МИНОБРНАУКИ РОССИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

ОТЧЕТ ПО ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ПРАКТИКЕ

Тема: Разработка аналога универсального модуля преобразования сигнала датчика силы в САПР «Altium designer»

Студент гр. 9802 _________________________ Попов А. П.

Консультант. Заместитель генерального директора по развитию и инновационным технологиям ООО «ЭКСИТОН ТЕСТ» _____________________________________________ Сусликов А. И.

Преподаватель _________________________ Шануренко А. К.

Санкт-Петербург

2023

Аннотация

В этом отчете рассмотрены порядок и методы разработки печатной платы по технологическому заданию в Системе Автоматизированного ПРоектирования «Altium Designer». Рассмотрения и анализа принципиальной электрической схемы не производится, так как это является частью производственной тайны ООО «Экситон тест».

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ	4
ИНТЕРПРИТАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ	5
СОЗДАНИЕ УГО И ПРИНЦИИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ	7
МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛОЕВ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ	15
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОСАДОЧНЫХ ПЛОЩАДОК И МОНТАЖНЫХ ОТВЕРСТИЙ КОМПОНЕНТОВ	28
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ	33
ВЫВОД	39
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ	41

Введение

Технологическое задание

1. Перенести в САПР (Система Автоматизированного Проектирования) Altium Designer электрическую схему модуля «Strain gauge SIG/CON». Сохранить обозначения компонентов как в оригинале.

2. Разработать изменения в схеме, которые позволят использовать модуль в конфигурации «LoadCell»

3. Разработать и создать печатную плату, используя принципиальную электрическую схему из первого и второго пунктов, под корпус «C-DS1047-25» с разъемом DB-25M (L-KLS1-213-25-M-L) с возможностью фиксации пятижильного кабеля диаметром до 10 мм в корпусе.

Параметры платы: двусторонняя, до четырех слоев, толщина платы с учетом возможности пайки по вертикальному зазору рядов разъема «C-DS1047-25», фольга 18 или 35 мкм. Профиль стандартный или продвинутый.

4. Разработать перечень компонентов для сборки плат в разных конфигурациях

5. Заменить устаревшие компоненты на современные аналоги руководствуясь необходимостью миниатюризации платы

Интерпритация технологического задания

Технологическое задание выражает процесс моделирования новой печатной платы с использованием части принципиальной электрической схемы. Процесс моделирования в САПР «Altium Designer» для данного проекта можно поделить на следующие этапы:

• Создание Условных Графических Обозначений (далее УГО) компонентов

• Создание моделей посадочных площадок компонентов с учетом технологических возможностей производства

• Создание принципиальной электрической схемы

• Компиляция и контроль принципиальной электрической схемы

• Моделирование печатной платы с учетом технологических возможностей производства

• Контроль соответствия платы технологическим возможностям производства

Учитывая особенность работы библиотеки компонентов Altium designer, первые три этапа проводятся параллельно. Рассмотрим технологическое задание по пунктам

1. Схема оригинального модуля имеется в формате отсканированного изображения. Задача подразумевает собой первые три пункта процесса моделирования печатной платы.

2. Представленная к изменениям схема позволяет использовать только датчики силы серии «Epsilon», и была создана именно для них. Но с некоторыми изменениями данный модуль также можно переделать для использования в качестве модуля «Loadcell» (фильтр-преобразователь аналогово сигнала с датчика силы, момента, давления и т.д.) для другой измерительной машины. То есть задача состоит в том, чтобы в зависимости от набора компонентов плата могла быть использована для датчиков Epsilon или в качестве LoadCell модуля

3. В качестве корпуса был выбран готовый металлический корпус под кабель D-Sub с 25 контактами. Корпус металлический, так как к устройству предъявляются жесткие требования к температурной стабильности. Корпус и разъем диктуют размер и форму платы.

Рисунок 1. Корпус C-DS1047-25. Главный вид

4. Перечень компонентов в разных конфигурациях нужен для передачи его производителю платы.

5. По причине разницы в размерах корпусов, взять тот же самый набор компонентов в оригинальной плате в тех же корпусах и перенести их на новую плату невозможно. Для выполнения этого пункта требуется подобрать либо аналоги компонентов, может быть, с совмещенным функционалом, либо те же самые компоненты, но в другом, меньшем по размеру, корпусе.

СОЗДАНИЕ УГО И ПРИНЦИИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

Принципиальная электрическая схема модуля «Strain gauge SIG/CON», купленная ООО «ЭКСИТОН ТЕСТ» у «Tinius Olsen ltd.» является собственностью ООО «ЭКСИТОН ТЕСТ», его внутренним документом и не может быть представлена в рамках отчета о производственной практике. То же самое справедливо и для итоговой схемы нового модуля с названием «Epsilon 4», его полного списка компонентов, производственных файлов «Gerber» и «NCDrill», которые являются моделями фотошаблонов (или картой прямого экспонирования) для производства плат и программой устройства сверления посадочных и переходных отверстий соответственно. Не смотря на отсутствие этих данных в отчете, в ходе выполнения производственной практики накопилось много научной работы, поделиться которой можно.

Маршрут разработки УГО, посадочных площадок и моделей компонентов

В рамках одного предприятия рекомендуется следовать единому маршруту проектирования, с использованием САПР. В Altium Designer есть несколько вариантов организации процесса разработки, причем программой эти процессы не контролируются.

Рисунок 2. Маршрут проектирования

При создании проекта [1] разработчиком, этот проект должен быть создан по ранее разработанному шаблону, в состав которого входят заготовки документов разного типа с готовыми настройками. Создавая схему [2], разработчик использует компоненты из утвержденной библиотеки [3], а при нехватке нужных компонентов, создает их самостоятельно во временной библиотеке [4]. Аналогично поступает конструктор. По факту выполнения проекта (или в процессе выполнения) исполнитель формирует заявку на добавление недостающих компонентов в базу [5], которая обрабатывается администратором базы. После внесения изменений в базу, необходимо внести изменения в проект [6], повторно выполнив все шаги верификации.

Стандартизация УГО, посадочных площадок и моделей

В технологическом задании указано сохранить «Сохранить обозначения компонентов как в оригинале». Это нужно для контролирования соответствия функционала оригинала платы с итоговым аналогом. В технологическом задании не указано требование к соответствию каким-либо стандартам, разберемся почему.

Рассмотрим пример одного из несоответствия схемы стандартам. Ни IEC 60617, ни его аналог ГОСТ Р МЭК 60617-DB-12M-2015 не требуют указывать контакты питания микросхем в УГО. Но в любой системе автоматизированного проектирования указание контактов питания является обязательным условием, притом эти контакты должны быть указаны как один из контактов компонента, а не как отдельная выноска. Пропускать контакты питания в УГО нельзя. Стандарты не запрещают указывать контакты питания, но рекомендуют делать это выноской, это одно из неопределенности требований стандартов и особенностей САПР.

Рисунок 3. УГО операционного усилителя OPA1652AID. Контакты питания 4 и 8. Справа – часть «А», слева – часть «Б»

Рассмотрим операционный усилитель OPA1652AID. Это два операционных усилителя в одном корпусе SOIC-8, его УГО состоит из двух отдельных символов операционного усилителя. Если компонент состоит из нескольких частей, а указание контактов питания на одной из частей обязательно, то на какой из частей оно указывается? Казалось бы логично, что на первой, так как может возникнуть ситуация, что у компонента будет использован только один из функциональных блоков из нескольких. Но что, если при очень плотной компоновке платы не будет возможности использовать выводы, которые указаны в первой части его УГО?

Рисунок 4. Посадочные площадки операционного усилителя OPA1652AID

САПР обладает информацией только о привязке имени компонента к имени одной из посадочных площадок для пайки компонента. И смена этой установки означает достаточно долгие изменения в библиотеке компонентов. Снова возникает неопределенность. Как организовать стандартизацию таких обозначений и новые возможности современных САПР? На данный момент такие производители сложных печатных плат как Quanta, Compal, обе расположенные в Тайване, придерживается своего стиля в создании принципиальных электрических схем и не следуют каким-либо государственным стандартам. Некоторые элементы похожи, но они не одинаковы и не выверены до миллиметров. Шрифт, высота символов, толщина линий, обозначения новых компонентов и так далее – все это разрабатывается внутри компании и стандартизируется исключительно внутри неё. Но даже не смотря на малый объем стандартизации, стандарты внутри компании также нарушаются. Общепринятыми остаются, может быть только обозначения конденсаторов, резисторов, индуктивностей, диодов и транзисторов. Хотя и эти соответствия весьма условны.

Каким образом тогда передавать информацию и чертежи между производствами? Общение между производствами происходит в формате электронных производственных файлов. Это программы сверления, понятные экспонирующим машинам файлы фотошаблонов и так далее. Для производства в данном случае не нужны чертежи и схемы. Это не означает что использование стандартов не нужно, к примеру, в машиностроении. Наоборот, это правильная мера. Но действительность такова, что жесткие стандарты УГО не применимы к принципиальным электрическим схемам.

Рисунок 5. Сравнение УГО и общей стилистики принципиальных электрических схем печатных плат от производителей Compal (сверху) и Quanta (снизу). На рисунке отображены аналогичные узлы. 2012 год

Исходя из всего вышесказанного, можно четко сказать, что есть выбор между ГОСТ и использованием возможностей САПР. И для достижения отличных результатов выбор на производствах всегда делается в пользу качества моделирования наперекор соблюдению государственных стандартов.

УНИВЕРСАЛИЗАЦИЯ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ. РАСШИРЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛА

На данном этапе завершена разработка УГО и прорисовка принципиальной электрической схемы оригинальной платы. В действительности, с учетом особенностей разработки библиотеки компонентов, на данном этапе уже подобраны аналоги компонентов меньшего размера и готовы их модели, но мы рассмотрим этот вопрос позже.

Рассмотрим принцип работы платы, без демонстрации принципиальной электрической схемы:

Плата состоит из блока настройки и блока преобразования и фильтрации аналогового сигнала в другой аналоговый сигнал с датчика силы, давления, момента и так далее.

Рисунок 6. Блок-схема конфигурации Epsilon

Рассмотрим первый блок. При подключении модуля к устройству, устройство отправляет на один из входов платы разрешающий и конфигурирующий импульс, притом это один и тот же импульс. В определенном месте платы импульс разделяется на импульс выбора режима работы сдвигового регистра, который устанавливает сдвиговый регистр CD4021BC в параллельный режим работы и разрешающий импульс с задержкой. Пока разрешающий импульс не дошел до сдвигового регистра, на параллельный вход микросхемы подается набор логических состояний, задаваемый набором перемычек с подтяжкой к питанию или к земле. Задержка гарантирует что данный набор состояний дойдет до микросхемы до прихода разрешающего сигнала. После прихода разрешающего сигнала, микросхема преобразует набор параллельных логических состояний в последовательный код, который соответствует необходимой конфигурации устройства, подходящей для работы с подключенным датчиком силы серии Epsilon.

Второй функциональный блок платы осуществляет фильтрацию и усиление входного сигнала с датчика силы в зависимости от установленного коэффициента усиления и опорного напряжения. В оригинале усиление и преобразование сигнала выполняется инструментальным операционным усилителем AD620 в корпусе DIP-8, который был заменен на AD8221ARZ в компактном корпусе SOIC-8. Коэффициент усиления регулируется на ОУ многооборотным переменным резистором, а опорное напряжение задаётся источником опорного напряжения.

Блок опорного напряжения выполняет две задачи. Он одновременно вносит поправку через отрицательную обратную связь у сдвоенного операционного усилителя на выходе опорного напряжения датчика силы, и ту же самую поправку на входе опорного напряжения операционного усилителя на входе с датчика силы. Это означает, что амплитуда выходного сигнала с датчика силы никогда не превысит установленное через опорное напряжение значение.

Такова конфигурация платы при использовании датчиков силы серии Epsilon и при отсутствии внешнего источника опорного напряжения. Задача второго пункта технического задания состоит в том, чтобы сменой наборов компонентов, добавлением новых компонентов и соединений к ним получить возможность подключать платы с такой же конфигурацией первого блока, но второй блок должен быть заменен на внешний источник опорного напряжения. Создание двух плат с разным функционалом было бы простой задачей, но совмещение функционала уже сложнее.

Рисунок 7. Блок-схема конфигурации Load Cell

Комплексное решение представляет из себя набор следующих действий:

1. Создание двух вариантов платы в Altium Designer

2. Удаление из второго блока платы источника опорного напряжения и его обвязки

3. Установка нулевого резистора (перемычки) к контакту внешнего источника опорного напряжения для возможности выбора источника, установка фильтров цепи внешнего опорного напряжения в плате

4. Удаление токоограничивающих резисторов с выхода операционного усилителя и подтяжка опорного напряжения к нулю для фиксирования пределов на уровне 10 В

5. Анализ разъемов измерительных машин и коррекция разводки платы для исключения замыканий в измерительной машине

МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛОЕВ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

После составления принципиальной электрической схемы, нужно определиться с слоями печатной платы и используемыми материалами. Это толщина меди, материалы препрега и диэлектрика. По технологическому заданию выберем:

4 слоя меди – в связи с плотностью компоновки

Фольга 35 мкм. Тонкая фольга допускает меньшие отверстия, толщину проводников и позволяет уменьшить размеры платы в целом. Сама плата не оперирует высокими токами и напряжениями, так что толстая фольга ей не нужна. Но к плате предъявляются требования к температурной стабильности, которые лишь частично покрываются металлическим корпусом. Увеличение толщины меди улучшит теплоотвод от компонентов, поэтому была выбрана фольга 35, а не 18 мкм.

Толщина платы зависит от её материалов и невозможно объяснить их предназначение без обзора процесса производства

На примере выбранных из доступных материалов платы, рассмотрим вкратце современный процесс производства многослойной печатной платы с металлизацией.