Розроблення конструкції частотоміра


 Зміст:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступ

Метою даного курсового проекту  є розроблення конструкції частотоміра, що працює по принципу підрахунку кількості імпульсів.

Постає завдання створення зручного переносного пристрою, що буде мати широке застосування. Він повинен мати невелику масу, ергономічний корпус, автономне живлення.

 

  1. Опис схеми електричної принципової

Рисунок 1. Схема електрична

 

На вході пристрою встановлений компаратор DA1, який увімкнений по типовій  схемі з інвертуючим входом. Поріг  спрацювання компаратора змінюється підборкою резистора R4, чим більший  його опір тим більше поріг. Робота компаратора керюється сигналом на вході LATCH DA1, який поступає з лінії порта RA3 і дозволена при низькому логічному рівні на цьому вході. Порт В мікроконтролера DD1 задіяний для подачі напруги на елементи a — h індикаторів HG1, HG2, а порт С — для підключення катодів цих індикаторів до загального виводу. Резистор R7 є допоміжним для лінії порта RA0, a R6 — зменшує вплив на компаратор DA1 імпульсів, що поступають на вхід дільника в режимі дорахунку. Резистори R8 — R15 струмообмежуючі від їх опору залежить яскравість горіння індикаторів.

Вхідний сигнал перетворюється компаратором DA1 в прямокутні імпульси з рівнями  ТТЛ, які поступають на вхід мікроконтролера  для їх наступного підрахунку.  Восьмирозрядні регістри дільника, таймера NMR0 та двох лічильників преривання по переповненню TMR0 підраховують ці імпульси. Інтервал вимірювання задає таймер TMR1.

Інформація про регістри таймера TMR0 та лічильників доступна для читання, а склад високочастотного (до 90 МГц) регістру дільника недоступно. Тому для вилучення інформації, що зберігається в ньому, застосований класичний спосіб дорахунку імпульсів до переповнення дільника. Після зупинення лічення значення TMR0 зберігається в цифровому компараторі. Число поданих на вхід дільника імпульсів підраховується, і після кожного імпульса порівнюється поточне та збережене значення TMR0. При зміні поточного значення TMR0 подача імпульсів на дільник зупиняється. Накопичене у молодшому регістрі число, перетворене в додатковий код і буде тим числом, яке було в дільнику. Двійковий код на виходах чотирьох восьмирозрядних регістрів перетворюється у двійково-десятковий, а потім для керування семисегментними індикаторами.

Після подання напруги живлення виконується ініціалізація регістрів  мікроконтролера. Частота переключення розрядів при динамічній індикації повинна

 бути такою, щоб не було  видно мерехтіння індикатора. Ця частота повинна бути не менше 25 Гц. Обрана тривалість індикації одного розряду на індикаторі складає 3 мс, тому частота перемикання складає 41,7 Гц. При такій частоті мерехтіння індикатора не помітно.

Частотомір керується за допомогою мініатюрних кнопок. Живлення здійснюється від двох стандартних батарейок AAА.

 

  1. Аналіз ТЗ

Метою розробки є створення функціонально  закінченого пристрою, що характеризувався б мінімальними розмірами, низькою собівартістю та мав естетичний зовнішній вигляд. Враховуючи вищевказані особливості, а також вимоги ТЗ, потрібно прийняти рішення по забезпеченню всіх норм.

Умови експлуатації:

Кліматичне виконання виробу УХЛ 4.2 – за ГОСТ 15150-69

 

  • Робочі температури мінімальна -10СМаксимальна+40С Середня+25С Граничні температури Мінімальна+15С Максимальна+45С Гранична відносна вологість, при 25 С 100% Середня відносна вологість, при 20С 75%

Норми механічного впливу за ГОСТ 25467-82

  • діапазон частот, Гц1-35. Прискорення, не більше, 5 (0.5) м/с2 (g), амплітуда вібропереміщення, не більше, 0,8 мм, тривалість ударного імпульсу 10 мс, пікове ударне прискорення 70(7) м/с2(g),  загальне число ударів тривалістю 2-15 мс, не більше 10000, тривалість одиночних ударів з прискоренням 15g, не більше 3 мс.

 

  • Основні положення:

    •    Склад, структура побудови і функції частотоміра повинні бути технічно і економічно обґрунтовані. Виріб повинен працювати стабільно у заданих умовах.

    Вимоги до складових частин, сировини, вихідних матеріалів:

    Вибір сировини, матеріалів і радіоелементів робити згідно  відповідних переліків, що розповсюджені на сучасному ринку. Максимально використовувати покупні  вироби. Умови і функціональне  позначення повинні задовольняти стандарту ГОСТ 25874-83 “Аппаратура радиоэлектронная, электронная и электротехническая. Условные функциональные обозначения”.

    Розглянемо основні обмеження  на проектування. Даний пристрій відносится до категорії переносної апаратури, тому потрібно враховувати вимоги на віброміцність та удароміцність.

    Оскільки прилад переносний, то потрібно прагнути до найменших розмірів та маси. Для підвищення технологічності  потрібно, щоб найбільша кількість  складальних частин виробу була уніфікованою і стандартизованою. По міцності вимоги не актуальні оскільки прилад має невелику масу. Щодо матеріалу корпусу, то основні вимоги направлені на використання недорогих матеріалів, за рахунок чого можна зменшити вартість виробу.

    Користувач повинен мати доступ тільки до органів курування, які знаходяться на верхній кришці корпусу.

    Всі елементи повинні бути встановлені  так, щоб була забезпечена можливість їх заміни без пошкодження інших  деталей. Прилад буде мати розбірний корпус і відповідно буде забезпечуватися доступ до плати з елементами.

    1. Вибір елементної бази та матеріалів

      1. Вибір радіоелементів

    Обов’язковими частинами будь – якого пристрою є елементи. Частина цих елементів є складовою конструкції пристрою і призначена для різних механічних з’єднань, їх називають конструктивними елементами або деталями. Інша частина елементів поєднує виконання механічних операцій з електричними. Це – різні штепсельні роз’єми, перемикачі. І нарешті, третя частина елементів утворює електричну схему. Згідо ГОСТ 2701 – 68 їх називають елементами схеми. До них належать резистори, конденсатори, різні напівпровідникові і електричні пристрої. Такі елементи можуть мати досить складне улаштування, але не допускають розділу на частини, які мають самостійне функціональне призначення.

    Елементи загального призначення є виробами масового виробництва, тому вони піддалися досить широкої нормалізації і стандартизації. Стандартами і нормами установлені техніко – економічні показники, параметри і розміри. Такі елементи називають типовими. Вибір типових елементів проводиться по параметрам і характеристикам, які описують їх властивості, як при нормальних умов експлуатації, так і при різних впливах (кліматичних, механічних і т. д.).

    Основними електричними параметрами є: номінальне значення величини, характерної для даного елементу (опір резисторів, ємність конденсаторів) і межі допустимих відхилень; параметри, які характеризують електричну міцність і здатність довгий час витримувати електричне навантаження; параметри, які характеризують втрати, стабільність і надійність.

    Конденсатори, резисторі та інші елементи вибираються відповідно до наступних вимог показників якості: вони повинні бути  надійними, стійкими до зовнішніх впливів, витримувати заданий діапазон температур (-15...+45°С), мати мінімальну ціну та бути малогабаритними.

    Позначення

    Тип ЕРЕ

    Елементи що були обрані

    Елементи запропоновані  в ТЗ

    С1

    Конденсатори 

    BC1178TR-ND 

      К50-35 220мкФ  10В

    С2-С5

    490-3505-2-ND 

    К10-17Б 0,1мкФ  10%

    С4

    2220GA221KAT1A

    К10-7В-М1500-220пФ 10% 

    IC1

    Мікросхеми

    PIC16F873

    PIC16F873

    IC2

      AD8611R

    AD8611ARZ

    HL1, HL2

    Індикатори

    A 564 SR

    RL-F030GDAW

    R1

    Резистори

    P10.0KHCT-ND

    С2-23-0,125-10кОм ± 2%

    R2

    P39.0KHTR-ND

    С2-23-0,125-39кОм ± 2%

    R3

    P47KGTR-ND

    С2-23-0,125-47кОм ± 2%

    R4

    P1.00KHTR-ND

    С2-23-0,125-1кОм ± 2%

    R5

    P100KGTR-ND

    С2-23-0,125-100кОм ± 2%

    R6

    P1.00KHTR-ND

    С2-23-0,125-1кОм ± 2%

    R7

    P270HTR-ND

    С2-23-0,125-56кОм ± 2%

    R8-R15

    P270HTR-ND

    С2-23-0,125-270Ом ± 5%

    VD1, VD2

    Діоди

    CGRM4001-G

    КД522Б

    S1, S2

    SMD Dip Switch

    563-1192-6-ND

    B170G

    J1, J2

    Роз’єми

    DCJ0303

    Djk 02ab

    Z1

    Кварц

    SM49

    HC-49U


     

    Еленемти які запропоновані  в технічному завданні забезпечують потрібний режим роботи, але замінивши  їх на більш сучасні, отримуемо менші габарити, більшу механічну міцність внаслідок зменшення маси, більшу надійність та меншу розсіювану потужність. При виборі елементів оріентуемость на використання елементів вироблених провідними світовими фірмами, такими як Kermet, Philips та ін. Всю необхідну інформацію можна знайти в документації на ці елементи (DataSheet).

     

     Мікроконтролер:

    У пристрої використаний мікроконтролер PIC16F873, який виконаний у пластиковому корпусі DIP та має 28 виводів. Блок-схема  його зображена  на    мал. 2. Цей мікроконтролер задовольняє вимоги щодо кількості портів виводу, пам’яті, тактової частоти. Встановлюється мікроконтролер на плату вже запрограмований та не передбачає зміни програмного коду, тому гніздо для нього не використовується, а встановлення відбувається за допомогою пайки.

    Мал. 2

      1. Вибір матеріалу плати

    Матеріали, що використовуються основою  друкованих плат, повинні мати високі властивості електроізоляції, високу механічну міцність, стабільність при  дії агресивних середовищ і кліматичних  умов. При наявності перенавантажень та забезпечення постійної працездатності треба забезпечити гарну адгезію до струмопровідного покриття, задля того щоб не було відшарування доріжок від матеріалу основи. Матеріал, що використовується для виробництва плат повинен допускати можливість обробки різанням та штампуванням оскільки зазвичай матеріал випускається листовий з подальшим його різанням до потрібного розміру. Найбільш розповсюдженими в наш час залишаються фольговані гетинакси та склотекстоліти (Табл. 3):

    Табл. 3 Матеріали ДП

    Найменування показників

    Гетинакс

    Склотекстоліт

    Межа міцності на розтяг кгс/см2, не менше

    800

    2000

    Щільність, р/см3

    1,3

    1,6

    Влагопоглинання, %,не більш

    4

    3

    Питомий об'ємний електричний опір, Ом/см

    1012

    1013

    Тангенс кута діелектричних втрат при частоті 106 Гц

    0,038

    0,025

    Середня електрична міцність при температурі,

    +20 ¸ - 5оС, кв/мм

    33

    12

    Товщина

    1-3 мм

    0,8-3 мм


     

    Друковані плати з склотекстоліту мають меншу деформацію, більшу максимальну  робочу температуру та опір ізоляції, більшу вологостійкість, ніж друковані плати з фенольного та епоксидного гетинаксу. Отже для виготовлення друкованої плати варто застосувати епоксидний склотекстоліт склотекстоліт.

    Габаритні розміри плати повинні  відповідати ГОСТ 10317-79 і не перевищувати співвідношення  3:1.

    Наступним пунктом варто вибрати  метод та матеріал металізації поверхні вибраного матеріалу. Плати призначені для поверхневого монтажу компонентів  виконують за адитивною технологією, що  дозволяє створювати конфігурацію більш вузьких провідників і проміжків між ними.

    Для металізації використовують, мідну  електролітичну фольгу товщиною до 35-50 мкм. Для даного випадку застосуємо фольгу товщиною 35 мкм, оскільки під  час протравлення плати отримаємо  найменше бокове протравлення, а відповідно надійність конструкції підвищується. Визначимо товщину друкованої плати з ряду значень: 0.8; 1.0; 1.5; 2.0. Щоб забезпечити більшу твердість треба застосувати більшу товщину плати, відповідно для забезпечення належної умови жорсткості, якщо така вимога не ставиться, то можливе застосування меншої товщини. Оскільки на плату не будуть встановлюватись елементи з великою масою використаємо  товщину 1,0мм. Даним вимогам відповідає фольгований склотекстоліт марки СФ-2-35Г ГОСТ 10316-78:

      • діапазон робочих температур  –  -60 – +85°C
      • час стійкості до припою – 20с;
      • твердість на відслоєння – 3Н;
      • модуль пружності - 5.7·1010  Н/м2;
      • густина - 2.67·103 кг/ м3

    Для вибору способу отримання друкованого  рисунку на друкованій платі  обираємо комбінований позитивний метод.

    Після збирання друкованого вузла відбувається покриття плати лаком для зниження впливу вологи та механічних ушкоджень. Повинен бути забезпечений надійний захист від тривалої дії вологи. Матеріал покриття повинен забезпечувати високу адгезію та еластичність плівки після нанесення. Враховуючи всі вимоги при виготовленні даного приладу можна використати покривний лак КО-938В, його робоча температура -60...+250°С, час висихання – 1 година при температурі 85 °С, тангенс кута діелектричних втрат 0,009, діелектрична проникливість 4,5...6.

      1. Вибір матеріалу корпусу

     

         3 урахуванням умов  експлуатації і механічних впливів, а також враховуючи серійність виробництва до матеріалу корпуса висуваються наступні вимоги:

    - низька вартість;

    - простота формоутворення;

    - гарні естетичні характеристики;

    - механічна міцність і стійкість  до ударних впливів;

    - висока технологічність обробки;

    - мала щільність (легкість конструкції);

    - нешкідливість.

    Цим вимогам відповідають різні пластмаси, що знаходять широке застосування в радіотехнічній промисловості. Пластмаси в порівнянні з металами мають меншу щільність, меншу вартість, простіше формоутворення, а також пластмаси не піддаються корозії, нешкідливі, мають гарний зовнішній вигляд, гладку поверхню різних кольорів, і на відміну від металів усі пластмаси є гарними діелектриками. До недоліків пластмас є менша міцність, теплопровідність і теплостійкість у порівнянні з металами. Так як нам більш важлива маса конструкції то доцільно вибрати полістирол удароміцний (полістирол УПМ – 03Л, білий, ОСТ6-05-406-80) через його оптимальні характеристики.

     

     

    1. Розрахунок друкованої плати

    Оскільки в елементній базі частотоміра (РI71.468162.002 ПЕ) досить велика кількість малих за розміром елементів, то для конструкції, як було сказано вище підійде друкована плата 3 класу точності. При цьому по ГОСТ мінімальна ширина провідника для даного класу точності складає 0.16 мм.

    Проведемо розрахунок елементів провідникового малюнку з урахуванням технології виготовлення друкованої плати. Сторони ДП розташовані паралельно лініям координатної сітки

    Визначення площі монтажної  поверхні

    На основі параметрів елементів (РI71.468162.002 ПЕ) які занесено в таблицю 1 розрахуємо площу монтажної поверхні.

    Табл. 4 Елементна база

    Найменування і тип

    Кільк., шт.

    Довжина, мм

    Ширина, мм

    Резистори  0603 R1 – R15

    15

    2,8

    1

    Конденсатори керамічні 2220 С2 – С7

    6

    5,7

    5

    Конденсатор алюмініевий 139CLL С1

    1

    14,3

    7,6

    Діоди D1, D2

    2

    4.1

    1.8

    Карцевий резонатор ZQ1

    1

    12.9

    4.7

    Перемикачі S1, S2

    2

    7,1

    2.8

    Мікросхема IC1

    1

    52.3

    15.2

    Мікросхема IC2

    1

    5

    6.2

    Роз’єм J1, J2

    2

    14.8 *

    13,8

    Індикатори  A 564 SR

    2

    50

    19


    *частина роз’єму виступає над краєм плати, і при складанні потрапляє в спеціальний отвір в корпусі.

     

    Визначення  площі монтажу деталей

    Визначення малогабаритних деталей.

    Ця площа враховує монтажні розміри  резисторів, конденсаторів та діодів. 

     

     

    де  - відповідно кількість, довжина і ширина елементів. Усі резистори мають типорозмір 0603 (1,6х0,8мм), а контактні площини для них відповідно 2,8х1мм, конденсатори типорозміру 2220 мають контактні розміри 5,7х5мм, кнденсатор типорозміру 139CLL – 14,3х7,6мм  та для кварцового резонатора 12,9х4,7мм, діоди мають контактні площіни 4,1х1,8 .

    Загальний  площа малогабаритних деталей, яка враховує монтажні розміри  резисторів, конденсаторів, діодів та кварцу дорівнює:

    Визначення площі монтажу середньо і велико габаритних деталей.

    Ця площа враховує монтажні розміри перемикачів, індикаторів, мікросхем та роз’ємів.

    Для перемикачів контактні площини 7,1х2,8мм:

    Для індикаторів контактні площини 50х19мм:

    Для мікросхем 5х6,2 та 52,3х15,2мм:

    Для роз’ємів 14,8х13,8мм:

    Площа середньогабаритних  деталей  дорівнює:

    Визначення загальної площі  монтажної поверхні.

    Загальна площа монтажної поверхні буде дорівнювати:

    Розрахунок  ширини провідників живлення

    Визначимо ширину провідників ланцюгів живлення:

        де  - струм ланцюгів живлення ,

    = 250мА

    - щільність струму, 25

    - товщина фольги, яка дорівнює 35 мкм.

    Отже для ланцюгів живлення буде вибрана ширина 0,28мм.

     

    Визначення ширини зазорів між  провідниками

    Величину зазорів вибираємо  з точки зору технології 0.3мм (комбінований позитивний), оскільки великих напруг на платі між провідниками нема.

     

    Висновки:

    Розміри друкованої плати  приведені в кресленнях, отриманих  в результаті роботи програмного  продукту Eagle. Розташування на платі елементів відбувалося вручну, трасування провідників відбувалося в автоматичному режимі, із подальшою корекціею. Товщина друкованої плати 1.0мм. 

    1. Розрахунок надійності

    Для підтвердження працездатності пристрою треба провести розрахунки чинників, що мають найбільший вплив на роботу приладу. Серед них розрахунки надійності, теплові та електричні розрахунки, а також розрахунки міцності для друкованих плат. Для нашого випадку розрахунки теплових режимів не актуальні оскільки в схемі нема вагомих теплових джерел. Відповідно ГОСТ 27.002-83 існують наступні показники:

    - імовірність відмовлення в  заданий час;

    - середній час відмовлення;

    - параметр потоку відмовлення блоку;

    - ймовірність безвідмовної робот;

    - середній наробіток на відмовлення;

    Розрахунок параметра  потоку відмовлень блоку необхідно  робити для граничного значення температури  і вологості повітря (гранична температура 450С; вологість 100%).

    Подальші розрахунки будемо вести для робочої ділянки.

    На робочій ділянці  , і для імовірності безвідмовної роботи можна записати:  

    Для робочої ділянки параметр потоку відмови (інтенсивність відмови) дорівнює:

    , де  - параметр потоку відмови і – го елемента.

    При експоненціальному  законі, на робочій ділянці, середня  робота на відмовлення:

    ;

    наближена - процентна робота на робочій ділянці:

    , де 

    - термін роботи, який досягається об’єктом з імовірністю , тобто в проміжку цього часу, імовірність безвідмовної роботи об’єкта не нижче заданої.

    Коефіцієнт готовності визначається по формулі:

    , де  - час відновлення апарата.

    Параметр потоку відмов при реальних умовах експлуатації визначається:

    ,

      де - коефіцієнти, які враховують вплив навантажень, температури, вологи.

    Ймовірність відмовлення  - це функція часу, для якої справедливий експоненціальний закон, - це імовірність того, що фактично тривалість робіт по відмовленню апарата не перевищує заданого часу:

    , де 

    (промислова РЕА з носінням апаратури) – коефіцієнт одночасної заміни;

    - кількість елементів і – групи.

    - середній час відновлення  апаратури, у випадку виходу  з ладу елементу і – групи.

    Для розрахунку параметру потоку відмов знайдемо потрібні параметри і занесемо їх до таблиці. Рекомендовані значення коефіцієнтів навантаження   візьмемо з літератури (1).

    Інтенсивність відмов елементів і-ої групи при експлуатації в заданих умовах розрахуємо за даною формулою:

    , де - коефічіен навантаженості елемента (визначается робочою напругою до пастортної)

    де  - інтенсивність відмов елементів і – ої рівно-надійної групи при експлуатації в номінальному режимі. Результати занесемо дo таблиці 2:

    Табл. 2

    Найменування і тип

    1/год.

    1/год.

    1/год.

    , год

    Резистори  R1 – R15

    15

    0,7

    0,7

    0,49

    7,35

    0,7

    5,145

    Конденсатори керамічні С2 – С5

    4

    0,7

    0,7

    0,49

    1,96

    0,7

    1,372

    Конденсатор алюмін. C1

    1

    0,6

    3,0

    1,8

    1,8

    0,7

    1,26

    Діоди D1, D2

    2

    0,3

    0,5

    0,15

    0,3

    0,7

    0,21

    Карцеві резонатори Q1

    1

    0,6

    2,5

    1,5

    1,5

    1,1

         1,65

    Перемикачі S1, S2

    2

    0,9

    3

    2,7

    5,4

    0,8

    4,32

    Мікросхема IC1

    1

    0,9

    2

    1,8

    1,8

    1,5

    2,7

    Мікросхема IC2

    1

    0,8

    2

    1,6

    1,6

    1,5

    2,4

    Роз’єми J1, J2

    2

    0,6

    1

    0,6

    1,2

    1,3

    1,56

    Пайка

    124

    1

    0,15

    0,15

    18,6

    0,7

    13,02

    Друкована плата

    1

    1

    0.1

    0.1

    0.1

    1,4

    0,14


    Параметр потоку відмов:

     

    Середній наробіток  на відмову:

    Середній час відновлення  працездатного стану:

    наближений  - процентний наробіток на відмову:

     

    Уточнений - процентна наробіток на відмову:

    Коефіціент готовності:

    Імовірність безвідмовної роботи блоку за t=10000 годин (відповідно ТЗ)

     

    Аналіз розрахунків  показав, що напрацювання на відмову  і середній час відновлення задовольняє  умовам технічного завдання.

    Оскільки надійність всієї системи не перевищила надійність самого надійного елементу, то безвідмовність системи буде визначатись безвідмовністю самого елементу. Методи підвищення надійності.

    • вхідний контроль елементів;
    • контроль технологічних параметрів;
    • вузловий контроль;
    • зменшення кількості ненадійнх елементів.

     

    1. Механічні розрахунки

    Проведемо розрахунок віброміцності  друкованого вузла, за визначеною методикою. Розрахунок частоти власних коливань друкованої плати. Вихідні данні:

    - довжина плати  a=0.105 м;

    - ширина плати      b=0.080м;

    - товщина плати    h=1×10ˆ-3 м.

    Матеріал друкованої плати –двосторонній фольгований склотекстоліт СФ-2-35Г з параметрами:

    - модуль пружності Е=5.7·1010  Н/м2;

    - щільність ρ=2.67·103 кг/ м3;

    - коефіцієнт Пуассона ζ=0,22.

    Маса встановлених на платі елементів 

    Визначимо масу друкованої плати:


    Визначимо масу плати з деталями:

    Розраховуємо циліндричну жорсткість:

    Визначаємо значення функції  для кріплення плати в чотирьох точках:

    де  =1,34– коефіцієнт, залежний від співвідношення довжини і ширини плати.

     

     

     

    Визначимо значення резонансної частоти плати:

     

     

    Висновок:

    Так як резонансна частота плати  перевищує максимальну частоту вібраційних впливів ( ) і правило октави працює, то обраний варіант кріплення плати влаштовує вимоги віброміцності за ТЗ.