2.3.3 Блок индикации. Блок индикации (би) служит для отображения окончательного результата вычислений в виде двоично-десятичного кода на 8-разрядном цифровом индикаторе.

Блок индикации содержит входной регистр, дешифратор разряда, дешифратор цифры и цифровое табло, состоящее из восьми разрядов высвечиваемых цифр.

Входной регистр разрешает передачу двоичных кодов из общей шины данных при наличии разрешающего сигнала от МП устройства в систему дешифраторов, для того, чтобы все промежуточные кода работы устройства не выводились на индикацию. Дешифратор разряда преобразует 4-битовый код в управляющий сигнал, разрешающий работу того или иного разряда цифрового табло. Дешифратор цифры преобразует 4-битовый код в желаемую цифру, которая должна высветиться на соответствующем разряде цифрового табло. Таким образом поочередно загорается следующий разряд с соответствующей цифрой. Это происходит с определенной частотой, поэтому создается иллюзия того, что высвечиваются все цифры на всем цифровом табло, так осуществляется динамический режим индикации.

5 Программное обеспечение

Блок-схема алгоритма управляющей программы приведена на рисунке 3.

Управляющая программа начинает свою работу с инициализации всего устройства. Устанавливается первый режим прерывания. Обнуляются все переменные, которые содержатся в регистрах МП. Затем происходит опрос буферного усилителя с данными преобразования АЦП1 и происходит их считывание в переменную ACP1. Аналогично происходит опрос данных преобразования АЦП2, после происходит считывание двоичного 8-разрядного слова, который соответствует второму аналоговому сигналу, в переменную ACP2.

Происходит считывание константы с блока константы, которая записывается в переменную CONST. Данная константа определяет геометрические и электрические параметры ЭГПП устройства, код которой определяется опытным путем.

После получения всех необходимых переменных, начинается процесс арифметических и логических вычислений. Происходит логическое сравнение переменной ACP1 с переменной ACP2, результат сравнения заносится в переменную SUM, которая умножается на переменную CONST. По окончательному результату REZ в виде двоичного кода программным образом ищется в таблице экспериментальных данных соответствующий двоично-десятичный 8-байтовый код, который с помощью программы прерывания выводится на 8-разрядное цифровое табло.

Индикация производится программой обработки прерываний. Данная программа производит чтение 8-байтового код величины плотности, каждый байт которого содержит два 4-разрядных кода. В старших четырех разрядах содержится цифра, которую необходимо показать, а в младших номер этого разряда. После записи слова управления в блок индикации последний байт 8-байтового слова увеличивают на единицу и сбрасывают пять старших разрядов в ноль, на случай если результат превысит 7. Происходит возврат из программы обработки прерываний к начальным режимам работы МП.

Если один из кодов ACP1 или ACP2 равны нулю, то управляющая программа останавливает свою работу, до тех пор пока данные кода не примут какое-либо значение.

3 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

Выбор элементной базы производится с учетом, чтобы напряжения питания ЭРЭ было +5 В, 15 В и с наименьшими токами потребления.

Для начала проведем выбор элементов сопротивления, емкостей и разъемов, которые применяются во всех модулях устройства.

1) Выбор элементов сопротивления. В результате литературного поиска и анализа различных устройств в качестве элементов сопротивления выбраны металлопленочные резисторы МЛТ-0,125 постоянного сопротивления, которые характеризуются высокой стабильностью параметров, слабой зависимостью сопротивления от частоты и рабочего напряжения, высокой надежностью. Диапазон рабочих температур минус 60...+125С. Возможно применение других типов сопротивлений, только при условии, что установочные параметры равны установочным параметрам выбранных элементов.

2) Выбор элементов емкости. В устройстве необходимо применение как конденсаторов постоянной емкости, так и полярных конденсаторов. В результате литературного поиска и анализа различных устройств в качестве элементов емкости были выбраны в качестве конденсаторов постоянной емкости конденсаторы марок КМ4, КМ5 или КМ6, а в качестве полярных конденсаторов электролитические конденсаторы марок К50-16 или К50-35, которые по сравнению с К50-16 имеют меньшие габариты.

Электролитический конденсатор К50-16. Характеризуется большими токами утечки и большими потерями. В проектируемом устройстве используется в качестве низкочастотного фильтра, поэтому потери энергии в данных элементах существенного значения не имеют. Диапазон рабочих температур минус 40...+70С.

Конденсаторы постоянной емкости К10-23. Характеризуются высокими электрическими показателями, небольшой стоимостью, большим сопротивлением изоляции, малым тангенсом угла потерь. Диапазон рабочих температур минус 60...+125С.

Возможно применение других типов емкостей, только при условии, что установочные параметры равны установочным параметрам выбранных элементов.

3) В результате литературного поиска для соединения модуля микропроцессора и модуля аналого-цифрового преобразования и индикации с модулем соединителей будем использовать разъемные соединители: вилка СНО51-30/569В-23 и розетка СНО51-30/599Р-2 на 30 коммутируемых контактов. Вилка СНО51-30/569В-23 будет установлена на сами модули (по одной на каждом модуле), а розетка СНО51-30/599Р-2 на модуле соединителей (две данных розетки). Диапазон рабочих температур минус 60…+80С. Для соединения с внешней аппаратурой будет использована розетка РГ-1-12-16-В.

Параметры элементной базы (сопротивления, емкости, разъемы) приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Основные конструктивные параметры элементной базы

ЭРИ	Кол-во, шт.			Вариант установки	Установочная площадь, мм2	Диапазон температур, С
	А1	А2	А3
Резисторы МЛТ-0,125	14	40	-	II-а	22	-60…+125
Конденсаторы К50-16-16В-5 мкФ К50-16-16В-100 мкФ КМ4,КМ5 или КМ6	1 1 9	- 1 14	- - - -	I-а I-а II-в	176 252 43	-40…+70 -40…+70 -40…+125
Разъемы СНО51-30/569В СНО51-30/599Р-2 РГ-1-12-16-В	1 - -	1 - -	- 2 1	- - -	1015 978 764	-60…+80 -60…+80 -60…+80

где А1 – модуль микропроцессора;

А2 – модуль аналого-цифрового преобразования и индикации;

А3 – модуль соединителей.

3.1 Модуль микропроцессора

3.1.1 Выбор микропроцессорного элемента. Выбор микропроцессорного элемента выполняется по следующим критериям:

• всего один тактовый сигнал;

• низкий потребляемый ток;

• наличие большого количества различных команд для работы не только с регистрами и регистровыми парами, но и для работы с битами;

• упрощенную схему обращения к памяти и периферийным устройствам;

• наличие всех необходимых управляющих сигналов для сопряжения с внешними устройствами и памятью.

В результате литературного поиска был выбран микропроцессор Z-80 фирмы Zilog. Данный процессор является восьмиразрядным и может адресовать до 65536 байт памяти и столько же внешних устройств через дополнительные дешифраторы. Похожими характеристиками обладает отечественный микропроцессор КР580ИК80, однако, этот аналог уступает по таким параметрам как, быстродействие, энергопотребление, количество источников питания, наличием управляющих сигналов для смежных устройств.

Полновесными аналогами Z-80 являются отечественные микропроцессоры КР1858ВМ1 и КМ1582ВМ2-0100, разработанные для замены зарубежной БИС в отечественных микропроцессорных устройствах, но имеющих несколько большее энергопотребление.

Все это позволяет просто и удобно создавать на микропроцессоре Z-80 любые устройства, с любой заданной степенью сложности.

3.1.2 Выбор оперативного и постоянного запоминающих устройств. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), предназначенное для хранения выборок аналогового сигнала, должно иметь более 1000 байт, а также необходима память для хранения переменных при вычислительных операциях. На основании этого был остановлен выбор на ОЗУ емкостью 2 Кбайт. Для того чтобы избежать излишних сложностей с регенерацией динамического сигнала, ОЗУ было выбрано статическое.

Для рассмотрения выбраны наиболее известные серии КМПД-микросхем статических ОЗУ серии К537, КМ1603, К581, К176. Основные параметры микросхем перечисленных серий представлены в таблицах 2 и 3. Приведенные значения параметров характеризуют микросхемы в диапазоне рабочих температур +10...+70С.

Статический режим большинства КМПД-микросхем памяти, как видно из таблицы 3, характеризуется единым напряжением питания +5 В, близкими значениями уровней выходных сигналов, сравнительно небольшими выходными токами.

Таблица 2 - Характеристики КМПД-микросхем статических ОЗУ

Микросхема	Емкость, Бит	Режим доступа	Время цикла, нс	Потребляемая мощность, мВт	Потребляемая мощность в режиме хранения
					при напряжении питания	в режиме хранения
КР537РУ1А	1К1	Т	1300	14	0,5	-
КР537РУ8А	2К8	Т	350	157	5,2	-
КР537РУ8Б	2К8	Т	530	157	10,5	-
КР537РУ9А	2К8	Т	400	-	5,5	2
КР537РУ9Б	2К8	Т	580	-	11	4
КР537РУ10	2К8	А	220	367	5,2	610-4
КР537РУ17	8К8	А	200	468	0,02	0,004
К176РУ2	2561	Т	900	20	4,5	-
КМ581РУ5В	2К8	А	150	385	82,5	-
КМ1603РУ1	2564	Т	690	30	1,1	0,03

где Т – тактируемые микросхемы, А – асинхронные микросхемы

Таблица 3 - Статические параметры КМПД-микросхем ОЗУ

Микросхема	Напряжение питания, В	Напряжение питания в режиме хранения, В	Ток птребления, мА	Ток потребления, мкА
				при напряжении питания	в режиме хранения
КР537РУ1	510%	-	2,5	100	-
КР537РУ8	55%	-	30	1000	-
КР537РУ9	510%	3,3	-	1000	600
КР537РУ10	55%	2	70	1	0,3
КР537РУ17	510%	2	85	4	2

Продолжение таблицы 3

Микросхема	Напряжение питания, В	Напряжение питания в режиме хранения, В	Ток потребления, мА	Ток потребления, мкА
				при напряжении питания	в режиме хранения
К176РУ2	95%	-	2	500	-
КМ581РУ5В	510%	-	80	15000	-
КМ1603РУ1	510%	2	5	200	15

Таблица 4 - Динамические параметры КМПД-микросхем ОЗУ

Микросхема	Время выборки, нс	Время установления, нс	Длительность сигнала, нс	Время сохранения, нс	Емкость Нагрузки, пФ
					номинальная	предельная
КР537РУ1А	1100	200	900	200	30	200
КР537РУ8А	270	70	220	60	50	-
КР537РУ8Б	470	70	400	60	50	-
КР537РУ9А	240	20	220	160	50	500
КР537РУ9Б	420	20	400	160	50	500
КР537РУ10	220	30	160	30	50	500
КР537РУ17	200	20	150	30	30	500
К176РУ2	650	20	700	180	50	300
КМ581РУ5В	150	-	90	10	50	500
КМ1603РУ1	500	50	450	200	100	500

Сравнить КМПД-микросхемы по быстродействию позволяют данные таблиц 2 и 4. В таблице 2 приведено время цикла записи (считывания), а во второй – время выборки адреса и ряд других динамических параметров. Из них наиболее информативным является время цикла, поскольку оно определяет частоту обращений к микросхеме. Время выборки позволяет оценить реальное время получения данных при обращении к ОЗУ для считывания. Для тактируемых микросхем ОЗУ время цикла больше за счет времени восстановления после сигнала выбора, а для многих асинхронных ОЗУ эти два параметра имеют одинаковое значение.

Наиболее развитым функциональным составом обладает серия К537. Функциональный состав серии включает более 20 типономиналов микросхем, отличающихся информационной емкостью, организацией, быстродействием и потребляемой мощностью. Имеются отличия и в системе управляющих сигналов, и в конструктивном исполнении.

Общими свойствами микросхем серии К537 являются: одно напряжение питания 5 В, ТТЛ-уровни входных и выходных сигналов, выходы с тремя состояниями, высокая помехоустойчивость, значительная предельная емкость нагрузки (200...1000 пФ), небольшое энергопотребление, причем при хранении на два- три- порядка меньше, чем при обращении, способность сохранять записанную информацию при пониженном до 2...3 В напряжении питания.

В целом выбор был остановлен на микросхеме КР537РУ10. Микросхема работает в режиме записи, считывания и хранения информации. Состояния сигналов в названных режимах указаны в таблице 5.

Таблица 5 - Таблица истинности микросхемы КР537РУ10

CS	OE	WR/RD	A0...A10	D0...D7	Режим работы
1 0 0 0	X X 1 0	X 0 1 1	X A A A	Z D0...D7 Z D0...D7	Хранение Запись Запрет выхода Считывание

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) выбирается исходя из требований к возможному изменению программы (КС573РФ4А), данное ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием и к тому же обладает повышенным объемом (8 Кбайт), достаточным для данной системы. ПЗУ данной серии КС573 обладают высокой помехозащищенностью, высокой надежностью, большим быстродействием и малым током потребления в ждущем режиме.

3.1.3 Выбор логических элементов схемы. Логические элементы подбираются по выполняемым функциям и минимальному потребляемому току. Необходимо применение в качестве логических элементов микросхем серий К155, К555 и КР1533, т.к. напряжение питания данных серий совпадает с напряжением питания устройства.

Основные параметры перечисленных серий приведены в таблице 6.

Таблица 6 – Основные параметры микросхем серий К155, К555 и КР1533

Параметр	Серия микросхем
	К155	К555	КР1533	К561
Напряжение питания, В	+5	+5	+5	+3...+15
Допуск на напряжение	5%	5%	10%	-
Ток потребления не более, мА	40	4,4	0,1	0,02
Максимальное значение напряжения низкого уровня, В	0,4	0,8	0,8	Uпит=+5 В 0,4
Минимальное значение напряжения высокого уровня, В	2,4	2,4	2,0	Uпит=+5 В 2,6
Помехоустойчивость, В	0,4	0,4	0,4	0,5
Температурный диапазон, С	-10..+70	-10..+70	-10..+70	-10..+70
Крутизна фронтов входных сигналов, нс/В	100	15	15	24

В микропроцессорном блоке обработки информации в качестве логических элементов применяются микросхемы серий КР1533, выполненные по ТТЛШ – технологии и К561, выполненные по стандартной КМОП – технологии, подбор которых осуществляется в зависимости от выполняемой функции и минимальному потребляемому току.

Серия КР1533 имеет высокое быстродействие, малые помехи и небольшое, по сравнению с другими ТТЛ - микросхемами энергопотребление. Данная серия применяется при рабочей частоте 2...30 МГц [ , стр. 414], поэтому подходит для использования в данном устройстве.

Микросхема К561ИЕ16 серии К561 необходима в качестве делителя импульсов (смотреть пункт 3.1.4). Микросхемы серии К561 отвечают скоростным требованиям аппаратуры, помехоустойчивы и надежны в работе. Напряжение питания микросхем данной серии составляет +3...+15 В, поэтому ее можно использовать при напряжении питания +5 В.

В устройстве в модуле индикации при работе используется дешифратор, выходы которого выполнены с открытым коллектором, на которые подается напряжение до +57 В, поэтому необходим дешифратор, в выходных каскадах которого используются высоковольтные транзисторы. Однако в серии КР1533 данный тип микросхем отсутствует, поэтому для этих целей была использована микросхем серии К155 – К155ИД1.

Возможно применение вместо микросхем серии КР1533 серий К155 и К555, но при этом увеличивается энергопотребление устройства.

3.1.4 Выбор элементов узла выработки тактовых импульсов. Данный узел состоит из генератора и делителя основной тактовой частоты. Генератор тактовых импульсов прямоугольной формы, необходимых для организации работы микропроцессора, выходная частота которого составляет 3,2 МГц и используется для тактирования микропроцессора и делителя. Благодаря применению кварцевого резонатора обеспечивается высокая стабильность выходной частоты. Поэтому выбираем кварцевый генератор, выполненный на трех логических элементах НЕ микросхемы КР1533ЛН1. Делитель вырабатывает необходимую последовательность импульсов определенной частоты для тактирования АЦП (400 Гц) и вызова прерываний для работы в динамическом режиме индикаторов (160 мкс). Делитель выполнен на микросхеме К561ИЕ16, которая содержит 14-разрядный асинхронный счетчик (счетчик пульсаций), дающий на своих выходах 16384 двоичных отсчетов.

3.1.5 Выбор элементов узла начальной установки. Данный узел предназначен для первоначального запуска микропроцессора при зависание системы или по желанию оператора. Узел выполнен на логическом элементе НЕ микросхемы КР1533ЛН1.

Параметры элементной базы модуля микропроцессора приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Основные конструктивные параметры элементной базы

ЭРИ	Кол-во, шт.	Вариант установки	Установочная площадь, мм2	Диапазон температур, С
Микросхемы КР1533ЛН1 К561 ИЕ16 Z80 КР1533ЛИ1	2 1 1 1	VIII-a VIII-a VIII-a VIII-a	221 252 990 221	-30…+60 -40…+60 -10…+60 -30…+60

Продолжение таблицы 7

ЭРИ	Кол-во, шт.	Вариант установки	Установочная площадь, мм2	Диапазон температур, С
Микросхемы КС573РФ4А КР1533ЛА3 КР537РУ10А КР1533ЛР13	1 1 1 1	VIII-a VIII-a VIII-a VIII-a	693 221 612 221	-10…+60 -30…+60 -10…+60 -30…+60
Резонатор кварцевый РГ-72-3200К-6А	1	-	643	-40..+60
Диод КД522Б	1	II-а	66	-55…+100

3.2 Модуль аналого-цифрового преобразования и индикации

Одним из основных компонентов системы, в котором будет непосредственно происходит обработка полученного сигнала является модуль аналого-цифрового преобразователя.

3.2.1 Выбор элемента аналого-цифрового преобразования. Известно большое число методов преобразования аналоговых величин в цифровые. Однако в полупроводниковых БИС используются только методы, обеспечивающие достижение высоких параметров АЦП при реализации структуры из узлов, совместимых по технологии изготовления. Этим требованиям удовлетворяют методы последовательного приближения, параллельного преобразования и двухтактного интегрирования.

Первый метод обеспечивает удовлетворительное сочетание точности и быстродействия, второй – возможность достижения высокого быстродействия, а третий – точность.

Для реализации микропроцессорного блока обработки информации был выбран АЦП последовательного приближения, т.к. этот вариант обладает достаточным быстродействием, точен и устойчив к различного рода помехам. Данный АЦП по его характеристикам наиболее полно решает требуемые задачи.

Основные характеристики АЦП последовательного приближения приведены в таблице 8.

Таблица 8 - Основные характеристики АЦП последовательного приближения

Параметры	К1113ПВ1	К1107ПВ1	К1107ПВ2	К1108ПВ1
Число двоичных разрядов	10	16	8	10
Погрешность линейности, %	1-4	1/2	0,75	-
Максимальная погрешность, %	-	0,1	-	8
Время преобразования, мкс	-	0,1	0,2	1
Напряжения питания, В	+5, -15	+5, -6	+5, -6	+5, -5,2
Опорное напряжения, В	10	-2,2..+0,2	-2,1..-0,1	+4,096

Выбираем исходя из таблицы 8 и литературного анализа отечественный АЦП последовательного приближения К1113ПВ1.

Интегральная схема К1113ПВ1 выполняет функцию АЦП, работающего по принципу последовательного приближения. АЦП имеет внутренний источник опорного напряжения, тактовый генератор и компаратор напряжения. Для включения АЦП требуются источники питания +5 В и –15 В и формирователь преобразования. АЦП имеет выходные устройства с тремя устойчивыми состояниями, что упрощает его сопряжение с шиной данных микропроцессора. Несколько таких АЦП могут обслуживать один микропроцессор, и наоборот. В данной системе используются две микросхемы АЦП, каждая из которых обрабатывает свой аналоговый сигнал. Режим работы данных микросхем в микропроцессорной системе определяются управляющими импульсами от микропроцессора. При поступлении на вход «Гашение и преобразование» микросхемы К1113ПВ1 уровня логического нуля АЦП начинает преобразование входной информации. Через время необходимое на преобразование, на выходе АЦП «Готовность данных» появляется сигнал с уровнем логической единицы, который «гасит» информацию, содержащуюся в регистре последовательного приближения, и АЦП снова готов к приему и обработке входных данных. Аналого-цифровой преобразователь может обрабатывать входную информацию в виде однополярного аналогового напряжения до 10,24 В и двуполярного 5,12В.

3.2.2 Выбор элемента буферного усилителя. Данный элемент необходим для выдачи в общую шину данных 8-разрядного кода, снимаемого с АЦП при запросе микропроцессора. Но при отсутствии разрешающего сигнала микропроцессора на выходе буферного усилителя должно присутствовать Z-состояние. В результате литературного поиска был выбран буферный усилитель серии КР1533 КР1533АП5, который содержит 8 шинных усилителей с тремя состояниями выходов, управление осуществляется с помощью двух управляющих входов EO1 и EO2, для каждой четвертки усилителей. Ток потребления микросхемы составляет не более 90 мА. Время задержки выключения в Z-состояние составляет 30...40 нс.

3.2.3 Выбор элемента усиления аналогового сигнала. В устройстве необходимо усилить по напряжению входные исследуемые напряжения. Для этого используют операционный усилитель (ОУ) по напряжению. В результате литературного поиска и сравнении микросхем ОУ различных серий наиболее просто подходят ОУ серии КР574, в составе которой выбираем КР574УД1, обладающего наиболее подходящими электрическими параметрами и простой схемой обвязки обратно связи.

Операционный усилитель (ОУ) КP574УД1 выполнен в интегральном корпусе типа 2101.8-1, что позволяет его монтировать на платы аналогично цифровым интегральным микросхемам. Данный ОУ имеет малое количество внешних цепей коррекции, что очень удобно при наладке и монтаже. Максимальный коэффициент усиления - 150000, напряжение смещения нуля не более 20 мВ, частота единичного усиления 18 МГц, диапазон напряжения питания ±15 В, потребляемый ток 5,5 мА.

3.2.4 Выбор элементов узла управления индикацией. В данной системе необходима схема, которая преобразует двоично-десятичный код результата в высвечиваемый на табло результат. Исходя из структурной схемы УИТС.411711.023 Э1 необходимо подобрать элементы входного регистра, дешифратора разряда и дешифратора цифры.

Элементом входного регистра выбираем микросхему серии КР1533 КР1533ИР22, которая выполняет все необходимые функции по передачи двоично-десятичного кода на дешифраторы, передача которых осуществляется с поступления разрешающего сигнала в виде логической единицы от микропроцессора. Микросхема КР1533ИР22 - восьмиразрядный регистр-защелка отображения данных, выходные буферные усилители которого имеют третье Z-состояние. Схема регистра состоит из двух частей. Первая часть - это восемь D-триггеров со входом разрешения параллельной записи PE. Пока напряжение на входе PE высокого уровня, данные от параллельных выходов D-триггеров D0-D7 отображаются на выходах Q0-Q7. Подачей на вход PE напряжения низкого уровня разрешается запись в триггеры нового восьми битного байта. Вторая выходная часть устройства управляется по выводу разрешения EO. Ее восемь буферных ключевых выходных усилителей отличаются большой нагрузочной способностью и имеют третье Z-состояние.

Выбор дешифратора разряда обоснован в пункте 3.1.3.

Электронные ключи, подключенные к дешифратору разряда, выполнены на транзисторы КТ502Д, имеющих p-n-p структуру, маломощные, низкочастотные, максимальный ток коллектор-эмиттер 150 мА, максимальное напряжение коллектор-база 80 В (в данных цепях напряжение достигает 57 В), статический коэффициент усиления 40...120.

Дешифрация двоичного кода цифры в семи сегментный код индикатора должна производиться элементом, который преобразует двоичный код в семи сегментный код цифры. В результате литературного поиска и сравнения между собой дешифраторов различных серий при условии, что микросхема должна иметь выходные цепи с открытым коллектором, иметь напряжение питания +5 В, иметь малый небольшой ток потребления, высокую надежность и долговечность. С учетом всего этого была выбрана микросхема серии КР514 -КР514ИД2. Выходы этой микросхемы выполнены по схеме с открытым коллектором, что очень подходит для индикаторов с общим анодом.

3.2.5 Выбор элементов индикации. Элементы индикации должны визуально отображать результат вычислений в широких пределах, должны обеспечивать уверенное считывание информации в условиях сильной и слабой освещенности, обладать высокой яркостью и контрастом, иметь высокую чувствительность к управляющим сигналам, малую потребляемую мощность, высокую долговечность и надежность.

Индикатор должен работать в широком диапазоне температур окружающей среды, выдерживать воздействие различных механических нагрузок.

Индикаторы в зависимости от происходящих в них физических процессов, происходящих в них разделяют на: вакуумные люминесцентные, жидкокристаллические, электролюминесцентные, газоразрядные и полупроводниковые.

В результате литературного поиска для реализации микропроцессорного блока обработки информации был выбран полупроводниковый знакосинтезирующий индикатор. Данный индикатор дешев, имеет малые габариты, прост и по его характеристикам полно решает требуемые задачи. Из отечественных индикаторов, которые могли бы отвечать данным требованиям наиболее полно, выбираем АЛС324Б.

Параметры элементной базы модуля аналого-цифрового преобразования и индикации приведены в таблице 9.

Таблица 9 - Основные конструктивные параметры элементной базы

ЭРИ	Кол-во, шт.	Вариант установки	Установочная площадь, мм2	Диапазон температур, С
Микросхемы КР574УД1А КР1533ИР22 К155ИД1 КР514ИД1 К1113ПВ1Б КР1533АП5	2 1 1 1 2 3	VIII-а VIII-а VIII-а VIII-а VIII-а VIII-а	132 289 221 221 246 289	-30…+60 -30…+60 -30…+60 -30…+60 -10…+60 -30…+60
Индикатор АЛС335Б	8	-	256	-10…+70
Транзистор КТ502Д	8	-	56	-10…+70
Кнопка КМ150	1	-	74	-50...+80

Вывод. Таким образом была подобрана элементная база, которая наиболее соответствует техническим характеристикам устройства.

4 ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА РАБОТЫ УСТРОЙСТВА

Питание микропроцессорного блока обработки информации с электрогидродинамического преобразователя плотности осуществляется от однополярного напряжения +5 В и двуполярного - 15 В.

Устройство состоит из трех модулей: модуль микропроцессора (на схеме УИТС.411711.023 Э3 модуль А1), модуль аналого-цифрового преобразования и индикации (на схеме УИТС.411711.023 Э3 модуль А2), и модуль соединителей (на схеме УИТС.411711.023 Э3 модуль А3). Рассмотрим работу каждого рассмотренного модуля.

4.1 Модуль микропроцессора

Тактирование всего устройства производится от генератора на элементах DD1.1, DD1.3, DD1.2, R1, R3, R5, C1 и ZQ1. Частота задается кварцевым резонатором ZQ1 и равна 3,2 МГц. Для режима прерываний и тактирования АЦП (стартовый сигнал на начало обработки) используется частота полученная делением частоты задающего генератора. Деление производится делителем на микросхеме DD2, для прерываний сигнал имеет частоту 400 Гц, а для запуска АЦП период 160 мкс. Чтобы импульс на прерывании не был слишком длинным и не приводил к повторному прерыванию используется схема R4, C3 и VD1. Благодаря ей из импульса длительностью 2,5 мс формируется импульс длительностью 10 мкс.

На элементах R2, C2, и DD1.4 собран блок сброса и начальной установки микропроцессора. При включении питания за счет переходных процессов на выходе формируется отрицательный импульс сброса длительностью несколько секунд. При необходимости сброса без выключения питания используют кнопку SB1, которая расположена в модуле А2.

Дешифрация модуля индикации и модуля аналогового ввода, собранная на элементах DD1.5, DD4 и DD5, осуществляется за счет сигнала обращения к внешним устройствам МП (IORQ) и соответствующей линии адреса. Для обращения к системе индикации необходимо, чтобы сигнал IORQ равнялся нулю, сигнал A15 на адресной шине МП равнялся единице, в этом случае на выходе элемента DD4.1 появится высокий уровень и система индикации запишет в себя информацию с шины данных. Типичное обращение к системе индикации производится по адресу 32768 (8000h).

Для обращения к системе аналого-цифрового преобразования сигнал IORQ должен быть низкого уровня, а A14 – высокого уровня. При данном уровнях сигналов IORQ и A14, а также при логической единице сигнала A0 адресной шины МП происходит считывание двоичного 8-разрядного кода, который соответствует первому аналоговому входному сигналу. Типичное обращение по адресу 16385 (4001h).

Для считывания другого двоичного 8-разрядного кода, который соответствует второму аналоговому входному сигналу, происходит при тех же уровнях сигналов IORQ и A14, а также при логической единице сигнала A1 адресной шины МП. Типичное обращение по адресу 16386 (4002h).

Для считывания 8-разрядного кода константы, набор которой осуществляется с помощью перемыкающих устройств, расположенных в модуле аналого-цифрового преобразования (микросхема DD8, розетка XS1 в модуле А2), происходит при тех же уровнях сигналов IORQ и A14, а также при логической единице сигнала A2 адресной шины МП. Типичное обращение по адресу 16387 (4003h).

Таким образом, обращение к периферийным устройствам ввода информации происходит с помощью управляющего сигнала МП IORQ и логической единицы на выходе A14, а обращение каждому периферийному устройству происходит с помощью сигналов адресной шины МП A0, A1 или A2.

Схема, собранная на элементах DD7 и DD8, предназначена для реализации режима ожидания микропроцессора DD3, в момент считывания им кодов с модуля аналого-цифрового преобразования, в момент времени, если АЦП (микросхемы модуля аналого-цифрового преобразования DD4 и DD5 модуля А2) еще не окончило преобразование аналогового сигнала. Данная схема сравнивает сигналы обращения к АЦП и сигналы готовности самих АЦП. Например, микропроцессор DD3 обращается к АЦП1 (микросхема DD4 модуль А2), то данная схема сравнивает сигнал обращения к АЦП и сигнал о готовности преобразования АЦП1, если АЦП не окончило преобразование, то система останавливает микропроцессор до тех пор, пока АЦП1 не выдаст сигнал готовности данных на его выходе. Данная схема необходима для согласования более быстрых устройств (таких как микропроцессор DD3, частота работы 3,2 МГц) с более медленными (таких как АЦП DD4 и DD5 модуль А2, частота преобразования 6,25 кГц).

В качестве микропроцессорного элемента DD3 взят микропроцессор фирмы «Zilog» Z80. Он обладает простой схемой обращения к периферийным устройствам, легко согласовывается с микросхемами, выполненных по разной технологии и содержит два набора регистров.

В качестве постоянного запоминающего устройства используется ПЗУ DD6 емкостью 8192 байт. Данная ПЗУ может стираться ультрафиолетовым излучением, что очень удобно при изменении управляющей программы. Обращение к ПЗУ происходит по адресам 0000-8191 (0000h-1FFFh). Дешифрация происходит за счет сигнала MREQ низкого уровня (обращение к ЗУ) и сигнала также низкого уровня A13. Данные сигналы подаются на входы ПЗУ: CS и OE соответственно.

В качестве ОЗУ для хранения переменных в процессе работы используется микросхема DD9 емкостью 2048 байт. Обращение происходит по адресам 8192-12287 (2000h-2FFFh). Дешифрация адреса за счет сигнала низкого уровня MREQ и сигнала высокого уровня A13 адресной шины МП. Проинвертированный сигнал А13 элементом DD1.6 подается на вход CS микросхемы DD9. Выбор режима чтение-запись производится сигналом WR (запись), поданным на вход WR микросхемы DD8. При низком уровне сигнала WR происходит запись в ОЗУ. Сигнал MREQ подается на вход OE DD9. ОЗУ выбираем статическое, так как для данного типа ОЗУ не обязателен дополнительный источник питания для подпитки ячеек памяти, в отличии от динамических ОЗУ.

Резисторы R7...R14 используются для согласования микросхем, выполненных по разной технологии.

Конденсаторы C4...C11 защищают цепи питания от высокочастотных и низкочастотных помех.

4.2 Модуль аналого-цифрового преобразования и индикации

4.2.1 Принцип работы системы аналого-цифрового преобразования. Сигналы с выходов усилителей DA1 и DA2 поступают на входы АЦП1 – DD4 и АЦП2 – DD5. Для работы АЦП1, АЦП2 необходимо падать уровни логических единиц на выводы 11 DD4 и DD5 соответственно. После этого АЦП1 и АЦП2 начинают обрабатывать входные аналоговые сигналы и обработав их выдают на выводах 17 активный низкий уровень. Пока на выводах 17 DD4 и DD5 логический ноль двоичная информация на выходе АЦП1 и АЦП2 соответствуют величинам входных аналоговых сигналов. АЦП1 и АЦП2 каждый имеет по 10 выходных разрядов, в данной схеме используется только 8 младших.

Работа производится следующим образом: на выводы 11 DD4 и DD5 приходит сигнал низкого уровня с делителя DD2 модуля А1, АЦП1 и АЦП2 обрабатывают аналоговые сигналы и выдают двоичную информацию на выход вместе с сигналом готовности данных на выводах 17 микросхем DD4 и DD5 соответственно. Состояние сигнала готовности данных постоянно подается на схему останова микропроцессора (элементы DD7 и DD8 модуля А1), как только он равен нулю, то производится чтение данных с АЦП1 и АЦП2. Чтение данных с АЦП1 производится через буферный усилитель DD6, а с АЦП2 - через буферный усилитель DD7.

На элементах DD8 и XS1 собрана схема для набора кода константы. Набор кода осуществляется с помощью перемычек, устанавливаемых на розетке XS1. Наличие перемычки соответствует логическому нулю в данном разряде, если она не устанавливается – то логической единице. Чтение кода константы осуществляется через буферный усилитель DD8.

4.2.2 Принцип работы системы индикации. Модуль индикации содержит параллельный восьмиразрядный регистр с записью по уровню DD1. Разряды D0-D3 с выхода регистра подаются на дешифратор разряда DD2, а разряды D4-D7 на дешифратор семи сегментного кода DD3. На выходе DD2 стоят транзисторные усилители, выполненные по схеме с общим эмиттером на транзисторах типа p-n-p VT1-VT8. С коллектора транзисторов сигнал выбора разряда идет на общий катод соответствующего индикатора HL1-HL8.

Дешифрация двоичного кода цифры в семи сегментный код индикатора производится дешифратором DD3. Выходы этой микросхемы выполнены по схеме с открытым коллектором, что очень подходит для индикаторов с общим анодом. Микросхема выдает на индикацию цифры от 0 до 9. На выходе данной микросхемы подключены резисторы R10...R16, предназначенные для уменьшения уровня тока, протекающего в данной цепи, что приведет к уменьшению нагрева микросхемы DD3.

Управление системой индикации происходит в динамическом режиме путем поочередной (с частотой 400 Гц) записью цифры в каждый разряд. При этом младшие четыре бита управляющего слова содержат номер разряда, а старшие четыре индицируемую цифру.

Конденсаторы C1...C4, C7...C15 защищают цепи питания от высокочастотных и низкочастотных помех.

4.3 Модуль соединителей

Данный модуль А3 предназначен для обеспечения электрической связи между собой модулей А1 и А2 через гнезда XS1 и XS2 соответственно, и для подключения к данным модулям розетки присоединительной XP1, которая используется для соединения устройства с внешней аппаратурой. От внешней аппаратуры подаются на микропроцессорный блок обработки информации напряжения питания и два аналоговых напряжения, над которыми происходит обработка.

6 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ

6.1 Выделение конструктивно и функционально-законченных узлов

Микропроцессорный блок обработки информации с электрогидродинамического преобразователя плотности состоит из трех модулей (смотреть на схеме электрической принципиальной УИТС.411711.023 Э3):

• модуль микропроцессора (А1);

• модуль аналого-цифрового преобразования и индикации (А2);

• модуль соединителей (А3).

Каждый рассмотренный модуль содержит функционально-законченные узлы.

Модуль микропроцессора содержит в себе: узел выработки тактовых частот, узел начальной установки микропроцессора, узел реализации ожидания микропроцессора, узел управления периферийными устройствами, узел микропроцессора, узел постоянной и оперативной памяти.

Модуль аналого-цифрового преобразования и индикации содержит в себе: узел аналогового усиления, узел аналого-цифрового преобразования, узел буферных усилителей, узел константы, узел управления индикацией и узел индикации.

Модуль соединителей обеспечивает жесткую фиксацию в него модуля микропроцессора и модуля аналого-цифрового преобразования и индикации, предназначен для электрического соединения данных модулей между собой, а также к нему подключается розетка для соединения микропроцессорного блока с внешней аппаратурой.

6.2 Объемно-компоновочный расчет

Для выбора компоновки микропроцессорного блока обработки информации с электрогидродинамического преобразователя плотности рассмотрим два возможных варианта. Варианты отличаются расположением печатных плат, органов коммутации и индикации (рисунок 4, а и б).

Рациональная форма блока определяется по трем параметрам [ , страница 4]:

1) приведенная площадь наружной поверхности;

2) коэффициент приведенных площадей;

3) коэффициент заполнения объема.

6.2.1 Определение габаритных размеров блоков двух вариантов компоновки. Для сравнения по данным трем параметрам необходимо знать габаритные размеры (длина, высота и ширина) блоков рассматриваемых двух вариантов компоновки. Для их определения вычислим габаритные размеры и объем занимаемой аппаратуры (печатная плата А1, печатная плата А2, плата соединителей А3, розетка соединительная со внешней аппаратурой)

Для определения объема печатной платы А1 найдем ее размеры. На основе таблиц 1 и 7 пункта 3 определяем общую площадь, занимаемую ЭРЭ на печатной плате

где i – количество ЭРЭ, устанавливаемых на ПП А1.

С учетом рекомендуемого значения коэффициента заполнения площади ПП для бытовой РЭА, равного 0,6, получим значение площади А1

Рассмотрено несколько возможных вариантов соотношения сторон ПП А1 (90120, 100110, 100120,) и был выбран следующий: 90120 мм по ГОСТ10317-79.

Для определения объема печатной платы А2 найдем ее размеры. На основе таблиц 1 и 9 пункта 3 определяем общую площадь, занимаемую ЭРЭ на печатной плате

где i – количество ЭРЭ, устанавливаемых на ПП А2.

С учетом рекомендуемого значения коэффициента заполнения площади ПП для бытовой РЭА, равного 0,6, получим значение площади А2

Рассмотрено несколько возможных вариантов соотношения сторон ПП А2 (90120, 100110, 100120,) и был выбран следующий: 100120 мм по ГОСТ10317-79.

Для определения объемов печатных плат необходимо знать ее высоту, которая определяется с учетом превышения над плоскостью платы самого высокого ЭРЭ. Для ПП А1 она равна 13 мм, а для ПП А2 – 12 мм. Тогда

• объем печатной платы А1

V_пп1 = 90·120·13 = 1,404·10⁵ мм³

- объем печатной платы А2

V_пп2 = 100·120·12 = 1,44·10⁵ мм³

Определим объем соединительной платы А3, на которой установлены разъемы, для установки в нее печатных плат А1 и А2. Соединительная плата А3 обеспечивает электрическое соединения ПП А1, ПП А2 и розетки для подключения к внешней аппаратуре. Ее площадь принимаем равной 40100 мм (с учетом стороны ПП А2, на которой установлен разъем для присоединения и зазоров между ПП А1 и А2). Тогда объем А3 равен

V_пп3 = 35·100·10 = 0,35·10⁵ мм³

Определим объем разъема, предназначенного для соединения с внешней аппаратурой (Таблица 1)

V_р = 10·10·50 = 0,05·10⁵ мм³.

По полученным габаритным размерам внутренней аппаратуры в зависимости от ее размещения определяем габаритные размеры рассматриваемых двух вариантов корпусов, которые представлены на рисунках 4, а и 3, б. В первом варианте ПП А1 и А2 расположены вертикально и ширина блока зависит от ширины органа индикации (по таблице 9 равна 80...90 мм), которое вынесено вместе с органами управления на переднюю панель; во втором горизонтально и ширина органа индикации не больше ширины печатной платы, в данном случае орган индикации вместе с органами управления вынесены на верхнюю панель. Тогда с учетом зазоров между ПП, между ПП и стенками корпуса, расстояниями между соединительной платой и розеткой, предназначенной для соединения с внешней аппаратурой, получим габаритные размеры корпусов обоих вариантов компоновки.

Размеры блока для первого варианта: длина A₁=150 мм, ширина B₁=100 мм и высота H₁=110 мм.

Размеры блока для второго варианта: длина A₂=150 мм, ширина B₂=110 мм и высота H₂=45 мм.

6.2.2 Сравнение выбранных двух вариантов компоновки блоков. Определяем полный объем первого (рисунок 4, а) и второго (рисунок 4, б) вариантов

V₁ = A₁·B₁·H₁=150·100·110 = 1,65·10⁶ мм³;

V₂ = A₂·B₂·H₂=150·110·45 = 7,43·10⁵ мм³

Площади поверхностей вариантов компоновки блока

S₁ = 2·(A₁·B₁+B₁·H₁+A₁·H₁)= 2·(150·100+100·110+150·110)=8,5·10⁴ мм²;

S₂ = 2·(A₂·B₂+B₂·H₂+A₂·H₂)= 2·(150·110+110·45+150·45)=5,64·10⁴ мм²

1. Приведенная площадь наружной поверхности [ , страница 4]

2. Коэффициент приведенных площадей [ , страница 4]

где S_пр.ш - приведенная площадь шара

где d - диаметр шара, мм.

Для блока, выполненного в форме шара, диаметр равен максимальной стороне блока, выполненного в форме прямоугольного параллелепипеда, т.е. для первого и второго вариантов d=160 мм. Тогда

Таким образом, коэффициент приведенных площадей, равен

то первый вариант блока более оптимальный по площади наружной поверхности.

3) Коэффициент заполнения объема.

Для определения коэффициентов заполнения объема определим объем занимаемой аппаратурой

V_а=V_пп1+ V_пп2 + V_пп3 + V_р =(1,404+1,44+0,35+0,05)·10⁵=3,244·10⁵ мм³

Коэффициент заполнения объема для первого и второго вариантов компоновки блока, %

;

Коэффициент заполнения объема для второго варианта компоновки блока больше, чем для первого варианта. Следовательно, во втором случае объем используется более эффективно.

Вывод. По результатам расчета основных компоновочных характеристик блоков, был выбран второй вариант компоновки (рисунок 4, б), так как его объем используется наиболее эффективно.

6.3 Описание конструкции устройства

6.3.1 Описание конструкции блока. Микропроцессорный блок выполнен в виде модуля второго конструктивного уровня – блока, оригинальной конструкции. Корпус блока выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда. Окончательные габаритные размеры 15011040. Корпус состоит из основания и верхней крышки.

Основание включает в себя дно, боковые и заднюю стенки. На боковых стенках установлены направляющие, для перемещения в них ячеек. Направляющие крепятся к боковым стенкам с помощью заклепок. Около задней стенки расположена соединительная плата с разъемами, предназначенная для присоединения к ней ячеек, которая привинчивается к уголкам, прикрепленным к боковым стенкам с помощью заклепок. На задней стенке установлен разъем для соединения устройства с внешней аппаратурой, соединение которого с задней стенкой осуществляется свинчиванием. По результатам расчетов приведенных в пункте 8.2 на боковых стенках основания предусмотрены отверстия прямоугольной формы, предназначенные для естественной вентиляции.

Верхняя крышка имеет Г-образную форму. На лицевой панели предусмотрены прямоугольное отверстие под органы индикации и отверстие для кнопки сброса работы микропроцессора. Присоединение верхней крышки к основанию осуществляется свинчиванием. Ввинчивание осуществляется винтами во втулки, запрессованные в основание.

В блок установлены две ячейки, которые вставляются по направляющим, присоединяясь к плате соединителей. Выпадению ячеек из платы соединителей препятствует передняя стенка корпуса. Несущим основанием ячеек и платы соединителей является печатная плата. Основание печатной платы выполнено из стеклотекстолита фольгированного СФ-2Н-50Г-1,5 ГОСТ 10316-78.

6.3.2 Выбор типа электрического монтажа. В проектируемом устройстве применяются два типа монтажа - печатный и объемный. Печатный монтаж применяется для соединения между собой радиоэлементов, входящих в модули: микропроцессорный модуль и модуль аналого-цифрового преобразования и индикации, и модуль соединителей. Объемный монтаж необходим для соединения модуля соединителей с разъемом.

6.3.3 Выбор способов защиты устройства от внешних воздействий. Из требований по условиям эксплуатации, записанным в техническом задании следует, что нет необходимости в применении специальных способов защиты устройства от климатических факторов, вибрации и помехонесущих полей, т.к. корпус устройства выполнен из стали, который является одновременно экраном, что уменьшает действие электрических полей и осуществляющий частичную герметизацию.

Для защиты от электрических помех предусмотрен провод заземления, подключенный к корпусу устройства и к общему проводу питания.

Расчет электромагнитной совместимости приведен в пункте 8.3.

Устойчивость устройства на плоскости обеспечивают резиновые ножки, приклеенные к основанию.

6.3.4 Выбор конструктивных элементов электрического монтажа. В конструкции устройства применяется печатный и объемный монтаж. Электрические соединения осуществляются пайкой. Для пайки элементов применяют припой ПОС61 ГОСТ 21931-76, флюс ФКСп ОСТ 4.ГО.033.200.

Двусторонняя печатная плата изготавливается комбинированным позитивным методом. Материал для изготовления печатной платы - стеклотекстолит фольгированный СФ-2Н-50Г-1,5 ГОСТ 10316-78.

Для объемного монтажа применяют провод МГШД-0,9 ГОСТ 22487-77 с сечением жилы 0,12 мм² с изоляцией в оплетке из капроновой нити.

Жгуты внутриблочного монтажа увязаны х/б нитками.

6.3.5 Выбор защитных и защитно-декоративных покрытий. Данные по применяемым покрытиям внесены в таблицу 10.

Таблица 10 – Применяемые покрытия

Детали, сборочные единицы	Материал детали, сборочной единицы	Покрытие химическое	Покрытие лакокра-сочное
Основание	Сталь Д16Т	Ан.окс.	-
Детали, сборочные единицы	Материал детали, сборочной единицы	Покрытие химическое	Покрытие лакокра-сочное
Верхняя крышка	Сталь Д16Т	Ан.окс.	Эм ПФ-115 Серый
Печатная плата А1	Стеклотекстолит СФ-2Н-50Г-1,5	-	Лак УР-231 бесцветный
Печатная плата А2	Стеклотекстолит СФ-2Н-50Г-1,5	-	Лак УР-231 бесцветный

6.3.6 Выбор способов маркировки деталей и сборочных единиц. На печатной плате маркировка элементов электрической схемы (резисторов, транзисторов, ИС и т.д.) осуществляется травлением.

На лицевую панель надписи наносятся краской ТНПФ-0,1, белого цвета.

Выводы. Таким образом была разработана конструкция микропроцессорного блока обработки информации. Были проведены расчет электромагнитной совместимости, расчет тепловых режимов, расчет основных компоновочных параметров проектируемого устройства с соблюдением всех требований пунктов технического задания. Также была разработана конструкторская документация на проектируемое устройство.

7 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

7.1 Расчет геометрических параметров элементов конструкции

Для соединения радиоэлементов электрической схемы проектируемого устройства между собой, в качестве базовой несущей конструкции выбираем двухстороннюю печатную. Учитывая, что при проектировании ПП используются интегральные схемы, а также высокий уровень насыщенности ПП навесными элементами по ГОСТ 23751-86 выбираем четвертый класс точности.

В соответствии с тем, что максимальный диаметр выводов навесных элементов, размещаемых на плате, равен 0,6 мм (резисторы и конденсаторы), то выбираем толщину платы [ , страница 8], равной 1,5 мм.

Для конструкции модуля используются двусторонние печатные платы, изготовленные комбинированным позитивным методом. Материал изготовления печатной платы - стеклотекстолит фольгированный СФ-2Н-50Г-1,5 ГОСТ 10316-78.

Для рациональной компоновки проведем расчет элементов конструкции печатной платы в соответствии с ГОСТ 23751-86.

Размер печатной платы в соответствии с ГОСТ 23751-86 равен 90120 мм. Метод изготовления двусторонней печатной платы - комбинированный позитивный, по четвертому классу точности.

Исходные данные:

1. расчетная толщина печатной платы H_Р, мм 1,5;

2. толщина фольги h, мм 0,05;

3. диаметры выводов радиоэлементов: D_выв1, мм 0,5,

D_выв2, мм 0,6;

4. максимальный постоянный ток I_max, А 0,5;

5. напряжение питания U, В 5

6. допустимая плотность токаJ_доп, А/мм² 38;

7. наибольшая длина проводника L, м 0,12;

При проведении расчета будут использованы коэффициенты, допуски, параметры, которые соответствуют четвертому классу точности изготовления двусторонних печатных плат по ГОСТ 23751-86.

7.1.1 Расчет по постоянному току. Допустимое падение напряжения на проводниках не должно превышать 5% от питающего напряжения

U_доп=U0,05=50,05=0,25 В

Определяем минимальную ширину печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления

мм

Определяем минимальную ширину печатного проводника исходя из допустимого падения напряжения на нем

мм,

где  - удельное объемное сопротивление материала проводника, Оммм²/м. Для меди =0,0175 Оммм²/м.

Для стабильной работы печатных проводников их ширина должна быть больше b_min1 и b_min2. Выбираем ширину проводников питания и заземления равную b=1,5 мм.

7.1.2 Расчет по переменному току. Расчет индуктивности и емкости печатных проводников был проведен в пункте 7.3.

7.1.3 Конструктивно-технологический расчет. В печатных платах применяются монтажные металлизированные отверстия для установки ЭРЭ и переходные металлизированные отверстия для создания электрических связей между слоями. Диаметр монтажного отверстия должен быть больше диаметра выводов навесных элементов на величину, удовлетворяющую условиям пайки и автоматической сборки ячеек.

Определяем максимальный диаметр просверленных отверстий выводов ЭРЭ

D_o.max1= D_выв1+d+0,1=0,5+0,1+0,1=0,7;

D_o.max2= D_выв2+d+0,1=0,6+0,1+0,1=0,8,

где d - допуск на диаметр отверстия.

Определяем минимальный диаметр металлизированного переходного отверстия.

Для максимального уплотнения монтажа диаметр переходных отверстий выбирается наименьшим. Однако, в связи ограниченной рассеивающей способностью электролитов при гальванической металлизации необходимо выдерживать предельное соотношение между минимальным диаметром металлизированного отверстия и толщиной платы

D_MH_Рv=1,50,33=0,495 мм,

где H_Р - расчетная толщина печатной платы;

v - коэффициент, зависящий от состава электролита.

Так как число отверстий с различным диаметром должно быть минимальным, то принимаем диаметр переходного отверстия равным

D_M=D_o.max1=0,7 мм

Определяем диаметры контактных площадок. Минимальный эффективный диаметр контактных площадок

где b_M - расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки (гарантийный поясок), мм;

_d, _P - допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм.

Минимальный диаметр контактных площадок, при покрытии олово-свинец

D_п.min1= D_min1+1,5h_r=1,15+1,50,05=1,225 мм;

D_п.min2= D_min2+1,5h_r=1,25+1,50,05=1,325 мм,

где h_r - толщина металлорезиста, мм;

Максимальный диаметр контактных площадок отверстий

D_max1= D_п.min1+0,05=1,225+0,05=1,275 мм;

D_max2= D_п.min2+0,05=1,325+0,05=1,375 мм

Округляем максимальный диаметр контактных площадок до значений равных: D_max1=1,28 мм, D_max2=1,38 мм.

Определяем минимальную ширину сигнального проводника

t_min= t_min1+1,5h+t=0,15+1,50,05+0,03=0,255 мм,

где t - допуск на ширину проводника, мм;

t_min1 - минимальная эффективная ширина проводника, мм.

При формировании проводников на фольгированном диэлектрике их минимально допустимая в производстве ширина определяется, прежде всего, адгезионными свойствами материала основания и гальваностойкостью оксидированного слоя фольги, так как браком является даже частичное отслаивание проводника от основания диэлектрика. Поэтому минимальную эффективную ширину t_min1 выбирают в соответствии с классом точности печатных плат по ГОСТ 23751-86.

Максимальная ширина сигнального проводника

t_max= t_min+0,02=0,275 мм

Округляем максимальную ширину сигнального проводника до значения равного: t_max=0,3 мм.

Определяем минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка. Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой первого типа

Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой второго типа

где L_Э - расстояние между центрами рассматриваемых элементов, мм;

₁ - допуск на расположение проводников, мм.

При комбинированном позитивном способе изготовления печатной платы зазор между проводником и контактной площадкой должен быть не менее 0,15 мм.

Минимальное расстояние между двумя сигнальными проводниками:

S_min1= L_Э -(t_max+2₁)=1,25-(0,3+20,03)=0,89 мм;

Минимальное расстояние между проводником питания и сигнальным проводником

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками второго типа (если данная рассчитываемая величина войдет в допустимый предел, то нет смысла определять расстояние между контактными площадками первого типа, или контактными площадками первого и второго типов, так как контактные площадки второго типа наибольшие по диаметру)

S_min1= L_Э -(D_max2+2_P)=2,5-(1,4+20,15)=0,8 мм

7.1.4 Вывод. Таким образом, из результатов расчета получаем, что расстояния между элементами проводящего рисунка не меньше минимально допустимых и параметры печатного монтажа отвечают требованиям, предъявляемым к печатным платам четвертого класса точности изготовления.

7.2 Расчет теплового режима

Модуль электронной аппаратуры второго уровня и выше, например блок, представляет собой сложную систему тел с множеством внутренних источников теплоты. Поэтому при расчете тепловых режимов модулей используют приблизительные методы анализа и расчета.

Целью расчета является определение нагретой зоны модуля и среды вблизи поверхности ЭРЭ.

Конструкцию РЭА заменяем ее физической тепловой моделью, в которой нагретая зона представляется в виде параллелепипеда, имеющего среднеповерхностную температуру t_o и рассеиваемую тепловую мощность Р_о. В зависимости от ориентации модулей 1-го уровня различают три группы конструкций по характеру теплообмена в них. На рисунке приведены зависимость между перепадом температур t_k и выделяемой тепловой мощностью для блоков различных конструкций.

Определим условную поверхность нагретой зоны S_з, м² для воздушного охлаждения [ , страница 145]

S_з=2(AB+(A+B)HК_з.о),

где A, B, H - геометрические размеры блока, м

A=0,150; B=0,110; H=0,045

К_з.о - коэффициент заполнения объема (К_з.о =0,44).

Тогда, получим

S_з = 2(0,1500,110+(0,150+0,110)0,0450,44) = 0,0433 м²

Определим удельную мощность нагретой зоны q₃, Вт/м², как количество теплоты, рассеиваемое с единицы площади, Вт/м²

где Q - мощность, рассеиваемая блоком, Вт, вычисляемая по формуле, Вт

Q = I_maxU,

где I_max - максимальный потребляемый ток для цепи питания с напряжением. С учетом таблицы 11 для напряжения питания +5 В принимаем I_max=900 А.

Таблица 11 - Анализ энергопотребления микросхем

Микросхема	Максимальный потребляемый ток, мА	Количество микросхем	Общий потребляемый ток, мА	Максимальный ток для сигнальных цепей, мА
Z80	300	1	250	5,6
КС573РФ4А	80	1	120	4,8
КР537РУ10А	120	1	95	4,6
К561ИЕ16	10	1	20	1,2
Серия КР1533	по 10	5	по 15	1,5
Итого с учетом остальной части схемы для напряжения питания +5 В			900	6

Тогда, получим

Q=900510^-3=4,5 Вт;

Температура зоны не должна достигать максимального значения рабочей температуры элементов. Если устройство работает в не перегруженном режиме, тогда температура зоны должна быть меньше или равна Т_з=60 ⁰С. Максимальная температура окружающей среды, при которой устройство должно функционировать равна Т_с=40 ⁰С. Тогда перепад температур t_k будет определяться по формуле

t_k =Т_з-Т_с = 60-40 = 20 ⁰С

Способ вентиляции разрабатываемого устройства, можно определить по графику тепловой нагрузки блоков различной конструкции (рисунок 5). Учитывая, что в проектируемом блоке модули расположены горизонтально, получим, что прибор относится к зоне 2, следовательно, устройство нуждается в естественной вентиляции.

По результатам расчета делаем вывод, что разрабатываемая конструкция блока обеспечивает нормальный тепловой режим работы при естественной конвекции воздуха, т.е. отпадает необходимость использования специальных методов охлаждения. Для обеспечения нормального теплового режима на крышке корпуса микропроцессорного блока обработки информации необходимо расположить отверстия прямоугольной формы.