Модуль сопряжения цифрового мультиметра с компьютером

1. КОНСТРУКТОРСКИЙ АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

1.1 Анализ технического задания

Разрабатываемое устройство представляет собой модуль сопряжения цифрового мультиметра с компьютером. Подключение малогабаритного мультиметра к персональному компьютеру позволяет проводить статистическую обработку результатов серии измерений. Например, возможно исследовать разброс параметров группы компонентов или изменения напряжения и емкости аккумуляторов в процессе разрядки.

Согласно техническому заданию, по климатическому исполнению устройство относится к категории исполнения УХЛ 4.2 по ГОСТ 15150-69. Данное устройство должно эксплуатироваться в отапливаемых помещениях. Категории исполнения УХЛ 4.2 соответствуют характеристикам приведенным в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Нормы климатических воздействий для УХЛ 4.2

Воздействия температуры, 0С	Воздействие относительной влажности, %
Рабочие	Предельные	Рабочие
Верхнее	Нижнее	Среднее	Верхнее	Нижнее	Верхнее
+35	+10	+20	+40	+1	98	при 250С

Механические воздействия при эксплуатации прибора согласно ГОСТ 16019 -78 соответствуют группе 1 - РЭА стационарная, работающая в отапливаемых наземных и подземных сооружениях. В соответствии со стандартом устройство должно выдерживать нормативные воздействия, приведенные в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Нормы воздействия для РЭА группы 1

Прочность при транспортировании (в упакованном виде): ускорение, g длительность ударного импульса, мс число ударов, не менее	15 11 1000
Теплоустойчивость: рабочая температура, 0С предельная температура, 0С	40 55
Пониженное атмосферное давление: атмосферное давление, кПа	70
Холодоустойчивость: рабочая температура, 0С предельная температура, 0С	- - 40
Влагоустойчивость: влажность, % температура, 0С	93 25

Габаритные размеры модуля не более 70х70х25 мм. Масса не более 100 г.

Наработка на отказ не менее 20000 часов. Ремонтопригодность устройства обеспечивается на уровне замены элементов.

Программа выпуска 1500 шт. в год, что соответствует мелкосерийному производству (установочная серия). Базовый коэффициент технологичности не менее 0,52. Базовый коэффициент уровня автоматизации 0,6. Технологичность изделия обеспечивается за счет механизации и автоматизации технологического процесса сборки.

Согласно техническому заданию все требования по эргономике и технической эстетике по ДСТУ 2429-94, все элементы, включая органы сопряжения с внешними устройствами, разместить на одной печатной плате.

1.2 Анализ схемы электрической принципиальной

Предлагаемое устройство можно условно разделить на два блока: блок преобразования данных с АЦП (ЖКИ мультиметра) и блок передачи данных в компьютер. Блок преобразования необходим для определения состояния слаботочных выводов управления индикатором. Для этой цели применены КМОП сдвиговые регистры с параллельной загрузкой DD1-DD3 серии КР1564ИР9. Принцип работы этого блока заключается в следующем: при низком уровне на выводе 1 регистров DD1-DD3 производится асинхронная загрузка. После подачи на этот вывод (по линии RD) высокого уровня происходит фиксация данных, которые сдвигаются по фронту тактовых импульсов на вывод 2. Данные снимаются с вывода 9 регистра DD3 на шину DATA. Так как семисегментный код является избыточным (биты с и d - лишние), в этих разрядах можно дополнительно передать информацию о запятых. Эта информация снимается с выводов 12 и 16 ЖКИ мультиметра.

Блок передачи данных представляет собой микроконтроллерный блок, имеющий гальваническую развязку и осуществляющий передачу данных по последовательному каналу RS232. Принцип работы этого блока: информационные данные выдаются двухбайтными пакетами по запросу. Запрос через оптопару U3 формируется на выводе 6 DD4 перепадом сигнала из высокого в низкий уровень, что соответствует передаче компьютером нулевого байта. После получения запроса происходит загрузка данных из регистров DD1-DD3 и их преобразование. Далее происходит передача первого байта и выдерживается пауза, после этого передается второй байт, и блок передачи данных выключается до следующего запроса. В качестве микроконтроллера применяется PIC16F84 - это 8-pазpядный микроконтроллер с RISC архитектурой, производимый фирмой Microchip Technology. Этот микроконтроллер отличается низкой ценой, низким энергопотреблением и высокой скоростью. Для работы микроконтроллера необходим тактовый генератор (резонатор), в качестве которого применен резонатор НО-21С на 4МГц. Выходной узел блока передачи выполнен на оптронах U1 и U2 по симметричной схеме. Все оптроны в схеме 4N33. Резисторы R5,R6 служат для защиты COM порта при неправильном монтаже или других неисправностях. Оптронная цепь запроса (U3) выполнена по несимметричной схеме. Диод VD1 служит для защиты светодиода оптрона от обратного напряжения на входе. В качестве диода применен КД522А. Для стабилизации питания микроконтроллера применяется стабилизатор напряжения DA1 - КР1168ЕН5. Конденсаторы в схеме используются керамические постоянной емкости - К10-17-1. Резисторы С1-4. Разъем для связи с компьютером - DRB-9MA - вилка (стандартный 9-и контактный разъем COM порта).

Все детали, включая разъем XP1, размещены на одной печатной плате.

1.3 Анализ элементной базы

Анализ элементной базы производится сопоставлением эксплуатационных характеристик элементов, с теми данными, которые характеризуют условия работы разрабатываемого изделия по ТЗ. Для выполнения анализа составляют таблицу эксплуатационных характеристик электрорадиоэлементов (таблица 1.3).

Таблица 1.3 - Эксплуатационные характеристики электрорадиоэлементов

Тип элемента	Кол-во, шт.	Температу ра, Т 0С	Влаж-ность, %	Вибрации	Удары	Линейные ускорения	Интенсив- ность отказов, 10-6 1/ч
				Частота Гц	g	Длитель- ность, мс	gy	Времяс	g
К10-17-1	2	-60 - +156	98	1-80	5	1-5	15	1-5	50	0,25
С1-4	7	-60 - +85	98	1-1200	10	15	15	20	35	0,2
КД522А	1	-55 - +85	92	10-2000	5	20	30	20	1470	0,1
КР1564ИР9	3	-10 - +70	90	5-600	4	15	20	15	1200	0,45
КР1168ЕН5	1	-10 - +70	90	5-600	4	15	25	20	1470	0,45
4N33	3	-55 - +100	93							0,13
HO-21C	1	0 - +70	90							0,6
PIC16F84	1	0 - +70	90							0.5
DRB-9MA	1	-60 - +85	93							0.01

Рассчитываем среднюю наработку на отказ (Т_с):

Т_с=1/??_i·n_i·К_нi, (1.1)

где:_i - интенсивность отказов (1/ч.);

n_i - количество элементов данного типа;

K_ni=1 - коэффициент нагрузок для заданных условий эксплуатации.

T_c=1/(0.25·2+0.2·7+0.1·1+0.45·3+0.45·1+0.13·3+0.6·1+0.5·1+0.01·1)·10^-6=188679,2 ч.

По данным таблицы 1.1 можно сделать вывод, что элементы схемы соответствуют климатическим воздействиям, указанным в ТЗ - УХЛ 4. 2 ГОСТ15150-69 и механическим воздействиям - группа 1 ГОСТ16019-78. Подсчитали среднюю наработку на отказ, которая составляет 188679,2 часов, что больше чем в ТЗ. Можем считать, что элементная база выбрана, верно, и соответствует условиям ТЗ.

1.4 Анализ конструкторских аналогов

Для анализа конструкторских аналогов рассмотрим конструкцию устройства сопряжения цифрового мультиметра с компьютером по средствам интерфейса LPT. Конструктивно устройство состоит из двух блоков: блока преобразования данных с АЦП (ЖКИ мультиметра) и блока передачи данных в компьютер. Блок преобразования данных собирается на одной печатной плате и размещается непосредственно в самом мультиметре. Блок передачи данных полностью размещается в подходящем корпусе разъема CENC-36F. Между собой блоки соединяются при помощи плоского ленточного кабеля, имеющего соответствующие ответные разъемы - IDC-10F. Питание устройство происходит от внешнего блока питания 9...15В. Достоинствами данной конструкции являются её компактность и простота изготовления. Но схемно данное устройство сделано неудачно: отсутствует гальваническая развязка. Из-за этого при попадании в порт LPT, например, напряжения 30В при пробое в микросхеме АЦП может вывести из строя материнскую плату. Кроме того использования внешнего блока питания несет в себе дополнительные неудобства.

Из рассматриваемого устройства в разрабатываемый модуль было перенесено устройство блока преобразования данных. Однако в разрабатываемом модуле блок преобразования данных и блок передачи располагаются на одной печатной плате. Это позволит избежать дополнительных соединительных кабелей, кроме того нет необходимости вносить изменения в корпус мультиметра для размещения в нем дополнительной платы. Блок передачи данных доработан: изменен интерфейс передачи данных с LPT на COM, предусмотрена гальваническая развязка для защиты порта, а также питание схемы осуществляется через COM порт.

1.5 Дополнительные требования к конструкции

На основании выполненных анализов технического задания, схемы электрической принципиальной, элементной базы и конструкторских аналогов выдвигаются следующие дополнительные требования к конструкции:

1 Все элементы разместить непосредственно на печатной плате;

2 Обеспечить высокую ремонтопригодность;

3 Предусмотреть меры по механизации и автоматизации производства.

2. РАЗРАБОТКА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ

2.1 Разработка пространственной конструкции модуля сопряжения цифрового мультиметра с компьютером

Для разработки пространственной конструкции необходимо знать состав, габаритные размеры и массу всех элементов. Определение габаритных размеров и массы элементов рекомендуется выполнять методом аналитической компоновки. для этого составляется таблица 2.1 - Установочные характеристики конструкционных узлов.

Таблица 2.1 - Установочные характеристики конструкционных узлов

Тип элемента	Число элементов данного типа	Установочная S 1 го элемента, мм2	Установочная S всех элементов, мм2	Масса 1 го элемента, г	Масса всех элементов, г
Модуль сопряжения цифрового мультиметра НО-21С-4МГц К10-17-1 0,1мкФ КР1564ИР9 PIC16F84 КР1168ЕН5 КД522А 4N33 C1-4-0,125 DRB-9MA	1 2 3 1 1 1 3 7 1	166,41 36 161,25 225,72 50 8,2 74,25 28,82 308	166,41 72 483,75 225,72 50 8,2 222,75 201,74 308	3,1 0,62 4 6 2 0,15 2 0,18 20	3,1 1,24 12 6 2 0,15 6 1,26 20

Площадь печатной платы определяем по формуле (2.1):

, (2.1)

где: S_i - установочная площадь i-го элемента, мм²;

К_s - коэффициент заполнения площади подложки;

N - число компоновочных элементов.

Выбираем К_s= 0,65 потому, что применяются элементы третьего поколения и возможно применения автоматизации и механизации производства.

Подсчитываем площадь каждого элемента (S_i) и заносим в таблицу 2.1.

По формуле (2.1) находим площадь печатной платы:

S_П=(166,41+72+483,75+225,72+50+8,2+222,75+201,74+308)/0,65 = 2675 (мм²)

Исходя из рекомендаций ГОСТ10317-79, определённой площади подложки S_n и условий компоновки, определяем размеры сторон подложки:

А = 45 (мм)

В = 70 (мм)

толщина = 1,5(мм)

соответственно S = А · В = 45 · 70 = 3150 (мм²)> S_n=2675(мм²)

Проанализировав значения S_n и S видим, что S >S_n , следовательно, рекомендации ГОСТ10317-79 учтены.

Определяем массу модуля по формуле (2.2):

М_Э=m_iэn_iэ+m_пр+m_пп , (2.2)

где:m_iэ - масса одного элемента;

n_iэ - количество элементов;

m_пр - масса припоя;

m_пп - масса печатной платы.

Массу печатной платы вычисляем по формуле (2.3):

М_пп=?·V,(2.3)

где:? - удельная плотность материала;

V - объем материала.

Для стеклотекстолита ?=1,6·10³кг/м³, а V=45·10^-3·70·10^-3·1,5·10^-3=4,725·10^-6м³. Следовательно, масса печатной платы составляет 7,56г.

Получаем:

М_Э=(3,1+0,62·2+4·3+6+2+0,15+2·3+0,18·7+20)+10+7,56=69,31(г)

3 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ МОДУЛЯ С ПЕЧАТНЫМ МОНТАЖЕМ

3.1 Выбор печатного основания

Плата изготавливается из фольгированного стеклотекстолита марки СФ-2-35Г-1,5 ГОСТ 10316-78. Характеристики данного материала следующие:- удельное поверхностное сопротивление ? = 1·10⁹ Ом4

- прочность отделения полоски 3мм фольги от диэлектрического основания ? = 4,01 Н;

- диапазон рабочих температур t = -60 - 120 С⁰;

- коэффициент теплопроводности 0,25 Вт/м·К;

- температурный коэффициент линейного расширения 22·10^-6 1/К.

Для изготовления печатной платы используется комбинированный метод негативный вариант. Сущность этого метода заключается в избирательном травлении незащищенных участков фольги, металлизация отверстий химико-гальваническим способом. Достоинством этого метода является доступность механизации и автоматизации производства и высокое качество получаемой печатной платы. Изготавливаемая печатная плата относится ко второму классу плотности рисунка печатной платы и характеризуется следующими параметрами:

- ширина проводника - 0,25мм;

- расстояние между проводниками - 0,25мм;

- предельный размер печатной платы a или b - 240мм.

Ввиду средней плотности рисунка печатная плата изготовляется по 3 классу точности и характеризуется следующими параметрами рисунка печатной платы:

- минимальная ширина проводника 0,25мм;

- минимальное расстояние между проводниками 0,25мм;

- допуск на отверстия с металлизацией +0,05;- 0,1мм;

- допуск на ширину проводника без покрытия -0,05мм.

Диаметр отверстий в печатной плате, согласно размерам выводов устанавливаемых элементов и стандартному ряду отверстий по ГОСТ 10317-79, равен 1мм. Вследствие средней плотности рисунка печатной платы и изготовления ее по 3 классу точности, шаг координатной сетки выбираем равным 1,25мм. Плата должна соответствовать ГОСТ 23752-85. Габариты платы составляют 70х45х1,5мм. Масса платы без элементов составляет 7,56г.

3.2 Разработка модуля сопряжения цифрового мультиметра с компьютером

Модуль собирается на печатной плате ГЮИК.758710.001, чертеж которой представлен в приложении. Элементы размещаются с применением САПР таким образом, чтобы обеспечить минимальную длину дорожек, проводящих информационный сигнал, а также минимальную паразитную ёмкость между проводниками. Установка и крепление электрорадиоэлементов на плате выполняется по ОСТ4ГО.010.030-81. Резисторы, конденсаторы, диоды устанавливаются по варианту IIа; оптроны, микросхемы, генератор по варианту VIIIа. Варианты установки приведены в ОСТ4ГО.010.030-81. Зазор между платой и элементами 0,5мм. Электромонтаж выполнять согласно схеме электрической принципиальной ГЮИК.468340.001Э3, представленной в приложении. Маркировку платы выполнять со стороны установки элементов трафаретным способом краской ТНПФ-53 ТУ29-02-359-70. Ширина типографских линий 0,5мм, шрифт ПО-2 ГОСТ2930-62. Остальные технические требования выполнить по ОСТ4ГО.070.015. По результатам разработки модуль имеет габариты 70х45х15мм. Масса модуля с установленными электрорадиоэлементами составляет 69,31г. Сборочный чертеж модуля ГЮИК.468340.001СБ представлен в приложении.

4 АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЯТЫХ КОНСТРУКТОРСКИХ РЕШЕНИЙ

4.1 Расчет частоты собственных колебаний модуля сопряжения цифрового мультиметра с компьютером

Частота собственных колебаний модуля определяется её геометрическими размерами, массой, которая считается равномерно распределённой по всей площади платы, а также упругими свойствами материала пластины, характеризующимися модулем упругости первого рода и коэффициентом Пуассона.

Для расчета частоты собственных колебаний платы, закреплённой в четырёх точках по её углам, применяют приближенную формулу (4.1):

, (4.1)

где:a - длина платы, м;

b - ширина платы, м;

n, m - произвольные целые числа, которые определяют высшие виды колебаний при n>1 и m>1; при n=1 и m=1 имеет место основной вид колебаний;

D - цилиндрическая жесткость платы;

? - толщина платы, м;

? - плотность материала платы, кг/м³.

Цилиндрическая жесткость платы рассчитывается по формуле (4.2):

, (4.2)

где:E - модуль упругости первого рода материала платы, Н/м²;

? - коэффициент Пуассона.

По формуле (4.2) получаем:

Подставим значение цилиндрической жесткости платы в формулу (4.1):

Определим коэффициент динамичности по формуле (4.3):

, (4.3)

где:f - частота внешней вибрационной нагрузки, Гц.

Коэффициент динамичности равен:

Данный коэффициент показывает, во сколько раз увеличивается деформация (прогиб) платы при действии синусоидальной вибрационной нагрузки с частотой f, по сравнению с деформацией, обусловленной статическими нагрузками.

Полученное значение частоты собственных колебаний платы на два порядка превышает значения частот при испытании на резонанс для группы 1 (10-55 Гц), коэффициент динамичности равен 1,19, следовательно, плата не будет входить в резонанс и конструкторские решения приняты верно.

4.2 Оценка прочности и жесткости элементов конструкции при действии статических нагрузок

Статические нагрузки обусловлены непосредственным действием сил тяжести и реакцией опор.

Величину удельной статической нагрузки определяем по формуле (4.4):

, (4.4)

где:m_iэ, m_пл - соответственно массы всех элементов и узлов, размещенных на плате и масса подложки, кг;

S - площадь поверхности шасси, м².

По формуле (4.4) получаем:

Изгибающий момент вокруг оси OY - M_x, приходящийся на единицу длины стороны b, можно вычислить по формуле (4.5), а изгибающий момент относительно оси ОХ - М_y, приходящийся на единицу длины стороны а, вычислим по формуле (4.6):

, (4.5)

, (4.6)

где:k₁,k₂ - коэффициенты, зависящие от соотношения сторон.

Подставляя значения в формулы (4.5) и (4.6) получаем:

;.

По максимальным значениям M_x и М_y определяем максимальное нормальное напряжение в сечении, перпендикулярном оси ОХ в начале координат по формуле (4.7) и максимальное нормальное напряжение в сечении, перпендикулярном оси OY в начале координат по формуле (4.8):

(4.7)

(4.8)

Подставляя в формулы (4.7) и (4.8) значения получаем:

, .

Максимальную деформацию - стрелу прогиба пластины - рассчитываем по формуле (4.9):

, (4.9)

где:k₃ - коэффициент, зависящий от отношения сторон пластины и способа закрепления сторон ее контура;

Е - модуль упругости первого рода материала пластины.

Подставляя значения в формулу (4.9) получаем:



Рассчитанные фактические значения напряжений и деформаций необходимо сравнить с допустимыми. Допустимые напряжения для хрупких материалов вычисляются по формуле (4.10), а допустимую величину деформации по формуле (4.11):

, (4.10)

где:?_B - временное сопротивление материала пластины;

k_пр - коэффициент запаса прочности, принимаем равным 5.

(4.11)

Подставляя значения в формулы (4.10) и (4.11) получаем:

Из полученных данных можно сделать вывод, что материал и толщина печатной платы выбраны верно, так как значение предельно допустимых напряжений на три порядка превосходит фактические, а величина допустимой деформации также на три порядка превосходит фактическую максимальную деформацию.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1 ГОСТ 3.1102-99 "Стадии разработки и виды документов".

2 ГОСТ 3.1109-02 "Термины и определения основных понятий".

3 Технология и автоматизация производства РЭА: Учебник для вузов/Под ред. А.П.Достанко.-М.:Радио и связь, 1999.

4 Технология производства ЭВМ - Достанко А.П. и др.:Учеб.-Мн.:Высшая школа, 2004.

5 Гибкая автоматизация производства РЭА с применением микропроцессоров и роботов. - Ю.В. Иванов, Н.А. Лакота; -М.:Радио и связь,1988.

6 Автоматизация проектирования и производства /под ред. Н.П. Меткина;-М.:Радио и связь,1986.

7 Промышленные роботы; Справочник/ Ю.Г. Козырев; - М.: "Машиностроение", 1983.