2.12 Математическое моделирование системы и детальное проектирование схем
Математическое моделирование может проводиться на разных стадиях проектирования ЦУ. Оно подразумевает создание систем уравнений, описывающих поведение и характеристики как основных блоков системы (общее математическое моделирование), так и элементов подсистем (детальное моделирование). Чаще всего детальное моделирование производят с помощью методов и средств, описанных в теории автоматического управления систем.
На основании общей структурной схемы производят разделение электромеханической системы на звенья направленного действия. Эти звенья – электродвигатель, получающий энергию от преобразователя, регуляторы тока и скорости и цепи обратных связей с соответствующими коэффициентами передач.
После определения структурных схем отдельных звеньев, составляем структурную схему полной электромеханической системы, дающую наглядное представление об отдельных звеньях и процессах, проходящих внутри – внутренних переменных, что позволяет достичь наилучшего решения при оптимизации параметров. (Подробнее рассказано в разделе 3).
2.13 Выбор оборудования системы и описание процедуры интеграции модулей
После разработки структурных схем и математического аппарата проекта приступают к выбору оборудования на основе проведенных расчетов и требований ТЗ. Основными критериями выбора типов, производителей и марок оборудования являются следующие:
соответствие характеристик расчетам.
масса и линейные размеры;
потребляемая мощность, тип потребляемого тока и т.д.;
стоимость;
надежность и качество;
доступность приобретения и доставки и т.д.;
возможность сопряжения без дополнительных блоков и программного обеспечения с модулями системы и т.д.
При выборе оборудования (особенно при модернизации ЦУ) очень важно подобрать линейные размеры и выходные характеристики (скорость вращения вала, максимальная нагрузка и т.д.), соответствующие возможностям модернизируемой системы.
Для повышения надежности системы необходимо стремиться к минимизации промежуточных звеньев при интеграции системы и построению интерфейсных преобразователей.
2.14 Проектирование конструктивных блоков цифровых устройств
2.14.1 Типы конструктивных блоков цифровых устройств
Цифровые устройства бывают трех видов конструктивного исполнения:
1. Встроенные в другие устройства – например, цифровые устройства регистры, арифметико-логическое устройство, дешифратор команд и другие устройства микропроцессора входят в его состав. Конструктивно встроенные ЦУ обычно представлены электрическими или электронными схемами (напаянными, напыленными, внедренными на носитель главного устройства и т.д.)
3. Микросхемы – электрические и электронные схемы одного или нескольких маленьких устройств размещают в виде микросхемы.
Микросхема - это электронная схема на полупроводниковом кристалле или пленке, заключенная в корпус. Микросхемы составляют основную часть любого компьютера или ноутбука. Кроме того комплектующие компьютеров и ноутбуков: процессор, оперативная память, ПЗУ, чипсет и остальные, - тоже являются микросхемами.
Микросхемы бывают цифровыми, аналоговыми и аналогово-цифровыми. Предназначение аналоговых микросхем - преобразование и обработка непрерывных сигналов. Цифровые микросхемы преобразовывают и обрабатывают сигналы, выраженные в цифровом коде. Цифровые микросхемы имеют преимущество перед аналоговыми из-за меньшего энергопотребления и большей помехоустойчивости.
Аналого-цифровые микросхемы представляют собой гибрид двух видов микросхем, они получили большое распространение и в настоящее время являются наиболее используемыми микросхемами при создании электронной техники.
Типы микросхем по исполнению:
гибридные – это такие микросхемы, при изготовлении и внутри которых, применяются не только пленки и подложки, но и навесные, объемные элементы: например миниатюрные кристаллы разных полупроводниковых элементов и тому подобное. Один из видов такой гибридной микросхемы – это многокристальное ЭВМ,
пленочные – изготовленные по специальной методике (в виде пленок) элементы и части микросхем, которые и все соединения имеют тоже в виде пленок. Различают два вида пленочных микросхем: толстопленочные с относительной толщиной слоя пленки более 1 мкм и, соответственно, тонкопленочные со слоем менее 1 мкм,
полупроводниковые – это типы таких микросхем, у которых элементы расположены и внутри кристалла.
Типы микросхем по корпусам:
безкорпусные – виды микросхем, у которых нет корпуса, а элементы расположены на открытой подложке и залиты краской или компаундом, для защиты кристалла от негативных влияний окружающей среды. По сути – это типы кристаллов, которые изготовлены специально для монтажа в микросборку или гибридную схему. Например, микросхемы блоков цветности телевизоров 3УСТЦ,
корпусные – микросхемы, все компоненты которых расположены в миниатюрном корпусе. Это сделано потому, что огромные партии микросхем перевозятся и пересылаются потребителю или заказчику. Это приводит к неизбежному действию отправителя – обезопасить сохранность кристалла интегральной схемы от поломки. Для того, чтобы на нее не оказывала неблагоприятное воздействие погода и другие обстоятельства, применяют различные виды корпусов.
Типы микросхем по исполняемым функциям:
схемы вычислительные,
формирователи,
микро ЭВМ,
логические,
генераторы,
арифметико-логические устройства,
дешифраторы и шифраторы,
триггеры,
сумматоры.
ПЗУ и ППЗУ,
операционные усилители,
микросхемы для теле-радио и усилительных устройств,
стабилизаторы и много других.
В зависимости от обозначения на корпусе микросхем их типы точно такие же, как и в пункте о функционале.
В принципе, на одной и той же печатной плате, можно поставить различные типы микросхем. И не важно, гибридная она или пленочная, корпусная она или безкорпусная, главное, чтобы аппарат, в котором стоят эти микросхемы, работал так, как задумали его создатели.
При проектировании таких ЦУ выбирают микросхемы из перечня стандартных, исходя из габаритных размеров, количества ножек вывода и способа монтажа микросхемы на платы.
Корпус интегральной микросхемы (ИМС) — это герметичная несущая система и часть конструкции, предназначенная для защиты кристалла интегральной схемы от внешних воздействий и для электрического соединения с внешними цепями посредством выводов. Для упрощения технологии автоматизированной сборки (монтажа) РЭА, включающей в себя ИМС, типоразмеры корпусов ИМС стандартизованы.
Виды корпусов микросхем.
DIP (Dual In-line Package) - тип корпуса микросхем, микросборок и некоторых других электронных компонентов для монтажа в отверстия печатной платы, является самым распространенным типом корпусов. Имеет прямоугольную форму с двумя рядами выводов по длинным сторонам. Может быть выполнен из пластика или керамики. В обозначении корпуса указывается число выводов. В корпусе DIP могут выпускаться различные полупроводниковые или пассивные компоненты — микросхемы, сборки диодов, ТТЛ-логика, генераторы, усилители, ОУ и прочие… Компоненты в корпусах DIP обычно имеют от 4 до 40 выводов, возможно есть и больше. Большинство компонентов имеет шаг выводов 2.54 миллиметра и расстояние между рядами 7.62 или 15.24 миллиметра.
Рисунок 2.15 – Микросхема DIP
Одной из разновидностью корпуса DIP является корпус QDIP на таком корпусе 12 выводов и обычно имеются лепестки для крепления микросхемы на радиатор, вспомните микросхему К174УН7.
Разновидностью DIP является PDIP – (Plastic Dual In-line Package) – корпус имеет форму прямоугольника, снабжен выводами, предназначенными преимущественно для монтажа в отверстия. Существуют две разновидности корпуса: узкая, с расстоянием между выводами 7.62 мм и широкая, с расстоянием между выводами 15.24 мм. Различий между DIP и PDIP в плане корпуса нет, PDIP обычно изготавливается из пластика, CDIP - из керамики. Если у микросхемы много выводов, например 28 и более, то корпус может быть широким.
SIP (Single In-line Package) – плоский корпус для вертикального монтажа в отверстия печатной платы, с одним рядом выводов по длинной стороне. Обычно в обозначении также указывается число выводов. Нумерация выводов данных типов микросхем начинается слева, если смотреть на маркировку спереди.
Рисунок 2.16– Микросхема SIP
ТО92 – распространённый тип корпуса для маломощных транзисторов и других полупроводниковых приборов с двумя или тремя выводами, в том числе и микросхем, например интегральных стабилизаторов напряжения. В СССР данный тип корпуса носил обозначение КТ-26.
Рисунок 2.17– Микросхема ТО92
TO220 — тип корпуса для транзисторов, выпрямителей, интегральных стабилизаторов напряжения и других полупроводниковых приборов малой и средней мощности. Нумерация выводов для разных элементов может отличаться, у транзисторов одно обозначение, у стабилизаторов напряжения другое…
Рисунок 2.18– Микросхема ТО92
PENTAWATT – Содержит 5 выводов, в таких корпусах выпускаются, например усилители НЧ (TDA2030, 2050…), или стабилизаторы напряжения.
DPAK - (TO-252, КТ-89) корпус для размещения полупроводниковых устройств. D2PAK аналогичен корпусу DPAK, но больше по размеру; в основном эквивалент TO220 для SMD-монтажа, бывают трёх, пяти, шести, семи или восьмивыводные.
Рисунок 2.19– Микросхема DPAK
SO (Small Outline) пластиковый корпус малого размера. Корпус имеет форму прямоугольника, снабжен выводами, предназначенными для монтажа на поверхность. Существуют две разновидности корпуса: узкая, с шириной корпуса 3.9 мм (0.15 дюйма) и широкая, с шириной корпуса 7.5 мм (0.3 дюйма).
SOIC (Small-Outline Integrated Circuit) - предназначен для поверхностного монтажа, по сути это то же, что и SO. Имеет форму прямоугольника с двумя рядами выводов по длинным сторонам. Как правило, нумерация выводов одинаковых микросхем в корпусах DIP и SOIC совпадает. Помимо сокращения SOIC для обозначения корпусов этого типа могут использоваться буквы SO, а также SOP (Small-Outline Package) и число выводов. Такие корпуса могут иметь различную ширину. Обычно обозначаются как SOxx-150, SOxx-208 и SOxx-300 или пишут SOIC-xx и указывают какому чертежу он соответствует. Данный тип корпусов схож с QSOP.
Рисунок 2.20– Микросхема SOIC
Также существует версия корпуса с загнутыми под корпус (в виде буквы J) выводами. Такой тип корпуса обозначается как SOJ (Small-Outline J-leaded).
QFP (Quad Flat Package) - семейство корпусов микросхем, имеющих планарные выводы, расположенные по всем четырём сторонам. Форма основания микросхемы — прямоугольная, а зачастую используется квадрат. Корпуса обычно различаются только числом выводов, шагом, размерами и используемыми материалами. BQFP отличается расширениями основания по углам микросхемы, предназначенными для защиты выводов от механических повреждений до запайки.
В это семейство входят корпуса TQFP (Thin QFP), QFP, LQFP (Low-profile QFP). Микросхемы в таких корпусах предназначены только для поверхностного монтажа; установка в разъём или монтаж в отверстия штатно не предусмотрена, хотя переходные коммутационные устройства существуют. Количество выводов QFP микросхем обычно не превышает 200, с шагом от 0,4 до 1,0 мм. Габаритные размеры корпусов и расстояние между выводами можно посмотреть тут.
Рисунок 2.21– Микросхема QFP
QFN (Quad-flat no-leads) – у таких корпусов, так же как и у корпусов SOJ, вывода загнуты под корпус. Габаритные размеры и расстояние между выводами корпусов QFN можно посмотреть тут. Данный корпус схож с типом корпусов MLF, у них вывода расположены по периметрии и снизу.
Рисунок 2.22– Микросхема QFN
TSOP (Thin Small-Outline Package) – данные корпуса очень тонкие, низкопрофильные, являются разновидностью SOP микросхем. Применяются в модулях оперативной памяти DRAM и для чипов флеш-памяти, особенно для упаковки низковольтных микросхем из-за их малого объёма и большого количества штырьков (контактов). В более современных модулях памяти такие корпуса уже не применяются, их заменили корпуса типа BGA. Обычно различают два типа корпусов, они представлены ниже на фото.
Рисунок 2.23– Микросхема TSOP
PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) и СLCC (Ceramic Leaded Chip Carrier) - представляют собой квадратный корпус с расположенными по краям контактами, предназначенный для установки в специальную панель (часто называемую «кроваткой»). В настоящее время широкое распространение получили микросхемы флэш-памяти в корпусе PLCC, используемые в качестве микросхемы BIOS на системных платах. Габаритные размеры корпусов и расстояние между выводами можно посмотреть тут.
Рисунок 2.24– Микросхема PLCC
ZIP (Zigzag-In-line Package) - плоский корпус для вертикального монтажа в отверстия печатной платы со штырьковыми выводами, расположенными зигзагообразно. Бывают ZIP12, ZIP16, ZIP17, ZIP19, ZIP20, ZIP24, ZIP40 цифры означают количество выводов и тип корпуса, кроме этого они различаются габаритами корпусов, а так же расстоянием между выводами. Габаритные размеры корпусов и расстояние между выводами можно посмотреть тут.
Рисунок 2.25– Микросхема ZIP