Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Введение

2. Общая часть

2.1 Назначение заданной принципиальной электрической схемы в системах программного управления (ЭСПУ)

3. Конструкторская часть

3.1 Алгоритм работы заданного узла устройства

3.2 Разработка структурной схемы заданного узла исходя из алгоритма

3.3 Разработка и описание функциональной электрической схемы заданного узла

3.4 Разработка и описание принципиальной электрической схемы узла

3.5 Обоснование выбора элементной базы для принципиальной электрической схемы узла

4. Расчетная часть

4.1 Расчет параметров и характеристик разработанной принципиальной электрической схемы узла

4.2 Расчет надежности разработанной принципиальной электрической схемы узла

5. Технологическая часть

5.1 Разработка технологического процесса изготовления разработанного узла

5.2 Описание мероприятий по охране труда при изготовлении разработанного узла

6. Вывод

7. Литература

8. Перечень графического материала

1. Введение

Курсовой проект по предмету «Электронные системы программного управления в АП» является завершающим этапом в изучении данного предмета.

Современный этап развития научно-технического процесса характеризуется применением микроэлектроники во всех сферах жизни и деятельности человека.

Важную роль при этом сыграло быстрое развитие и совершенствование ИМС-основной элементной базы современной электроники.

2. Общая часть

2.1 Назначение заданной принципиальной электрической схемы в системах программного управления (ЭСПУ)

Разрабатываемое мной устройство - АЦП с частотно-импульсным преобразованием - имеет большую область применения. Оно может использоваться в составе различных датчиков (например, в датчике скорости) и других устройств связи со станком. Но наибольшее применение оно нашло при построении цифровых вольтметров, частотомеров с разрешающей способностью 10 разрядов и менее.

Однако применение такого АЦП ограничено, т.к. преобразование напряжения в частоту является слишком медленным для использования в системах обработки данных из-за того, что оно осуществляется по последовательному принципу, т.е. разряд за разрядом.

Разработанное мною устройство может преобразовывать входное напряжение от 20 мВ до 10 В с частотой выходных импульсов от 20 Гц до 10 кГц.

3. Конструкторская часть

3.1. Алгоритм работы заданного узла устройства

НАЧАЛО

Формирователь Ти ПНЧ

Счетчик

Выходной регистр

Индикаторы

Рисунок 1. Алгоритм работы

3.2 Описание структурной схемы заданного узла

Структурная схема отображает принцип работы изделия в самом общем виде. На схеме изображены все основные функциональные части изделия, а также основные взаимосвязи между ними.

Рисунок 2. Структурная схема

3.3 Описание функциональной электрической схемы заданного узла

На функциональной схеме изображают функциональные части изделия и связи между ними. Графическое построение схемы должно наглядно отражать последовательность функциональных процессов, иллюстрируемых схемой.

1. ПНЧ - интегрирующий преобразователь, который преобразует входное напряжение в выходное импульсное соответствующей частоты. В качестве такого преобразователя использована микросхема КР1108ПП1 - специализированный преобразователь аналоговых сигналов.

2. Формирователь тактовых импульсов(Ти) - предназначен для отработки дискретных импульсов с частотой от 1 Гц до 20 Гц и амплитудой не более 5 В. Генератор построим на логических элементах 2И-НЕ (микросхема К155ЛАЗ).

3. Счетчик - узел, который непосредственно осуществляет подсчет импульсов, вырабатываемых ПНЧ, за фиксированный интервал времени. Микросхема, выполняющая данную функцию -двоичный четырехразрядный счетчик К155ИЕ5 ( делитель на 16 и 8).

4. Выходной регистр - предназначен для фиксации двоичного кода и отображения его при помощи устройства индикации (светодиоды VD1- VD4). Данное устройство проектируем на четырехразрядном регистре К155ТМ8.

5. Индикаторы - предназначены для отображения преобразованного

6. двоичного кода. Это устройство строится на светодиодах АЛ-307Б.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3. Функциональная схема

3.4 Описание и разработка принципиальной электрической схемы узла

Принципиальная схема является наиболее полной электрической схемой узла, на которой отображены все электронные элементы и устройства, необходимые для осуществления в изделии заданных электрических процессов. Принципиальная электрическая схема устройства для преобразования аналогового сигнала в аналого-цифровой с частотно-импульсным преобразованием содержит следующие ИМС: КР1108ПП1, К155ЛАЗ, К155ИЕ5 и К155ТМ8.Так как зарубежного аналога МС КР1108ПП1-VFC32 в прикладной программе для ПК «Electronics Workbench» нет, то разработка принципиальной электрической схемы данного устройства на ПК невозможна. Поэтому я разрабатывал принципиальную электрическую схему следующим образом:

Исходя из функциональной схемы, данная принципиальная электрическая схема должна содержать следующие узлы: преобразователь напряжение-частота (ПНЧ), генератор тактовых импульсов, счётчик, выходной регистр, светодиоды. Для осуществления частотно-импульсного преобразования я использовал специализированный прецизионный ПНЧ КР1108ПП1. Данный ПНЧ и схему его включения я нашёл в книге Е.А.Коломбет "Микросхемы ЦАП и АЦП. Функционирование и применение", Москва, "Энергоатомиздат", 1990. Для его включения необходимо напряжение питания +15В и -15В, а также резисторы номиналом 40,2кОМ±5%-1шт, 4,7кОм±5%-1шт,конденсаторы номиналом 10нФ-1шт,100нФ-2шт, 3,ЗнФ-1шт. Выходной сигнал данного ПНЧ соответствует входному уровню сигналов микросхем ТТЛ-серий, поэтому при дальнейшей разработке принципиальной электрической схемы я применил микросхемы серии ТТЛ- К155,так как они наиболее распространены.

Генератор тактовых импульсов я собрал на МС К155ЛАЗ - 4 элемента И-НЕ. Схему этого генератора я взял в Интернете на сайте http://shema.ru/. Эта схема, кроме МС К155ЛАЗ содержит также конденсатор К50-6 номиналом 500мкФ и 2 переменных длительности и частоты вырабатываемых генератором импульсов. Напряжения питания данной МС-5В±5%.

Для подсчёта импульсов, поступающих с выхода ПНЧ я использовал МС К155ИЕ5 -- 4-хразрядный двоичный счётчик. Его цоколёвку и назначение выводов я взял из книги М.И. Богданович" Цифровые интегральные микросхемы ", М,. "Беларусь" , 1991 г. Для начала подсчёта импульсов на выводы R0 и Rl МС К155ИЕ5 я подал тактовые импульсы с выхода Q4 МС К155 Л A3,а на счётный вход - сигнал с выхода ПНЧ. Напряжение питания данной МС- 5В±5%.

Для запоминания результата подсчёта счётчика я использовал 4-хразрядный регистр К155ТМ8,представляющий собой 4 D-триггера. Его цоколёвку и назначение выводов я взял из книги М.И. Богданович" Цифровые интегральные микросхемы ", М,. "Беларусь" ,1991 г. На тактовый вход С данного регистра я подал тактовые импульсы с выхода Q4 МС К155ЛАЗ,а на информационные входы D1-D4-сигналы с выходов Q1-Q4 счётчика. Напряжение питания данной МС-5В±5%.

Для отображения преобразованного двоичного кода я использовал светодиоды АЛ307Б.

3.5 Элементная база для принципиальной электрической схемы узла

Преобразователи напряжение--частота (ПНЧ) являются наиболее дешевым средством преобразования сигналов для многоканальных систем ввода аналоговой информации в ЭВМ, обеспечивающим высокую помехозащищенность и простоту гальванической развязки. ПНЧ -- отличное решение для задач измерения усредненных параметров, расхода, а также задач генерирования и модуляции частоты. ПНЧ КР1108ПП1 относятся к классу интегрирующих преобразователей, поэтому обладают соответствующими достоинствами: хорошей точностью при минимальном числе необходимых прецизионных компонентов, низкой стоимостью, высокой помехоустойчивостью, малой чувствительностью к изменениям питающего напряжения, отсутствием дифференциальной нелинейности.

ПНЧ КР1108ПП1 преобразует входное напряжение в частоту выходных импульсов, которые могут передаваться на большие расстояния без искажения информационного параметра--- частоты. Второй этап аналого-цифрового преобразования: «частота--код» осуществляется путем подсчета импульсов за фиксированный интервал времени, то есть усреднением. Если этот интервал сделать кратным периоду основной помехи (20 мс). то помеха подавляется полностью. В интегральных микросхемах ПНЧ КР1108ПП1 используется метод интегрирования входного сигнала с импульсной компенсацией заряда интегрирующего конденсатора.

К155ИЕ5

Микросхема представляет собой двоичный счетчик. Каждая ИС состоит из четырех JK-триггеров, которые соединены соответствующим образом для образования счетчика-делителя на 2 и 8. Установочные входы обеспечивают прекращение счета и одновременно возвращают все триггеры в состояние низкого уровня (на входы R0( 1) и R0(2) подается высокий уровень). Выход 01 не соединен с последующими триггерами. Если ИС используется как четырехразрядный двоичный счетчик, то счетные импульсы подаются на вход С1, а если как трехразрядный -- то на вход С2.

К155ТМ8

Микросхема представляет собой счетверенный D-триггер с прями и инверсными выходами.

К155ЛА3

Микросхема представляет собой четыре логических элемента 2И-НЕ. Корпус К155ЛА3 типа 201.14-1, масса не более 1г и у КМ155ЛА3 типа 201.14-8, масса не более 2,2г.

4. Расчетная часть

4.1 Параметры и характеристики разработанной принципиальной электрической схемы узла

К основным параметрам цифровых микросхем относятся:

1. Статические;

2. Динамические;

3. Интегральные;

Статические параметры применяемых микросхем:

К155ИЕ5:

Uпит =5В; Uвых = 2.4В; I0вх = - (1.6…3.2)мА;

I1вх = 0.04…0.08мА; Iпот (не более) = 135 мА;

К155ТМ8:

Uпит = 5В; Uвых = 0.4 В; I0вх = - (1.6) мА; I1вх = 0.04 мА;

Iпот (не более) = 1.4мА; Рпот = 66мВ;

К155ЛА3:

Uпит = 5В; Uвых = 0.5В; I0вх = - (0.6); I1вх = 0.04 мА;

Iпот (не более) = 10мА.

Динамические параметры.

К155ИЕ2:

tздр0.1 = 135нс; tздр1.0 = 135нс; tраспр1 = 135нс;

К155ТМ8:

tздр0.1 = 30нс; tздр1.0 = 30нс; tраспр2 = 30нс;

К155ЛА3:

tздр0.1 = 15нс; tздр1.0 = 22нс; tраспр3 = 18.5нс;

Формула расчета tраспр:

tраспр = (tздр0,1 + tздр1,0 )/ 2 = (15 + 22)/2 = 18.5 нс;

Рассчитываем общее время распространения импульса:

tраспр общ = tраспр1 + tраспр2 + tраспр3 = 135+30+18.5=183,.5нс;

Рассчитаем общую потребляемую мощность:

Рпот1 = Iпот1ЧUn = 0.0135Ч5 = 0.0675 Вт;

Рпот 2 = Iпот2ЧUn = 0.0014Ч5 = 0.007 Вт;

Рпот3 = Iпот3ЧUn = 0.01Ч5 = 0.05 Вт;

Рпот = Рпот1+ Рпот2+ Рпот3= 0.0675 + 0.007 + 0.05 = 0.1245 Вт.

4.2 Расчет надежности разработанной принципиальной электрической схемы узла

Сначала необходимо определить интенсивность отказов л(t) которое определяет число отказов n(t) устройства в единицу времени, отнесенное к среднему числу Ni устройств, работоспособных к моменту времени

Мое устройство представляет собой совокупность (систему) взаимосвязанных электронных, электрических и механических устройств, каждое из которых имеет свой показатель надежности. Надежность устройства как системы характеризуется потоком отказов Л, численно равным сумме интенсивности отказов его отдельных устройств

По данной формуле рассчитывается поток отказов устройства и отдельных узлов, состоящих, в свою очередь, из различных элементов, характеризующихся своей интенсивностью отказов.

Формула справедлива для расчета потока отказов системы из n элементов в случае, когда отказ любого из них приводит к отказу всей системы в целом. Такое соединение элементов получило название логически последовательного или основного. Кроме того, существует логически параллельное соединение элементов (узлов, блоков, устройств), когда выход из строя одного из них не приводит к отказу системы в целом. Средняя наработка до отказа Т0 - это математическое ожидание наработки устройства до первого отказа (может быть определена по потоку отказов).

Данные формулы позволяют выполнить расчет надежности устройства, если известны исходные данные - состав устройства, режим и условия его работы и интенсивности отказов его компонентов. При практических расчетах надежности возникают трудности из-за отсутствия достоверных данных о лi для большой номенклатуры элементов, узлов и элементов устройства. Выход из этого положения дает применение так называемого коэффициентного метода, который используется при расчете надежности устройства.

Сущность коэффициентного метода состоит в том, что при расчете надежности устройства используют абсолютные значения интенсивности отказов лi, а коэффициенты надежности ki , связывающие значения лi c интенсивностью отказов лб какого - либо базового элемента

Ki = л i /л б

Коэффициенты надежности ki практически не зависят от условий эксплуатации и для данного элемента являются константой, а различие условий эксплуатации учитывается соответствующим изменением лб. Обычно в качестве базового элемента выбирается металлопленочный резистор.

Устройство работает в закрытом помещении при температуре окружающей среды t0 = 20 - 250C в непродолжительном режиме.

Для расчета принимаем интенсивность отказов базового элемента

Учтем нормальною запыленность помещения, учтем коэффициент К=1. Таким образом, интенсивность отказов базового элемента составит

При расчете принимаем логически последовательную (основную) схему.

Расчет показателей надежности проводим, используя все необходимые коэффициенты по надежности компонентов устройства.

Рассчитываем наработку до отказа и вероятность безотказной работы за время ТЭ = 5000 ч.

Реальная интенсивность отказов одиночного радиоэлектронного элемента
Интенсивность отказов (табличная)		1/ч	0,00000003
Условия эксплуатации элемента	Лабораторные
Результирующий поправочный коэффициент k	k		1
Поправочный коэффициент, учитывающий влияние электрического режима и температуры внутри радиоустройств (табличный)	a		1,4
Условия эксплуатации аппаратуры	Результирующий поправочный коэффициент k
Лабораторные	1,00
Стационарные	2,70
Корабельные	3,40
Автофургонные	3,70
Железнодорожные	3,90
Самолетные	6,00

преобразователь электрический схема

Реальная интенсивность отказов

0,000000042 1/ч

Расчет надежности комбинированных схем
Средняя интенсивность отказов одного элемента		1/ч	0,0000005
Количество элементов	N		3
Период для которого необходимо рассчитать вероятность безотказной работы	t	ч	5000

Интенсивность отказов устройства 0,0000015 1/ч

Вероятность безотказной работы 0,99252805

Средняя наработка до первого отказа 666666,667 ч

Расчет надежности логических микросхем
Средняя интенсивность отказов одного элемента		1/ч	0,0000005
Количество элементов	N		5
Период для которого необходимо рассчитать вероятность безотказной работы	t	ч	5000

Интенсивность отказов устройства 0,0000015 1/ч

Вероятность безотказной работы 0,9925281

Средняя наработка до первого отказа 666666,667 ч

Расчет надежности устройства, состоящего из N элементов 7 типов
Тип элемента	Кол-во элементов в устр-ве, n	Интенсивность отказов эл-ов, ?э, 1/ч	Произведение n · ?э элементов этого типа
светодиод	4	0,0000008	0,0000032
подстроечный резистор	3	0,000002	0,0000006
Логическая микросхема	5	0,0000003	0,0000015
Конденсатор электролитический	2	0,000002	0,000004
резистор	3	0,0000005	0,0000015
Комбинированная микросхема	3	0,0000005	0,0000015
тиристор	0	0,0000032	0
Итоговая интенсивность отказов изделия		1/ч	0,000017709
Период, для которого необходимо рассчитать вероятность безотказной работы	t	ч	5000

5. Технологическая часть

5.1 Разработка технологического процесса изготовления разработанного узла

Перед тем, как приступить к изготовлению разработанного узла изготавливаем монтажную схему. Рисуем эскиз печатной платы в первоначальном виде на полупрозрачной бумаге, имеющей клеточную разметку. На лицевой стороне эскиза печатной платы будем изображать радиодетали, а на обратной печатные проводники. Сначала на бумаге располагаем желаемое расположение блоков, узлов.

Затем определяем примерный маршрут прохождения сигналов. Усилительные каскады, вытянув в линию, максимально удалив входные цепи от выходных.

Далее приступаем к уточнённому маршруту прохождение основных сигналов. Он должен иметь кратчайший путь и не иметь пересечений. Согласно выбранного маршрута, приступаем к размещению радиодеталей от каскада к каскаду, начинаем с входного. Выводы резисторов, конденсаторов располагаем ближе к краю платы, а выводы, на которые падает питающее напряжение - к центру платы и как можно ближе друг к другу.

С целью повышения плотности монтажа не оставляем на плате пустых мест. На каждой детали пишем присвоенный номер согласно принципиальной схеме.

Закончив нанесения печатных проводников, приступаем к их оптимизации - маленькой ревизией с целью достижения оптимального расположения проводников, укоротить их или даже поменять местами, если это приведет упрощению рисунка печатной платы. Далее приступаем к проверке правильности разводки. На этой стадии, как правило, выявляются одна-две маленькие ошибки (огрехи). Под конец обводим нужные линии.

После того, как изготовили монтажную схему печатной платы, приступаем к её изготовлению.

Изготовление устройства начинаем с того, что переносим изображение монтажной схемы на стеклотекстолит. Для этого, берем листик миллиметровки, той стороной на которой изображена схема, ложем на стеклотекстолит. Аккуратно накладываем не толстую ткань и в течение примерно около 20 минут, при максимальной температуре нагрева утюга, гладим по нашей схеме. Для того чтобы изображение с бумаги скопировалось на текстолит.

Далее накернив в местах, где будут отверстия, просверливаем эти отверстия, диаметр сверла 0,8 мм. После зачищаем, с помощью наждачной бумаги, заусенцы с обратной стороны, чтобы поверхность была гладкая.

Затем наносим на линии соединений узлов и на отверстия слои лака. Далее помещаем текстолит в емкость с раствором хлорного железа, для непосредственного вытравления.

Следующим этапом, когда все вытравилось, промываем плату под проточной водой и снимаем лак. На следующем этапе наносим на соединительные линии припой, для улучшения электропроводности.

Припаиваем все элементы и проверяем работоспособность устройства.

Для эстетичного вида, помещаем устройство в, заранее подготовленную по размерам, коробочку.

Как плата будет готова, приступаем к установке радиодеталей. Первыми устанавливаются детали имеющие малую высоту. Канифольный лак после припайки можно не удалять. Он многие годы предохраняет печатные платы от окисления. Однако грязные места следует удалить, так как под ними могут образовываться скрытые потеки припоя, приводящие к замыканию токопроводящих дорожек.

5.2 Описание мероприятий по ТБ при изготовлении разработанного узла

При изготовлении и проведении сборочно-монтажных работ нужно строго соблюдать правила по техники безопасности и следить за исправностью инструмента, измерительных приборов, шнуров питания, соединяющих паяльник и различные радиотехнические устройства с электрической сетью. Любая небрежность или неосторожность могут стать причиной самых различных несчастных случаев: поражение постоянным или переменным током, травмы от движущихся или острых частей оборудования, получение травматических ожогов от нагретых частей паяльника, отравление организма от вдыхания паров, возникающие при пайке флюсами, кислотами.

Особой осторожности требует работа с электрическим током. Тело человека является проводником электрического тока, и его сопротивление зависит от площади соприкосновения с токонесущими деталями, влажности и температуры кожи и составляет от 500 Ом до 500 кОм. Ток силой 50 мА и напряжением свыше 36 В опасен для жизни.

Прикосновение к проводнику с током вызывает незначительные судороги мышц пальцев. Если в этот момент пальцы не оторвать от проводника, быстрое сокращение мышц уже не даст человеку возможности самому сделать это. При этом сопротивление кожи электрическому току резко уменьшится, а протекающий ток по организму резко возрастёт, парализуя дыхание.

Так же изготовленные изделия могут получить "травму" и выйти из строя. Причиной этого является статическое электричество, пол помещения, в котором осуществляют монтажные работы, должен быть сделан из материалов имеющих удельное сопротивление 10 Ом, относительная влажность должна быть 50-70%.К работе с приборами и оборудованием допускаются лица, которые имеют аттестат на право выполнения сборочно-монтажных работ с учётом мер безопасности от воздействия статического электричества.

В зависимости от потенциала статического электричества приборы делятся на 6 степеней спайки: 1-30. В; 2-100. В; 3-200. В; 4-500. В; 5-Ю00.В;6-свыше 1000 В.

Для предотвращения поражением электрическим током необходимо пользоваться личными физическими и теоретическими формулами защиты, иметь опыт и аналитический подход, так же необходимо: заземлить все металлические части оборудования, предусмотреть закрытие всех кабелей и соединительных проводов, исключая возможность порчи их изоляции; огородить неизолированные токоведущие части оборудования; предусмотреть наличие световой индикации при подаче на оборудование напряжения, по возможности применять электропаяльники с напряжением 12, 24 и 36 В, строго выполнять правила технической эксплуатации электрооборудования.

Основные правила по технике безопасности при конструкторских, радиомонтажных работах, связанных с ремонтом и налаживанием радиотехнических устройств, предусматривают выполнение следующих требований:

1 .Рабочее место необходимо содержать в порядке. На нём должны находиться лишь те приборы, инструменты и приспособления, которые требуются для выполнения данной работы.

2.Инструмент всегда должен быть в исправном состоянии.

З.При резке листового металла ножницами, пальцы левой руки располагать подальше от режущих кромок ножниц. Отгибать срезанный кусок нужно так, чтобы не поранить правую руку заусенцами.

4.При пропитывании деталей электроизоляционными веществами следует соблюдать правила пожарной безопасности. Нельзя пользоваться открытым огнём при расплавлении таких веществ, как воск, парафин или церезин.

5.Пайку радиоэлементов надо производить исправным паяльником, у которого не пробита изоляция и отсутствует контакт между нагревательным элементом и металлическим корпусом или жалом. Металлический инструмент должен иметь изолированные ручки. Во время пайки следует остерегаться ожогов, особенно в случае, если спаиваемые детали обладают пружинящими свойствами. Невнимательность может привести к разбрызгиванию горячего припоя и попаданию его на лицо и в глаза. В процессе пайки выделяются вредные для здоровья пары олова и свинца. Об этом нужно помнить и не наклоняться низко над местом пайки, а также стараться не вдыхать испарения. В помещении, где производится пайка, должна быть хорошая вентиляция. После окончания пайки обязательно вымыть руки тёплой водой с мылом.

6.Необходимо следить за исправностью плавких предохранителей в электросети и аппаратуре. Категорически запрещается применять вместо плавких предохранителей так называемые жучки из проволоки.

7.Ни в коем случае нельзя прикасаться мокрыми или влажными руками к корпусам включённых приборов.

6. Вывод

В процессе выполнения курсового проекта мною были освоены и закреплены знания по разработке и расчёту электронных схем, а так же освоены навыки по выполнению печатного монтажа в домашних условиях.

В данном курсовом проекте я использовал знания по следующим дисциплинам:

· «Электронные системы программного управления в автоматизированном производстве»

· «Цифровая микропроцессорная техника»

· «Эксплуатация и наладка электронных систем программного управления в автоматизированном производстве»

· «Охрана труда» и др.

7. Литература

1. Е. А. Коломбет «Микросхемы ЦАП и АЦП. Функционирование и применение», Москва, «Энергоатомиздат», 1990

2. М. И. Богданович «Цифровые интегральные микросхемы», М,. «Беларусь», 1991 г.

3. Журнал «Радио» №8, 2001, стр. 50-52; 1993, стр. 33;

4. А.М. Портало “Цифровая и аналоговая электроника”, М., “Радио и связь”, 2000 г.

5. http://www.shema.ru/

Размещено на Allbest.ru