КТ209Б полностью удовлетворяет предъявляемым требованиям к разрабатываемому устройству. Заменять транзистор его аналогом следует с учетом его конкретной схемы применения и режима работы.
Таблица 2.1.5.3 - Технические характеристики силового полевого транзистора IRFS630A Тип транзистора MOSFET
Полярность N
Максимальная рассеиваемая мощность,Вт 38
Предельно допустимое напряжение сток-исток,В 200
Максимально допустимый постоянный ток стока,А 6,5
Максимальная температура канала, 0С 150
Выходная емкость, ПФ 500
Корпус TO220F
Выбираем IRF630, как наиболее дешевые и распространенные транзисторы и отличаются хорошими и надежными показателями. Транзисторы IRF630 предназначены для работы в импульсных схемах (развертки мониторов компьютеров, импульсные блоки питания) но при выведении их в режим близкий к линейному они дают хорошие показатели.
3. Расчетная часть
3.1 Расчет надежности
Расчет надежности производят на этапе разработки объекта для определения времени наработки на отказ устройства. В результате расчета должны быть определены количественные характеристики надежности объектов. Расчет производится по известным данным об интенсивности отказов элементов, составляющих рассматриваемый объект; в частности, надежность какой-либо сборочной единицы ЭВМ определяется значениями интенсивности отказов ЭРЭ и элементов конструкции, составляющих сборочную единицу. Расчет производится в соответствии с методическими рекомендациями [9]
В настоящее время имеются обширные справочные данные по интенсивности отказов ЭРЭ. Эти данные приводятся для нормальных температурных условий и для определенного электрического режима ЭРЭ.
Для определения среднего времени наработки на отказ произведем расчет надежности на этапе проектирования. Для расчета задаются ориентировочные данные. В качестве температуры окружающей среды может быть принято среднее значение температуры внутри блока.
Для различных элементов при расчетах надежности служат различные параметры. Для резисторов и транзисторов это допустимая мощность рассеяния, для конденсаторов допустимое напряжение, для диодов прямой ток.
Коэффициенты нагрузок для элементов каждого типа по напряжению могут быть определены по величине напряжения источника питания. Так для конденсаторов номинальное напряжение рекомендуется брать в 1,5-2 раза выше напряжения источника питания. Допустимую мощность рассеяния резисторов следует брать в качестве номинального параметра. Фактическое значение параметра надо брать на половину меньше.
Для конденсаторов номинальным параметром в расчете надежности считается допустимые значения напряжения на обкладках конденсатора. В большинстве схем этот параметр не указывается. Его следует выбирать исходя напряжения источника питания.
Для транзисторов номинальный параметр Рк берется и справочников.
Для диодов контролируемый параметр - величина прямого тока (из справочников). При увеличении коэффициента нагрузки интенсивность возрастает. Она также возрастает, если элемент эксплуатируется в более жестких условиях: при повышенной температуре, влажности, при ударах и вибрациях. В стационарной аппаратуре, работающей в отапливаемых помещениях, наибольшее влияние на надежность аппаратуры имеет температура.
В таблицу 3.1.4, 3.1.5 заносим данные из принципиальной схемы.
В 1-ую колонку заносится наименование элемента, его тип определяется по схеме. Часто в схемах не указывается тип конденсатора, а дается только его емкость. В этом случае следует по емкости, и выбрать подходящий тип конденсатора в справочнике. Тип элемента заносится во вторую колонку.
В колонку 4 заносится температура окружающей среды.
Далее следует заполнить колонку 6, пользуясь теми рекомендациями, которые были приведены выше. Фактические параметры элемента необходимо выбирать руководствуясь рекомендациями таблицы 3.1.1.
Зная кн определяем фактическое значение параметра и заполняем колонки 5 и 8.Если кн в таблицу для элемента не указано, то следует ставить прочерк или брать кн=0,5.
Колонка 7 заполняется по справочнику.
Таблица 3.1.1
Наименование элемента. Контролируемые параметры k нагрузки
Импульсный режим Статический режим
Транзисторы 0,50,2
Диоды 0,50,2
Конденсаторы 0,70,5
Резисторы 0,60,5
Трансформаторы 0,90,7
Соединители 0,80,5
Микросхемы ??
Далее определяется коэффициент влияния (a), которое показывает как влияние на интенсивность отказов окружающая элемент температура в связи с коэффициентом нагрузки. Находят (a) по таблице 3.1.2.
Определим произведение коэффициентов влияний li = a • lo, где: (3.1.1) li - произведение коэффициентов влияний;
a - коэффициент влияния темп
Вывод
В дипломном проекте был изучен принцип работы и проанализированы технические параметры простого средневолнового синтезатора частоты. По схеме электрической принципиальной проведено обоснование выбора элементов по их электрическим параметрам: конденсаторов, резисторов, диодов и микросхем, транзисторов, а так же проведено обоснование разработки трассировки и компоновки печатной платы.
Графическая часть выполнена в соответствии с требованиями ЕСКД и содержит следующие чертежи: схема электрическая принципиальная;
печатная плата;
сборочный чертеж;
схема структурная синтезатора;
В дипломном проекте были выполнены следующие расчеты: расчет надежности;
расчет теплового сопротивления корпуса ИС;
расчет коэффициента заполнения печатной платы;
расчет узкого места;
расчет себестоимости.
Расчет надежности показал, что средняя наработка на отказ составляет 110211 часов, а полная себестоимость изделия составляет 2046,71руб. что приемлемо для данного устройства.
Дипломный проект выполнен в полном объеме и в соответствии с заданием на дипломное проектирование.
Список литературы
1. Шахтарин Б.И. и др. Синтезаторы частот: 2007. 128 с.
2. Комаров С.И., Средневолновой радиовещательный синтезатор частоты: Радио, 2012, №9 с. 19-23; №10 с. 21-23.
3. Билибин К.И., Шахнов В.А. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: Учеб. для техн. вузов. Изд. перераб. и доп. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005, - 568с.
8. Петухов В.М. Транзисторы и их зарубежные аналоги. - М.:РАДИОСОФТ, 2004. - 544с.
9. Методическое пособие для дипломного проектирования. Панферова Н.И., Середа Е.Г. Журнал «Радио» №2, 2014г. стр. 21.
10. Методические указания по дипломному проектирования экономической части для специальностей 210306 (Радиоаппаратостроение) 230101 (Вычислительные машины, комплексы, системы и сети). Толмачева М.Е.
11. Ткачук К.Н., Собарно Р.В. Охрана труда и окружающей среды в радиоэлектронной промышленности: Учеб. пособие. - К.: Высш. шк. Головное изд-во, 1988. - 240с.
Размещено на
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
