Основы проектирования и конструирования РЭС

Аннотация

Курсовой проект по дисциплине «Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС» предусматривает для студентов возможность самостоятельного проектирования радиоэлектронных устройств и оформления конструкторской документации с использованием современной компьютерной техники.

Пояснительная записка к курсовому проекту включает в себя:

-обоснование выбора проектируемого  устройства;

-моделирование устройства  в приложении Multisim;

-создание библиотеки  компонентов схемы и проектирование  печатной платы в пакете программ  P-CAD;

К пояснительной записке прилагается электронный носитель, содержащий файлы проекта:

-Библиотека;

-Схема электрическая принципиальная;

-Печатная плата;

-Сборочный чертеж;

-Перечень элементов;

-Спецификация;

-Схема проектирования  устройства в  Multisim.

При проектировании устройства, технической документации на него, а также при моделировании устройства использовались следующие приложения:

-пакет программ Microsoft Office;

-САПР P-CAD 2006.

-автотрассировщик Situs;

-Paint;

-Приложение Multisim 11.0.

Содержание

1. Аннотация………………………………………………..….………...2
2. Введение……………………………………………………………....3
3. Анализ схемы детектора……………………………………….…….4
4. Моделирование схемы детектора………………………………....…6
5. Создание посадочных мест компонентов библиотеки…………....8
6. Создание символа элемента…………………………………………13
7. Создание компонента в Library Executive…..……………………...14
8. Создание принципиальной электрической схемы………………..18
9. Трассировка платы…………………………………………………..19
10. Заключение…………………………………………..……………..22
11. Список литературы…………………...………………………..…..23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

При разработке любых радиоэлектронных устройств, проектировщик обязан соблюдать единые стандарты на техническую документацию, технологическую обработку устройства, а также уметь грамотно составлять план действий и излагать свои мысли на техническом языке. Во всем этом любому специалисту может пригодится опыт работы над крупным проектом.

В случае курсового проекта  специалисты  кафедры  Радиоэлектроники ТулГУ научатся работать с основными программами разработчиков радиоэлектронных систем, приобретут навыки оформления конструкторской документации, а также получат опыт разработки системы с нуля.

В данной пояснительной записке проведена поэтапная разработки детектора сигнала сотового телефона. Это устройство является полезным приспособлением, особенно в наше время – эпоху сотовой связи.

Сферы применения детектора самые разнообразные – от использования его в качестве индикатора в охранной системе дома или дачи до простой радиоэлектронной игрушки. Принцип работы устройства, а также расчет параметров печатной платы будут приведены в тексте пояснительной записки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Анализ схемы детектора

Принципиальная электрическая схема детектора представлена на рисунке №1:

Рис. №1 – схема детектора сигнала сотового телефона.

Интегральная микросхема К561ЛА7 представляет собой четыре логических устройства 2И-НЕ. Диапазон температур, при которых микросхема способна нормально функционировать, составляет -10...+70 °С. Входные токи при Un = + 5 В 1 = 3 мА и при Un = + 10 В I = 7 мА. Резисторы МЛТ (ОМЛТ) с металло-электрическим проводящем слоем предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока в качестве элементов навесного монтажа. Относительная влажность воздуха до 98 %. Пониженное атмосферное давление до 133 Па. Диод VD2 КД522Б кремниевый эпитаксиально-планарный. Выпускается в стеклянном корпусе с гибкими выводами. Постоянное прямое напряжение 1,1 В. Постоянный обратный ток 5 мкА. Температура окружающей среды от -55 до +85 °С. Диод VD1 КД514А кремниевый сплавной. Выпускается в стеклянном корпусе с гибкими выводами. Постоянное обратное напряжение 30 В. Постоянный прямой ток 20 мА. Температура окружающей среды от -40 до +70 °С. Конденсаторы С4-С6 типа К10-17 низковольтные, керамические, монолитные, для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного

тока. Они конструктивно выполнены изолированными, отличаются относительно большой реактивной мощностью, низкими потерями, высоким сопротивлением изоляции, стабильностью температурного коэффициента емкости (ТКЕ). Поэтому емкость таких конденсаторов мало зависит от окружающей температуры. Конденсатор С7 типа К50-ЗА - алюминиевый оксидно-электролитический, предназначен для работы в цепях постоянного и пульсирующего тока. Выпускается в цилиндрических металлических корпусах с разнонаправленными проволочными выводами. Номинальное напряжение 16 В. Светоизлучающий диод HL1 типа АЛ307БМ - арсенид-га-лий-аллюминиевый в пластмассовом корпусе красного цвета свечения. Предназначен для визуальной индикации. Постоянное прямое напряжение 2 В. Цвет свечения красный. Температура окружающей среды от -60 до +70 °С. Транзисторы VT1-VT2 типа КТ3102Е - кремниевые эпитаксиально-планарные n-p-n усилительные, высокочастотные транзисторы, маломощные с нормированным коэффициентом шума. Они предназначены для применения в усилительных и генераторных схемах высокой частоты. Прямое напряжение 15 В. Обратный ток 10 мкА. Конденсаторы С1-СЗ типа КМ-4 предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока.

При проектировании некоторые элементы заменяем их аналогами, например, используем только иностранные транзисторы BC549C и BC556. Пьезоэлектрический капсюль заменяем вторым светодиодом для упрощения конструкции и сохранения малых габаритов схемы.

 

 

 

 

 

 

 

Моделирование схемы детектора в приложении Multisim

Анализируя данный рисунок можно заметить, что схемотехнически устройство реализовано на двух вентильных микросхемах. В описании устройства оговаривалось, что при создании реальной схемы следует использовать микросхемы К561ЛА7, представляющие из себя четыре вентиля 2И-НЕ.

На российские микросхемы и другие компоненты порой бывает затруднительно найти техническую документацию. В таком случае поступают следующим образом: находят в таблицах зарубежный аналог устройства и ищут техническую документацию на него. В интернете имеются практически любые документы на любые иностранные компоненты. Справочник помог определить, что для советской микросхемы К561ЛА7 аналогом является CD4011A, изготавливающаяся с теми же техническими характеристиками и в таком же корпусе DIP14. Соответственно, при моделировании схемы нашли ее в библиотеке Multisim. Как и положено, эта микросхема была разделена на четыре вентиля. Нумерация каждого из них при добавлении на рабочее поле производилась автоматически. Для транзисторов и диодов были подобраны соответствующие аналоги. В результате получили следующий вид собранной схемы:

Рис. №2 – схема в Multisim.

Принцип работы устройства заключается в том, что при наличии мобильного телефона в радиусе действия устройства светодиод №1 начинает мигать. Ключ «А» на схеме необходим для того, чтобы симулировать наличие и отсутствие телефона в радиусе видимости.

Рис. №3 – детектирование мобильного телефона (горит лампа).

Второй режим работы – режим ожидания. В этом случае телефон может отсутствовать в поле видимости прибора. Однако, если сигнал был получен – он сохранится в памяти схемы. Узел памяти обеспечивается за счет микросхемы DD2. В любой момент времени мы можем узнать, был ли детектирован сигнал до того, как мы оказались около схемы. Для этого необходимо нажать кнопку на плате (ключ «В» на схеме). При детектировании светодиод №2 загорится. При повторном нажатии кнопки светодиод уже не загорится.

Рис. №4 – считывание детектирования из памяти устройства.

 

 

Создание посадочных мест компонентов библиотеки

Работу над созданием платы я начал именно с создания посадочных мест под компоненты. Принципиальная электрическая схема детектора приведена ниже:

Рис. №5 – детектор излучения сотового телефона.

В схеме содержатся компоненты различных конфигураций: резисторы, транзисторы, конденсаторы электролитические и керамические, микросхемы, разъемы и т.д. Для всех этих компонентов существуют свои стандарты изготовления и типоразмеры, у каждого компонента индивидуальное количество выводов. Поэтому каждый из элементов схемы подвергся индивидуальной обработке. Ниже описано создание посадочного места для обычного МЛТ резистора с рассеиваемой мощностью 125 мВт, остальные посадочные места создаются аналогично.

Посадочное место создается в приложении Pattern Editor. Сначала необходимо произвести конфигурацию программы – настроить рабочее поле (задать шаг сетки и систему измерений). После настройки приступаем к работе – рисуем контур элемента в слое Top Silk. К контуру компонента добавляем две контактных площадки. Параметры площадок рассчитываем следующим образом: для МЛТ-0.125 резистора диаметр выводов 0.6 мм. Разрабатываемая плата третьего класса точности, соответственно, необходимо сделать диаметр сверловки в плате

 

Для прочих компонентов размер отверстий сверловки также зависит от диаметра вывода:

 

 

 

 

 

 

Для микросхем создавалось отдельное посадочное место, взятое из стандартной библиотеки. Стиль контактных площадок претерпел изменения – после редакции их размер составил 3*1.5*0.8 мм (закругленный прямоугольник).

Остальные диаметры сверловки не отличаются от приведенных выше, так как диаметры контактов равны 0.8 мм.

На плате внешний диаметр контактных площадок для всех компонентов (кроме микросхемы, ключа и разъема питания) составляет 2 мм. Этот размер удовлетворяет минимальным технологическим требованиям технологии изготовления и требованиям к контактным площадкам для протекания подобных токов (под любые диаметры выводов). Для ключа контактные площадки выполнены в виде прямоугольника со сторонами 3*1.5 мм. Разъем питания – CWF-2 – закрытое гнездо на печатную плату. Расстояние между выводами 2.5 мм, что очень удобно для нашей схемы.

Минимальную ширину дорожек определяли по формуле

 

Однако, с учетом того, что в схеме детектора текут очень малые токи, создадим печатные проводники с шириной 0.3 мм, в некоторых местах (где позволяет разводка) увеличим толщину дорожек до 1 мм.

 

Для самого длинного проводника посчитаем сопротивление:

 

Удельное сопротивление выбрано для изготовления печатных плат методом химического травления.

Материал платы – двусторонний фольгированный текстолит толщиной 1.5 мм. Марка текстолита – СФ-2-35-1.5.

Теперь рассчитаем площадь печатной платы: каждый из элементов занимает свою площадь, также учитывается площадь, занимаемая контактными площадками.

Составим таблицу для всех элементов:

Таблица №1

Тип компонента	Площадь под компонентом, мм2	Количество компонентов	Общая площадь
Конденсаторы электролитические	78.53	1	78.53
Конденсаторы керамические	10	6	60
Интегральные микросхемы	140.2	2	280.4
Светодиодные индикаторы	28.27	2	56.54
Резисторы	13.8	13	179.4
Переключатели кнопочные	72	1	72
Транзисторы	18.75	4	75
Разъемы	28.5	1	28.5
Антенны	9.61	1	9.61
Общая площадь изделий			839.98

Число контактных площадок 131, в среднем их диаметр 2 мм. Отсюда можем сделать грубый расчет площади, занимаемой под контактные площадки:

 

Так как размер платы составляет 60 на 40 мм, то мы можем посчитать ее площадь, а потом рассчитать коэффициент заполнения:

 

Это довольно хороший показатель, поэтому продолжим создание библиотеки компонентов.

Пример создания посадочного места для компонентов рассмотрим на примере резистора.

Для контактной площадки под резистор создаем особый стиль контактной площадки Round_style. Он включает в себя круглую контактную площадку с внутренним диаметром 0.8 мм и внешним 2.0 мм.

Располагаем две контактные площадки на стандартном расстоянии друг от друга. Далее на слой TopSilk добавляем параметры компонента RefDes и Value. Задаем точку привязки символа в центре первого контакта.

На этом создание посадочного места компонента окончено, осталось создать библиотеку компонентов и записать его туда. Библиотека создается командой Library\New. Далее сохраняем посадочное место командой Pattern\Save As.

Проделанную работу покажем в виде иллюстраций:

 

Рис. №6 – контур компонента и контактные площадки.

 

Рис. №7 – добавление атрибутов и задание точки привязки символа.

После создания всех посадочных площадок в соответствии с их документацией получаем библиотеку с посадочными местами:

Рис. №8 – библиотека с записанными посадочными местами.

Создание символа элемента

Для создания компонента необходимо привязать посадочное место к какому либо УГО (УГО – Условно Графическое обозначение, далее – символ компонента).  В случае резистора МЛТ-0.125 необходимо нарисовать символ резистора в соответствии с ГОСТ (соотношение сторон 4 к 10). Для этого запускаем приложение Symbol Editor и начинаем рисовать контур символа в виде прямоугольника. В данном приложении работа осуществляется не по слоям, а в обычном режиме, поэтому за рабочим слоем следить не надо. После прорисовки прямоугольника непосредственно на стороны прямоугольника присоединяем два контакта. Задаем точку привязки символа и добавляем атрибуты компонента. В результате получаем следующий символ:

Рис. №9 – символ резистора МЛТ-0.125.

В ранее созданную библиотеку записываем все символы всех компонентов. При этом для микросхемы CD4011A создаем не обычный символ, а четыре вентиля, так как данная микросхема - вентильная. Также в работе пригодится символ GND – земля. Его создаем примерно таким же способом как и остальные, с одним лишь исключением – присоединяем к символу один контакт вместо двух (питание задается отдельным символом).

В результате получаем список символов компонентов в библиотеке:

Рис. №10 – библиотека символов компонентов.

Для контрольно-курсовой работы использовались две библиотеки, однако приводить список символов и посадочных мест компонентов второй библиотеки  не будем.

 

Создание компонента в Library Executive

Данное приложение позволяет объединять между собой символы элементов и их посадочные места. В результате можно создать компонент, будь то конденсатор или же интегральная микросхема со множеством выводов. Для наглядности приведу пример создания компонента микросхемы CD4011A, так как это был наиболее трудный компонент.

Открыв программу Library Executive, вызываю команду Component\New из строки меню. Далее подключаю свою библиотеку и начинаю выбирать посадочное место DIP14 и символ вентиля микросхемы. В данной ИС содержится четыре вентиля по три вывода в каждом плюс два вывода, отведенные на питание. Все данные о расположении выводов и соответствующих им вентилей берем из технической документации к изделию – datasheet. Документация практически на все элементы является общедоступной, найти ее можно в интернете.

Рис. №11 – выбор посадочного места и символа компонента из подключенной библиотеки.

 

 

 

Рис. №12 – вид одного из вентилей микросхемы CD4011A.

Рис. №13 – посадочное место DIP14 из стандартной библиотеки.

 

 

Рис. №14 – нумерация выводов готовой CD4011A.

 Два контакта – 7 и 14 – это выводы для питания микросхемы. Так как в вентилях микросхемы не были созданы дополнительные соединения – в Library Executive присваиваем данным контактам тип PWR. Это означает, что при проверке компонента на правильность не будет выскакивать каких либо ошибок, связанных с этими контактами.

Библиотека, заполненная компонентами, выглядит следующим образом:

Рис. №15 – заполненная библиотека.

При создании компонента его необходимо сохранить в библиотеку. Это делается командой Component\Save As. После выполнения данных операций можно считать, что мы создали полную библиотеку компонентов детектора. Далее можно приступать к созданию принципиальной электрической схемы.

 

 

 

 

Создание принципиальной электрической схемы

Приложение Schematic разработано для создания принципиальных электрических схем. Оно позволяет сократить время работы над созданием платы, а также создать список соединений, который пригодится при автоматической (или ручной) трассировке.

Перед началом работы настраиваем рабочее поле в соответствии с конфигурацией предыдущих приложений. Далее подключаем созданную библиотеку компонентов и начинаем добавлять компоненты на рабочий лист.

При добавлении символа компонента на рабочее поле мы получаем простое графическое обозначение. Чтобы проставить номинал – дважды щелкаем на элементе и изменяем значение поля Value. Нумерация компонентов производится в автоматическом режиме по мере их добавления на рабочее поле. В итоге после проведения всей указанной работы получаем принципиальную электрическую схему детектора:

Рис. №16 – схема, собранная в Schematic.

Эффективная работа – залог быстрого выполнения поставленных задач. Для того чтобы исключить трату времени на соединение компонентов в приложении PCB создадим лист соединений. Эта команда является доступной даже в случае наличия ошибок в схеме, однако, при выявлении ошибок их можно будет исправить в ручном режиме.

Команда Utils\Generate NetList создает лист соединений, который мы будем импортировать в приложении PCB.

Трассировка платы

Загрузим лист соединений в приложение PCB командой Utils\Load NetList. После выполнения данной операции на рабочем поле видны все компоненты из приложения Schematic.

Однако расположение компонентов не соответствует нормальному, поэтому изменим его. Сначала нарисуем контур платы. Данная операция выполняется командой Place Board OutLine. Размер печатной платы детектора 60 на 40 мм. Это довольно маленькая площадь для расположения подобного количества компонентов, но, так как при создании схемы мы руководствуемся технологическими требованиями для третьего класса точности, такая площадь подойдет.

Нарисовав контур платы начинаем перетаскивать компоненты в ее внутреннюю область. Данная операция важна, так как она определяет удобство пайки, отвечает за эстетичный вид платы, а также играет важную роль при трассировке.

Рис. №17 – вид платы после расположения компонентов.

 

 

После того, как компоненты заняли свои места, вызываем команду Route\Autorouters. В появившемся окне выбираем приложение Situs и запускаем его. Настройку данной программы производили лишь по нескольким пунктам – изменили дюймовую систему измерений на метрическую и выставили ширину дорожек, равную 0.3 мм. Данная ширина подходит для нашего класса точности изготовления и соответствует минимально-допустимой ширине для протекания токов по проводнику в схеме детектора сигнала телефона.

Рис. №18 – рабочее окно Situs.

Трассируем плату командой Route All после задания настроек трассировки. Получается довольно красивая схема расположения проводников:

Рис. №19 – верхний слой печатной платы.

Рис. №20 – нижний слой печатной платы (вид снизу).

На плате можно заметить отверстия для сверловки – они выставляются в редакторе печатных плат PCB. Стиль отверстий для сверловки задаем произвольно. На данной печатной плате диаметр отверстий для сверловки составляет 4.2 мм.

Готовый проект нужно сохранить. После сохранения файл печатной платы легко запускать и редактировать, так как в нем уже содержится вся необходимая информация.

Заключение

В современном мире все чаще приходится сталкиваться с разработкой новых электронных устройств. Приобретенные навыки расчета подготавливают инженеров-радиотехников к выполнению подобного рода задач.

При выполнении курсового проекта мы изучили основные навыки работы с САПР P-CAD, Мультисим, научились создавать полный комплект технической документации к радиотехническим изделиям. Все расчеты были проведены согласно техническим требованиям к схеме и в соответствии ГОСТ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1. Уваров, А.С. P-CAD. Проектирование и конструирование электронных устройств / А.С. Уваров .— М. : Горячая линия-Телеком, 2004 .— 760с. : ил. — ISBN 5-93517-141-4 /в пер./ : 337.00.
2. Разевиг, В.Д. Система P-CAD 2000 : Справочник команд / В.Д. Разевиг .— М. : Го-рячая линия-Телеком, 2001 .— 256с. : ил. — Библиогр. в конце кн. — ISBN 5-93517-042-6 : 72.00.
3. ГОСТ 2.004-88 ЕСКД. Общие требования к выполнению конструкторских и технологических документов на печатающих и графических устройствах вывода ЭВМ
4. Сборник задач и упражнений по технологии РЭА: Учебное пособие / Под ред. Е.М.Парфенова, - М.: Высшая школа, 1982. - 255 с.
5. Справочная книга радиолюбителя-конструктора / А.А.Бокуняев, Н.М.Борисов, Р.Г.Варламов и дрр., - М.: Радио и связь, 1990. - 624 с.
6. Теория надежности радиоэлектронных систем в примерах и задачах: Учебное пособие для студентов радиотехнических специальностей ВУЗов / Под ред. Г.В.Дружинина, - М.: Энергия, 1976. 448 с.
7. ГОСТ 2.004-88 ЕСКД. Общие требования к выполнению конструкторских и технологических документов на печатающих и графических устройствах вывода ЭВМ.