Расчет приемопередающего тракта SSB трансивера

НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

ГОСТ 2.105-95 ЕСКД. Общие  требования к текстовым документам

ГОСТ 2.307-68 ЕСКД. Нанесение  размеров и предельных отклонений

ГОСТ 2.314-68 ЕСКД. Указания на чертежах о маркировании и клеймении изделий

ГОСТ 2.417-91 ЕСКД. Платы  печатные. Правила выполнения чертежей

ГОСТ 10317-79 Платы печатные. Основные размеры

ГОСТ 15150-69 Машины, приборы  и другие технические изделия. Исполнение для различных климатических  районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды

ГОСТ 16019-2001 Аппаратура сухопутной подвижной радиосвязи. Требования по стойкости к воздействию механических и климатических факторов и методы испытания

ГОСТ 23751-86 Платы печатные. Основные параметры конструкции

ГОСТ 23752-79 Платы печатные. Общие технические условия

ГОСТ Р 51040-97 Платы печатные. Шаги координатной сетки

РД 50-708-91 Инструкции платы  печатные. Требования к конструированию

ОСТ 45.010.030-92 Электронные  модули первого уровня РЭС. Установка  изделий электронной техники  на печатные платы. Технические требования. Конструкция и размеры

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ  И СОКРАЩЕНИЯ

USART - Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter – универсальный синхронный и асинхронный приемопередатчик

USB - Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь

ДПП - двусторонняя печатная плата

ИМС - интегральная микросхема

ПМК - поверхностно монтируемый компонент

ПП - плата печатная

ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина

РЭС - радиоэлектронное средство

УБНК - универсальная базовая несущая  конструкция

ЭА - электронная аппаратура

ЭРЭ – электрорадиоэлемент

ВВЕДЕНИЕ

Структура современных  радиоэлектронных средств имеет  две параллельные ветви: одна использует печатные, другая – интегральные платы.

Ветвь, основанная на печатных платах, состоит из цепи: печатная плата - печатный узел - электронные модули М1 - электронные модули М2 (блоки).

Печатный узел является первой и самой сложной многоэлементной  сборочной единицей радиоэлектронных средств, объединяющей множество элементов  электрической схемы функционального  узла, которые должны быть не только связанны электрически между собой, но и механически закреплены, чтобы противостоять механическим воздействиям во время транспортировки и эксплуатации.

При разработке конструкции  печатных плат проектировщику необходимо решать следующие задачи:

- схемотехнические – трассировка печатных проводников, минимизация количества слоев;

- радиотехнические –  расчет электрических параметров  линий связи;

- конструктивные –  размещение элементов на печатной  плате;

- теплотехнические –  температурный режим печатной  платы.

В курсовом проекте по исходным данным технического задания необходимо произвести анализ назначения и объекта установки электронной аппаратуры, схемы электрической принципиальной,  элементной базы на соответствие заданным условиям и группе эксплуатации; обосновать выбор конструкции ПП, решить конструктивные, технологические, схемотехнические и радиотехнические задачи; произвести расчет элементов проводящего рисунка ПП и поверочные расчеты ПП на механические воздействия в соответствии с заданной группой эксплуатации.

1 ИЗУЧЕНИЕ И АНАЛИЗ  ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ НА ИЗДЕЛИЕ

1.1 Анализ назначения  и объекта установки ЭА

Анализ назначения и  объекта установки электронной  аппаратуры необходим для определения  ограничений и принципиальных возможностей конструирования, изготовления и эксплуатации ПП.

Блок управления микроконтроллерный является управляющим звеном источника  бесперебойного питания интерактивного типа, применяемого для стабилизации напряжения и обеспечения аварийного питания при отсутствии напряжения в сети для серверных комнат.

Объектом установки  является серверная комната, оснащенная девятнадцати дюймовым шкафом для монтажа  блока бесперебойного питания. Помещение  объекта установки является закрытым отапливаемым, имеет принудительную вентиляцию.

1.2 Анализ условий эксплуатации и группы жесткости ЭА

Согласно техническому заданию определим условия эксплуатации соответствующие виду климатического исполнения УХЛ 4.1 по ГОСТ 15150-69.

Изделие предназначено  для эксплуатации в помещениях с  искусственно регулируемыми климатическими условиями, в закрытых отапливаемых и вентилируемых помещениях. Отсутствует воздействие прямого солнечного излучения, атмосферных осадков, ветра, песка и пыли наружного воздуха, существенно уменьшено воздействие рассеянного солнечного излучения и конденсация влаги. Эксплуатация производится в помещении с кондиционированным воздухом. Блок бесперебойного питания предназначен для эксплуатации в макроклиматическом районе с умеренным и холодным климатом.

В таблице 1 приведены  климатические условия эксплуатации соответствующие заданному виду климатического исполнения.

Таблица 1 – Значение атмосферного давления, температуры  и влажности воздуха при эксплуатации

В зависимости от условий  эксплуатации задают группу жесткости  ПП, которая предъявляет соответствующие требования к конструкции ПП, к материалу основания и необходимости дополнительной защиты от внешних воздействий.

В соответствии с техническим  заданием задана 1 группа эксплуатации аппаратуры.

В соответствии с ГОСТ 16019-2001 1-я группа аппаратуры является стационарной, устанавливается в отапливаемых наземных и подземных сооружениях.

Аппаратура в эксплуатационных условиях должна быть стойкой, прочной  или устойчивой к внешним воздействующим факторам, характеристики которых для  заданной группы приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Характеристики и значения воздействующих механических и климатических факторов

При анализе условий  эксплуатации и влияния дестабилизирующих факторов необходимо определить:

- какие дестабилизирующие  факторы влияют на электронную  аппаратуру данной группы;

- какие деградационные  процессы в ПП они вызывают;

- какие необходимо  применить способы защиты ПП  от этого влияния.

Под влиянием дестабилизирующих  факторов в ПП протекают физико-механические процессы изменяющие физико-механические и электрофизические свойства основания ПП и вызывающие отказы электронной аппаратуры.

Основным дестабилизирующим  фактором для проектируемой конструкции ПП является высокая температура, под воздействием которой происходит деформация ПП, уменьшение нагрузочной способности проводников по току, ухудшение диэлектрических свойств, перегрев концевых контактов и увеличения их переходного сопротивления. Эта проблема устраняется применением принудительного охлаждения блока бесперебойного питания.

1.3 Описание работы  устройства

Блок управления микроконтроллерный предназначен для управления блоком бесперебойного питания интерактивного типа и выполняет следующие функции:

- отслеживает значение сетевого  напряжения и по результатам  измерений принимает команду  о питании подключаемого устройства  к блоку бесперебойного питания  от сети или от аварийной  питающей аккумуляторной батареи;

- измеряет уровень заряда батареи и сигнализирует о его понижении;

- передает информацию о текущем  состоянии сети и аккумуляторной  батареи посредствам USB интерфейса в ПЭВМ;

- формирует кодовую последовательность  для отображения информации о  текущем состоянии сети и аккумуляторной батареи на жидкокристаллическом модуле.

Переменное напряжения питания  подается на выпрямительный мост VD2-VD5, выпрямляется и сглаживается конденсатором большой емкости C9. Стабилизаторы DA1 и DA2 необходимы для получения требуемых питающих напряжений: плюс 5 В для цепей питания микросхем, плюс 15 В – для управления нагрузкой транзисторных ключей VT1, VT2 (твердотельное реле). Конденсаторы C12, C16 предотвращают самовозбуждение схемы стабилизатора напряжения. Конденсаторы С6, С7, С8, С10, С11, С14 монтируются непосредственно у выводов микросхем и защищают их от воздействия помех и пульсаций в цепи питания.

В качестве управляющего элемента используется 8-битный микроконтроллер фирмы ATMEL ATmega 8535 имеющий интегрированный модуль USART, 4 порта ввода/вывода и десятиразрядный восьмиканальный АЦП.

  Для корректной работы микроконтроллера  DD4 и преобразователя интерфейса DD3 при включении питания необходимо произвести аппаратный сброс микросхем сигналом с низким активным уровнем. Микросхемами DD1 и DD5 при включении питания формируется отрицательный импульс сброса с низким активным уровнем длительностью 30 мс. Резисторы R1 и R6 являются подтягивающими, обеспечивают нулевое значение выходного логического сигнала.

Измерение напряжения производится десятиразрядным аналого-цифровым преобразователем, имеющим восемь каналов измерения. В данной схеме задействованы только два. Опорное напряжение подается на вывод AREF микроконтроллера DD4, измеряемое напряжение подается на выводы PA0(ADC0) и PA1(ADC1). Для защиты входа АЦП по входному току и напряжению применяется делитель ограничитель на элементах R4, R5, R3, VD1 и R13, R11, R9, VD6 для первого и второго каналов соответственно.

Выводы XTAL1 и XTAL2 являются входом и выходом инвертирующего усилителя, на котором реализуется внешний генератор тактовых импульсов собранный по схеме емкостной трехточки на элементах ZQ1, C4 и С5. 

Связь микроконтроллера с ПЭВМ осуществляется при помощи встроенного модуля USART, аппаратными средствами поддерживается две сигнальные линии – линия приема RxD и линия передачи данных TxD. Для согласования логических уровней сигналов микроконтроллера и микросхемы преобразователя интерфейса DD3, RS-232/USB, применяется преобразователь уровней сигналов выполненный на микросхеме DD2. Светодиод HL1 сигнализирует о процессе передачи и приема информации. Резистор R2 является токоограничительным для светодиода.

Логические сигналы управления выбором режима работы поступают  с выводов микроконтроллера PD5 и PD6  через токоограничительные резисторы R7 и R8 на базы транзисторов VT1 и VT2 соответственно, которые непосредственно управляют коммутационными устройствами (твердотельное реле K1 и K2) выбора источника питания.

Для отображения информации о текущем  состоянии сети и аккумуляторной батареи при эксплуатации блока бесперебойного питания без ПЭВМ предусмотрен вывод текущего состояния сети на жидкокристаллический модуль МЭЛТ MT-10T7-7. Последовательный код c вывода микроконтроллера PC2 (DATA) и сигнал синхронизации, вывод PC1 (CLK), поступает на восьмиразрядный сдвиговый регистр DD6 с последовательной загрузкой данных и параллельной выгрузкой. Сигналами с выводов микроконтроллера PC3 (LOAD)  и выводов QA, QB, QC, QD, QE сдвигового регистра управляется жидкокристаллический модуль. Резистором R12 устанавливается яркость свечения модуля.

Предусмотрено внутрисхемное  программирование микроконтроллера. Выводы микроконтроллера необходимые для  внутрисхемного программирования , , , , выведены на контакты вилки XP1.

Все сигнальные и потенциальные  линии электрических связей сведены  в вилку XP2.

1.4 Анализ схемы электрической  принципиальной

и элементной базы

Анализ электрической  принципиальной схемы проводят с  точки зрения возможностей конструктивного исполнения или компоновки с учетом ограничений.

Необходимо определить:

- конструкторскую сложность  функционального узла;

- параметр определяющий  конструкцию ПП;

- конструкцию ПП;

- форму монтажных отверстий;

- форму контактных площадок;

- шаг координатной  сетки.

Конструкторская сложность  проектируемого функционального узла средняя. Параметром, определяющим конструкцию  проектируемой ПП, является быстродействие, так как блок бесперебойного питания  имеет USB интерфейс. Требование быстродействия цифровой электронной аппаратуры обеспечивается правильным выводом материала основания ПП, так как скорость распространения сигналов в электрических схемах обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости материалов, из которых изготавливается ПП, и минимизацией длины линий связи.

В проектируемой конструкции  поверхность ПП являются средне насыщенной, поэтому применим классическую конструкцию  ПП прямоугольного размера.

Форма и размеры монтажных  отверстий и контактных площадок зависят от геометрии выводов  ЭРЭ. Круглые отверстия и контактные площадки применяют для штыревых и прямоугольных выводов. Прямоугольные и квадратные контактные площадки применяют для планарных выводов.

Так как в схеме  электрической принципиальной используются элементы со штыревыми и прямоугольными выводами, а так же планарные элементы, монтажные отверстия и контактные площадки для штыревых и прямоугольных выводов будем выполнять круглой формы, а для элементов с планарными выводами применим прямоугольные контактные площадки.

Шаг координатной сетки  является основной конструкторской характеристикой ПП, которая характеризует плотность печатного монтажа, к нему привязаны все элементы конструкции ПП (контактные площадки, проводники, отверстия), а так же ЭРЭ. Шаг координатной сетки необходимо выбирать таким образом, чтобы он соответствовал шагу расположения выводов большинства ЭРЭ, ИМС и ПМК устанавливаемых на ПП. Задаемся шагом координатной сетки 2,5 мм, так как в разрабатываемой конструкции ПП применяются микросхемы в корпусах с шагом выводов 2,5 мм.

Для проведения корректных расчетов печатного монтажа необходимо знать токовую нагрузку на проводники, которая определяется из анализа элементной базы и по справочным данным.

В таблице 3 приведены  значения токов потребления применяемых  в схеме микросхем.

Таблица 3 – Токи потребления ЭРЭ

Из анализа схемы  электрической принципиальной видно, что суммарный ток по цепи питания  плюс 5 В составляет 420 мА. Суммарный  ток по цепи питания плюс 15 В составляет 620 мА с учетом подключения твердотельных реле к коллекторам транзисторов VT1 и VT2, рабочий ток которого равен 200 мА, согласно схеме электрической принципиальной в отдельно взятый момент времени может работать только одно реле из двух. Токами делителей-ограничителей в данном случае можно пренебречь, так как они отличаются на два порядка, 0,005 мА. Максимальный ток будет протекать в цепи питания 18 В и составит 1,040 А.

 Токи портов ввода-вывода  применяемых микросхем находятся в пределах от 20 до 30 мА с напряжением логической единицы 4,2 В и логического нуля 0,6 В.

Проведем анализ элементной базы. При анализе элементной базы изучают совместимость ИМС, ЭРЭ  и ПМК по условиям эксплуатации. В таблице 4 приведены эксплуатационные характеристики применяемой элементной базы.

Как видно из таблицы  условие совместимости ЭРЭ по граничному значению предельной верхней  и нижней температуры заданной видом  климатического исполнения и степенью жесткости выполняется. Элементная база соответствует заданным условиям эксплуатации.

Таблица 4 - Характеристика элементной базы

2 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА  КОНСТРУКЦИИ ПП

2.1 Выбор варианта конструктивного  исполнения модуля первого уровня

По конструктивному  исполнению модули первого уровня предназначены для установки в блоки, поэтому выбор варианта конструкции ПП связан с вариантом конструкции блока, в который входит разрабатываемая ПП.

Существуют три основных типа варианта конструкции блока:

- разъемная;

- книжная;

- кассетная.

Конструктивно ячейки разделяются на:

- рамочные;

- безрамочные.

При использовании системы  УБНК рамочные и безрамочные ячейки выполняются на основе унифицированного ряда ПП. Рамки предназначены для  исключения деформации ПП и улучшения  эксплуатационных параметров функциональных узлов на ПП.

По [1] определим вариант  конструкции и закрепления ПП в составе ячейки в модуле более  высокого конструктивного уровня:

- проектируем ПП в  составе ячейки без рамки, разъемного  типа. ПП моделируется пластиной  с жестким закреплением двух  сторон и двух свободно опертых сторон;

- проектируемая ПП  в составе ячейки применяется  в блоке разъемной конструкции.

2.2 Выбор компоновочной  структуры ячеек ЭА

Конструкция, масса, габариты ЭА, а так же ячейки и ПП во многом определяется типом элементной базы и способом ее монтажа.

Поскольку элементная база содержит ЭРЭ со штыревыми выводами, ИМС с прямоугольными и планарными выводами, то по рекомендации из [1] необходимо применить смешанный двусторонний монтаж на ДПП при этом ЭРЭ с  штыревыми выводами и ИМС с  прямоугольными выводами монтируются в отверстия на верхней стороне ДПП, а поверхностно монтируемые компоненты монтируются на нижней стороне ДПП.

2.3 Выбор типа конструкции  ПП

Типы конструкции ПП предусмотрены ГОСТ 23751-86.

Определяя тип конструкции  необходимо учитывать:

- тип элементной базы;

- вариант компоновочной  структуры ячейки;

- возможность выполнения  всех коммутационных соединений, что зависит от функциональной  и конструкторской сложности  узла.

В проектируемой конструкции  применяется смешанная элементная база, в соответствии с разделом 2.2 необходимо применить смешанный двусторонний монтаж на ДПП, а так же обеспечить возможность всех электрических соединений с минимальной длиной печатных проводников для сигнальных цепей с применением переходных отверстий. Исходя из этих требований применяем ДПП.

Двусторонние ПП применяют  в измерительной и вычислительной технике, технике управления и автоматического  регулирования, высокочастотной технике, при незначительной конструкторской  сложности и смешанном монтаже.

2.4 Выбор класса точности  ПП

ГОСТ 23751-86 устанавливает  пять классов точности ПП, каждый из которых характеризуется минимальными допустимыми значениями ширины проводника, расстоянием между проводниками, расстоянием от края просверленного отверстия до края контактной площадки, отношение диаметра отверстий к толщине ПП в узком месте.

Критерием выбора класса точности ПП являются:

- конструктивная сложность  функционального узла;

- степень насыщенности  поверхности ПП ЭРЭ;

- число выводов ПМК  и шаг их расположения;

- элементная база (дискретные  ЭРЭ, ИМС и ПМК)

- тип, число и шаг  выводов ЭРИ (штыревые или планарные).

Для ПП имеющих штыревые и планарные выводы при средней  насыщенности ПП ЭРЭ по рекомендации из [1] необходимо применить 3 класс точности изготовления.

Наименьшие номинальные  значения основных размеров элементов конструкции печатных плат для выбранного класса точности в соответствии с ГОСТ 23751-86 приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Наименьшие номинальные значения основных размеров элементов конструкции ПП для 3 класса точности

2.5 Выбор метода изготовления  ПП

Выбрав тип конструкции  и класс точности ПП, зная элементную базу и конструкторскую сложность  проектируемого узла можно определить метод изготовления ПП.