Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Дипломная работа

Разработка электронного частотомера для измерения сигналов в диапазоне от 250 Гц до 50 МГц

Содержание

1. Общая часть

1.1 Введение

1.2 Анализ технического задания

1.3 Разработка структурной схемы

1.4 Разработка схемы электрической принципиальной

1.5 Выбор элементной базы

2. Расчетная часть

2.1 Электрический расчет каскадов

2.2 Расчет надежности печатного узла

2.3 Расчет размера печатной платы

2.4 Расчет печатного монтажа

3. Конструкторская часть

3.1 Формирование конструкторского кода обозначения изделия

3.2 Выбор и обоснование конструкции изделия

3.3 Выбор и обоснование материалов

4. Технологическая часть

4.1 Формирование технологического кода обозначения изделия

4.2 Расчет технологичности изготовления изделия

4.3 Разработка техпроцесса сборки и монтажа изделия, маршрутных карт

5. Экономическая часть

5.1 Формирование исходных данных

5.2 Расчет параметров поточной линии производства

5.3 Расчет стоимости комплектующих изделий и материалов на единицу изделия

5.4 Расчет численности рабочих в цеху

5.5 Расчет заработной платы ИТР цеха

5.6 Расчет площади проектируемого цеха и стоимости строительства здания (пассивной части ОФП)

5.7 Расчет стоимости активной части основных производственных фондов цеха

5.8 Расчет комплексной расценки на 1 изделия и месячного фонда оплаты труда

5.9 Расчет месячных общепроизводственных (цеховых) расходов на выпуск частотомера на PIC-контроллере

5.10 Расчет месячных общехозяйственных (заводских) расходов

5.11 Калькуляция стоимости единицы изделия частотомера на PIC-контроллере

5.12 Расчет месячных технико-экономических показателей (ТЭП) работы цеха, выпускающего частотомера на PIC-контроллере

5.13 Построение диаграммы розничной цены единицы изделия (структура отпускной цены)

6. Охрана труда и окружающей среды

6.1 Мероприятия по технике безопасности на рабочем месте

6.2 Мероприятия по защите окружающей среды на участке или предприятии радиотехнической (электронной) промышленности

7. Экспериментальная часть

7.1 Описание конструкции изготовленной платы узла РЭС

7.2 Проверка работоспособности и измерение характеристик

8. Заключение

9. Список литературы

Приложения

принципиальная схема частотомер печатный узел

Введение

Научно-технический прогресс во всех областях народного хозяйства, переход к комплексному управлению производством, внедрение автоматизированных систем проектирования (САПР), конструирования, технологической подготовки (АСУТП) и управления технологическими процессами невозможны без качественной измерительной техники. О масштабах измерительных работ свидетельствует тот факт, что на регулировку, настройку, испытания и контроль изделий приходится в среднем более 10 %, а в таких областях народного хозяйства, как радиоэлектроника, вычислительная техника, приборостроение,? половина трудовых затрат. Создание радиоэлектронной аппаратуры (РЭА)? весьма сложный процесс, требующий четкой организации работ на всех этапах, начиная с творческого замысла и кончая изготовлением устройства. На современном этапе научно-технического прогресса огромную роль играет развитие электроники. Электронная промышленность определяет научно-технический и экономический потенциал Республики Беларусь. В данную отрасль промышленности входит множество объединений, заводов, конструкторских бюро, исследовательских центров, ремонтных мастерских. Более 80% рабочих и служащих отрасли имеют высшее или среднеспециальное техническое образование.

За последние годы отечественная радио и электронная промышленность достигла значительных достижений в области освоения новой технологии производства радиоэлектронных средств (РЭС) в целом, в том числе с широким использованием печатных плат (ПП) и элементов, функциональной микроэлектроники. Совершенствуется технология производства за счёт создания гибкого автоматизированного производства (ГАП) с максимальным внедрением роботов и других средств механизации и автоматизации в наиболее трудоёмких операциях сборки, монтажа, контроля и измерения.

Электроника прошла несколько этапов развития, за время которых сменилось несколько поколений элементной базы: дискретная электроника, электровакуумных приборов, интегральная электроника микросхем, функциональная интегральная электроника.

Со времени появления первых конструкций до настоящего времени РЭС развивалось по следующим поколениям:

элементная база первого поколения (20-50гг) была построена использованием электровакуумных ламп, дискретных ЭРЭ, проводных электрических связей. Сложность технологии электровакуумных приборов, небольшой срок службы, значительные габаритные размеры и масса, большое потребление электроэнергии послужили стимулом к появлению второго поколения электроники.

Элементная база второго поколения (50-60гг) - это конструкции РЭС на печатных платах, полупроводниковых приборах, которые по сравнению с электровакуумными приборами имеют меньшие габаритные размеры, потребляемую энергию, большие КПД, срок службы и надёжность.

Элементная база третьего поколения (60-70гг) - это конструкции на печатных платах и интегральных схем малой степени интеграции. Технология изготовления аппаратуры на микросхемах упрощается, т.к. уменьшается общее число деталей и соединений между ними. Благодаря этому увеличивается надёжность аппаратуры, уменьшаются её габаритные размеры и масса. Появление ИМС сыграло решающую роль в развитии электроники, положив начало новому этапу - микроэлектроника.

Элементная база четвертого поколения (70-80гг) - это конструкции с применением больших интегральных схем, многослойные печатные платы, микрополосковые линии.

Элементная база пятого поколения (80-90гг) - применение функциональной микроэлектроники, приборы с переносом заряда, чип-ЭРЭ. Если прогнозировать тенденции и перспективы развития в современном производстве РЭС, то ими являются: дальнейшая микроминиатюризация производства элементов (R,L,C), повышение степени интеграции микросхем, внедрение функциональной микроэлектроники, приборов с переносом заряда, высокотемпературные сверхпроводники. Это приведет к тому, что увеличивается надёжность аппаратуры, уменьшаются её габаритные размеры и масс.

Технология - это совокупность знаний о способах и средствах проведения производственных процессов. Существуют понятия «новая технология» и «высокая технология». Новая технология - технология, обладающая более высокими характеристиками по сравнению с лучшими аналогами, доступными на данном рынке, для которого данная технология является новой. Высокая технология - технология, обладающая наивысшими показателями по сравнению с лучшими мировыми аналогами, пользующимися спросом на рынке и удовлетворяющая формирующимся или будущим потребностям человека и общества. Основными тенденциями усовершенствования технологии производства РЭС является использование безвыводных дискретных ЭРЭ - чипов. Чипы имеют намного меньшие размеры, по сравнению с обычными ЭРЭ.

В настоящее время промышленностью выпускается большое количество РЭС различного назначения, в том числе и частотомеры.

Частотомеры широко используется при проведении измерений в условиях учебных лабораторий, на производстве, в ремонтных организациях.

Поэтому целью дипломного проекта является разработка и изготовление электронного частотомера, построенного на современной электронной базе радиоэлементов. Частотомер должен обладать малыми габаритными размерами, заданной точностью измерений, минимальным энергопотреблением и удобством в эксплуатации.

1. Общая часть

1.2 Анализ технического задания

Электронный частотомер предназначен для измерения частот сигналов в диапазоне от 250 Гц до 50 МГц. Данное устройство может использоваться как самостоятельная установка, так и входить в состав более сложного измерительного комплекса. Прибор питается от блока питания с выходным напряжением равным 5 В. Ток потребления - 0,1А. Прибор используется в учебных лабораториях и является малогабаритным, переносным устройством с высокой надежностью. Среднее время наработки на отказ должно быть не менее 3,7*104 часов. Среднемесячная норма выпуска составляет 800 шт. Габариты прибора составляют 160х750х80 мм.

Технические характеристики:

Диапазон измерений (кГц) - от 0,25 до 50000;

Входное сопротивление:

не менее 2 кОм;

Диапазон входного напряжения:

на входе при синусоидальном сигнале (В) - от 0,1 до 4,0;

на входе при импульсном сигнале (В) - лог. 0 не более 0.2, лог. 1 не более 4.

Так как устройство предназначено для использования в лабораторных условиях с небольшими перепадами температуры то к нему не предъявляются высокие требования к температурной стабильности и, следовательно прибор используется при температуре воздуха равной 25 ± 10°С и относительной влажностью воздуха 40-80 %. Эти условия соответствуют умеренному климатическому исполнению. Для обеспечения электробезопасности корпус устройства должен быть сделан из полистирола (материал является диэлектриком). Для защиты элементной базы от короткого замыкания в изделии должна быть предусмотрена плавкая вставка.

1.3 Разработка структурных схем

В настоящее время наиболее часто применяются три метода разработки структурных схем: эвристический, математический, функционального наращивания.

Эвристический метод - основан на накоплении опыта, анализе литературы и интуитивных соображений. На основе анализа исходных данных создается несколько моделей структурных схем и выбирается наиболее простая, надежная и дешевая.

Математический метод - на основе исходных данных создается модель - математическое описание внешних воздействий. Проводится анализ модели (математический расчет, имитационное моделирование на ЭВМ, испытание макетов). В результате анализа модели определяются значения показателей качества в зависимости от параметров модели. Таких моделей может быть несколько.

Метод функционального наращивания - на основе исходных данных составляется перечень функций, которые должно реализовать разрабатываемое устройство. Далее изображается схема этого устройства путем условных прямоугольных изображений структурных единиц с изображением линий связи между ними, в соответствующем порядке узлов, реализующих эти функции.

При разработке структурной схемы прибора использовались в основном эвристический метод и метод функционального наращивания. На основе литературы и интуитивных соображений был проведен анализ имеющихся схем и выбран наиболее простой, экономичный и дешевый способ реализации заданных функций.

Изготавливаемое устройство должно выполнять следующие функции:

- прием, ограничение и усиление входного синусоидального и импульсного сигналов;

- счет входных импульсов и определение частоты входного сигнала;

- ограничение тока;

- блок индикации результата вычислений;

- блок вторичного электропитания;

Проанализировав техническое задание и выполняемые функции можно сделать вывод, что данный прибор целесообразно реализовать на микроконтроллере.

Исходя из заданных функций, прибор содержит следующие функциональные узлы: - усилитель-ограничитель; - делитель напряжения; - микроконтроллер; - ограничитель тока; - блок индикации; - блок питания.

Тогда структурная схема прибора будет иметь вид, изображенный на рисунке 1. Блоки делителя напряжения, ограничителя -усилителя являются типовыми для большинства, частотомеров. Они используются для приема, ограничения и усиления входного сигнала соответственно. Микроконтроллер осуществляет счет импульсов за интервал времени, после полученный результат подает на блок индикации в виде двоичного кода. Ограничитель тока уменьшает силу тока импульсов подаваемых с микроконтроллера на блок индикации. Блок индикации отображает двоичный код в виде цифр.

Рисунок 1 - Схема электрическая структурная частотомера цифрового на PIC-контроллере.

1.4 Разработка схемы электрической принципиальной

Принципиальная электрическая схема разрабатывается на основании анализа исходных данных принятой структурной схемы.

Исходя из разработанной структурной схемы, прибор состоит из шести функциональных узлов:

- усилитель-ограничитель;

- делитель напряжения;

- микроконтроллер;

- ограничитель тока;

- блок индикации;

- блок питания.

Усилитель-ограничитель состоит из ограничителя уровня на диодах VD1, VD2, электронного усилителя, который состоит из усилительного элемента, транзистора VT1, резисторов R1, R2, R3, R4, задающих режим работы транзистора по постоянному току, разделительных конденсаторов С2, С3, С5 и блокировочного конденсатора С4.

Схема электрическая принципиальная усилителя-ограничителя представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема электрическая принципиальная усилителя-ограничителя.

Делитель напряжения целесообразно реализовать на резисторах R5, R6, задающих входное сопротивление микроконтроллера.

Схема электрическая принципиальная делителя напряжения представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема электрическая принципиальная делителя напряжения.

Микроконтроллер осуществляет счет импульсов внешнего сигнала, поступающего на вход прибора, обработку полученных значений и вывод результатов на блок индикации. Между выводами 16, 15 микроконтроллера включен кварцевый резонатор, благодаря которому микроконтроллер тактируется с частотой 4 МГц, при этом его быстродействие составит 1 млн. операций в секунду.

Схема электрическая принципиальная микроконтроллера изображена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схема электрическая принципиальная микроконтроллера.

Ограничитель тока состоит из семи резисторов: R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, задачей которых является ограничение силы тока двоичного кода, подаваемого с микроконтроллера на блок индикации.

Схема электрическая принципиальная ограничителя тока представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схема электрическая принципиальная ограничителя тока.

Блок индикации представлен в виде четырех восьмиразрядных индикаторов. В зависимости от двоичного кода подаваемого с микроконтроллера на индикатор, на нем высвечивается определенные сегменты, которые вместе символизируют определенное число.

Схема электрическая принципиальная блока индикации изображена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Схема электрическая принципиальная блока индикации.

Схема электрическая принципиальная блока питания частотомера на PIC- контроллере представлена на рисунке 7.



Рисунок 7 - Схема электрическая принципиальная блока питания.

Пониженное напряжение с трансформатора поступает на диодный мост, затем уже выпрямленное сглаживается конденсатором С6, и поступает на вход интегрального стабилизатора DA2. Конденсатор С7 убирает высокочастотные всплески напряжения. Установка в схему интегрального стабилизатора позволила значительно упростить блок питания и улучшить его характеристики. В качестве интегрального стабилизатора применены микросхемы LM317. Исходя из выше указанных каскадов схема электрическая принципиальная частотомера цифрового на PIC-контроллере имеет вид как показано на рисунке 8.

Рисунок 8- Схема электрическая принципиальная частотомера цифрового на PIC-контроллере

1.5 Выбор элементной базы

При выборе электрорадиоэлементов (ЭРЭ) необходимо обеспечить надежную работу узла, блока. При этом основным критерием является выбор недорогих элементов, имеющих широкое применение в современной РЭА и позволяющих в то же время добиваться максимальной простоты сборки и электрического монтажа, регулировки и эксплуатации.

Все ЭРЭ выбираются по справочной литературе и техническим условиям (ТУ).

ИМС выбираются для работы в узле РЭС с учетом таких параметров:

-Функциональное назначение (усилители, преобразователи, стабилизаторы, многофункциональные).

-Рабочий диапазон частот.

-Рабочее напряжение.

-Потребляемый ток.

-Температурная стабильность параметров.

Резисторы выбираются:

- По величине рассеиваемой мощности

- По типу проводящего слоя - непроволочные, проволочные

- По максимальному рабочему напряжению (например МЛТ - 2 Вт имеет Uраб max > 750 В, а МЛТ - 1 Вт имеют Uраб max < 750 В).

- По классу точности от 0,1% до 20%.

- По температурному коэффициенту сопротивления (ТКС).

Конденсаторы выбираются по типу:

- электролитические С > 1-2 мкФ,

- керамические и прочие С < 1 мкФ,

- По номинальному напряжению: Uном =(1,3 - 1,5 )Uраб , которое должно быть в 1,5 раза большим рабочего напряжения с учетом переменной составляющей.

- По классу точности от 1% до 90%.

- По температурному коэффициенту емкости (ТКЕ).

Диоды выбираются:

- По максимально выпрямляемому току Iо max;

- Максимально допустимому обратному напряжению Uобр max;

- Рассеиваемой мощности Pпр;

- Стабилитроны выбираются по напряжению стабилизации (Uст), пределам рабочего тока стабилизации (Iст min и Iст max) и, как правило, выбираются по наименьшему току стабилизации с целью экономии потребляемого тока.

Исходя из этого выбираем следующие электрорадиоэлементы:

Микросхемы:

а) Стабилизатор LM317 имеет следующие характеристики:

Uвх max = 25 В;

Uвх min = 16 В;

Uвых = 15 В;

Imax = 1 A,

б) Микроконтроллер PIC-16F84A имеет следующие характеристики:

Uпит min =2 В, Uпит max=6 В;

I пит=100 мА, Imax=200 мА;

f=0.2…4 МГц.

в) Диодный мост В380G1 имеет следующие характеристики:

Средний выпрямленный ток I0 max =0.7 А;

Импульсное обратное напряжение Uобр max =100 В;

Температура окружающей среды t0KP= -6…+ 85 С.

Резисторы:

Все резисторы, примененные в данном изделии - непроволочные, типа МЛТ

МЛТ - 0.125

Кн=0.6 непроволочные;

Uраб max =250 В класс точности - 10%.

Конденсаторы:

К50-16 имеет следующие характеристики:

Электролитический Uном=16 В;

Класс точности - 10%

К22-5 имеет следующие характеристики:

Керамический Uном=16 В;

Класс точности - 10%

Диоды:

1N4148 имеет следующие характеристики:

Кремниевые, эпитаксиально-планарные, импульсные;

Средний выпрямленный ток I0 max =50 мА;

Импульсное обратное напряжение Uобр max =75 В;

Температура окружающей среды t0KP= -60…+ 100С.

Кварцевый резонатор

ZQ 4 MГц

Транзистор:

BFR 93A имеет следующие характеристики:

Uкэ max= 15 В;

Uкбо max= 15 В;

Uэбо max= 3 В;

Pк max= 50 мВт;

T=-60-125 °С;

f=100 МГц.

Индикаторы:

АЛС324А имеет следующие характеристики:

I пр max=25мА;

2. Расчетная часть

2.1 Электрический расчет каскадов

2.1.1 Расчет трансформатора

Исходными параметрами расчета являются:

а) напряжение питающей сети переменного тока U1, В; частота тока сети

fc, Гц;

б) напряжение на вторичных обмотках U2, U3,…, Un, В; токи вторичных обмоток I2, I3,…,In, A или мА;

в) максимальная температура окружающей среды Tокрmax, oC; максимально допустимая температура нагрева трансформатора TTmax, oC.

В данном случае имеем U1= 220 B; fc= 50 Гц; U2= 9 B; I2= 1 A.

Порядок расчета трансформатора.

Определение габаритной (потребляемой нагрузкой) мощности Рг, ВА:

в общем случае и для однофазного мостового выпрямителя

Рг = U2I2 = 9•1= 9 Bт (1)

Затем выбирается тип магнитопровода -- 1511.

Необходимые для расчета параметры:

B = 1,1 Тл - магнитная индукция; J = 4,8 A/мм2 - плотность тока;ko =0,22 - коэффициент заполнения окна медью обмоток; з = 0,85 - КПД трансформатора. Коэффициент заполнения сечения магнитопровода сталью kc = 0,93 - в соответствии с выбранным типом магнитопровода.

Определение тока первичной обмотки I1 производится в соответствии с выражением:

I1 = Pг/U1з cos ц1 = 9/43,56 = 0,2 A, (2)

где cos ц1 - коэффициент мощности трансформатора, при активной нагрузке вторичных обмоток cosц2 = 1; cosц3 = 1; cosц1 = 0,9.

Определение исходной расчетной величины - произведения ScSo, см4, для выбора типоразмера магнитопровода производится по выражению

ScSo = Pг102/1,11 (1+ 1/з)fBJkokc = 50?1,1?4,8?0.22?0,93 = 2,7 см. (3)

По полученному значению ScSo из таблицы типоразмеров магнитопроводов выбирается магнитопровод трансформатора.

Для малых мощностей (до 100 - 200 ВА) при напряжениях менее 1 кВ следует отдать предпочтение броневым магнитопроводом (трансформатором) как ленточным, так и из пластин, поскольку они просты по конструкции и наиболее технологичны.

При мощностях, составляющих несколько сотен вольт-ампер, и на частоте 50 Гц, а также при мощностях до нескольких киловольт-ампер и на частоте 400 Гц наиболее перспективными являются стержневые трансформаторы с двумя катушками на ленточных магнитопроводах.

С учетом этих положений и рассчитанного ScSo выбирается тип магнитопровода и одновременно определяются следующие данные этого магнитопровода: Sc = 0,98 см2 - активное сечение стержня; a = 9 мм - ширина стержня; b = 12 мм - толщина магнитопровода; C =19 мм - ширина окна; h = 31,5 мм - высота окна.

Определение числа витков обмоток производится по выражениям:

w1 = U1(1-?U1%/100)104/4,44fBSc = 220(1-5/100)•104/4,44•50•1,1•0,98 =9500(витков); (4)

w2 = U2(1 + ?U2%/100)104/4,44fBSc = 9(1+10/100)•104/4,44•50•1,1•0,9 = 450 (витков), (5)

где ?U1% = 5 и ?U2% = 10 - относительные падения напряжения в обмотках.

Определение сечения провода обмоток, мм2, производится по формуле:

qпр = I/J = 0,2/4,8 = 0,04 мм2, (6)

где J - плотность тока в обмотках.

Определение возможности размещения обмоток в окне выбранного магнитопровода производится после расчета необходимой ширины окна. С этой целью определяется толщина каждой обмотки трансформатора, для чего:

а) определяется число витков первичной обмотки в одном слое:

w11 = (h - 2е1)/d1 = (22,5-2•3).0,1 = 165 (витков), (7)

где h - высота окна магнитопровода, мм; е1 = 2-5мм -- расстояние обмотки до ярма; d1 - диаметр провода обмотки, мм.

б) определяется число слоев обмотки

m1 ? w1/w11 = 9500/165 = 57 (слоев), (8)

в) определяется толщина обмотки

д1 = m1(d1 + г1) = 57 (0,1 + 0,07) = 9,7 мм, (9)

где г1 - толщина изоляционной прокладки, которая применяется, если напряжение между слоями превышает 50 В (г1 = 0,05-0,08 мм).

Аналогичным образом определяются число витков вторичной обмотки:

w12 = (h - 2е1)/d1 = (22,5 - 2?3)/0,1 = 165 (витков); (10)

число слоев вторичной обмотки:

m2 = w2/w12 = 450/165 = 2,7 (слоев); (11)

толщина вторичной обмотки:

д2 = m2 (d1 + г1) = 2,7? (0,1 + 0,07) = 0,45 мм. (12)

Наконец, после определения толщины каждой из обмоток д1, д2,…, дn можно рассчитать необходимую ширину окна, мм, которая для броневого магнитопровода выражается следующим образом:

Cнеобх. = k(е2+д1+д1,2+д2+д2,3+…+дn-1+дn-1,n +дn+е3)+е4 = 1,2?(1,5 + 9,7 +0,5 +0,45+ 0,5 +0,5) + 3 = 18.8, (13)

где k - коэффициент разбухания обмоток за счет неплотного прилегания слоев, k = 1,2-1,3; е2 = 1,0-2,0 - толщина изоляции между обмотками и стержнем, она выполняется из электрокартона или гетинакса;д1,2,д2,3,дn-1,n - толщина изоляции между обмотками, она выполняется обычно из лакоткани и составляет 0,5-1,0 мм;е3=0,5-1,0 мм - толщина наружной изоляции катушки; е4=1-4 мм - расстояние от катушки до второго стержня.

Полученное значение Снеобх. сравнивается с С - шириной окна выбранного магнитопровода, причем С должно быть не меньше Снеобх., т.е. С ? Снеобх.

Расчет трансформатора произведен по методике, изученной в [ ]

2.1.2 Расчет электронного усилителя

Рисунок 7 - Схема усилителя с ОЭ.

Исходные данные для расчета каскада усилителя:

Условия эксплуатации (ГОСТ15150-69) У (умеренный климат)

Категория эксплуатации 3.1

Uпит=6В;

Рн=0.2Вт

Диапазон частот 250 Гц--50 МГц

Транзистор BFR93A

Расчет каскада усилителя:

задаемся значениями Uб-э=0,65В, Uэ=1.2 В, Iд=45 мкА, Iэо= 22 мА,Iко=3мА

Расчет сопротивления мощностей рассеивания резистора на эмиттере:

R4=Uэ/Iэ=1.2/22*10-3=54 Ом, (14)

PR4=1.2*22*10-3=26 мВт. (15)

Расчет сопративления делителей:

R2=(Uэ+Uбэ) )/ Iд=(1.2+0.65)/39*10-6=47.4 кОм, (16)

P R2==(Uэ+Uбэ)* Iд=(1.2+0.65)* 39*10-6=72 мкВт, (17)

R1=(Eп- Uэ-Uбэ) / Iд=(6-1.2-0.65)/39*10-6=11.6 кОм, (18)

P R1==( Eп -Uэ-Uбэ)* Iд=(6-1.2-0.65)*39*10-3=161 мкВт, (19)

R3=0.4Uпит /Iко=0.4*6/3*10-3=680 Ом, (20)

P R3==0.4Uпит * Iко=0.4 *6* 3*10-3=8 мВт. (21)

Расчет емкости конденсатора С3:

C3=106/(2f R4)= 106/(2*3.14*60*106*54)=0.11 мкФ. (22)

В соответствии с расчетом выбираем следующие номиналы ЭРЭ:

R1=12 кОм; R2 = 47 кОм; R3 = 680 Ом; R4=54 Ом; C1 = 0.1 мкФ.

2.2 Расчет надежности печатного узла

Надежность - свойство изделия сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта и транспортирования. В общем случае надежность - это свойство изделия сохранять способность выполнять заданные функции.

Надежность РЭС в конечном итоге зависит от количества и качества входящих в него электрорадиоэлементов, качества сборки, условий эксплуатации и от своевременности обслуживания и ремонта.

Качественными характеристиками надежности являются:

- безотказность;

- ремонтопригодность;

- долговечность;

- сохраняемость.

Безотказность - свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Ремонтопригодность - свойство изделия, заключающееся в его приспособленности к предупреждению и обнаружению возможных причин возникновения отказов, повреждений, и устранению их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания.

Долговечность - свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при выполнении установленных требований по техническому обслуживанию и ремонту.

Сохраняемость - свойство изделия сохранять непрерывно исправное и работоспособное состоянии в течение, и после хранения или транспортировки.

Предельное состояние - это состояние устройства, при котором его дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена.

Если при работе или хранении аппаратуры произошло нарушение работоспособности изделия, то такое событие называют отказом. Отказы могут быть внезапными и постепенными.

При конструировании аппаратуры необходимо принимать меры по повышению ее надежности. Необходимо также учитывать, что надежность можно повысить на этапе проектирования, производства и эксплуатации.

Все эти характеристики дают представление о качественной стороне надежности. Чтобы сравнить различные типы изделия или образцы изделий одного и того же типа, на практике используют количественные характеристики надежности.

Одной из таких характеристик является вероятность безотказной работы - это величина, показывающая, какая часть изделий будет работать исправно в течение заданного времени работы tр( 0 < Р(tр) < 1.)

Вероятность безотказной работы на практике определяется по формуле;

P(tр) = b/a,(23)

Где b - количество ЭРЭ, работающих исправно;

A - общее количество ЭРЭ.

Для большинства изделий РЭС и их компонентов вероятность их безотказной работы Р(t_р) зависит от длительности работы по экспоненте;

P(t_р) = e-^лtр,(24)

Где e - основание логарифма;

л - интенсивность отказов - это величина, характеризующая отказы ЭРЭ или изделия за единицу времени.

Анализ исходных данных произведен в таблице 1. Исходные данные внесены в таблицу.

Таблица 1 - Перечень, тип и количество используемых компонентов

Расчет коэффициента нагрузки производится по следующим формулам:

Диоды:

Кн = I / Imax , (25)

Где I - фактическое значение проходящего тока;

Imax - номинальное значение проходящего тока.

Для 1N4148: Kн = 0,05 /0,1 = 0,5. (26)

Резисторы и трансформаторы:

Кн = P / Pн , (27)

Где P - фактическая мощность, рассеиваемая на ЭРЭ;

Pн - номинальная мощность, рассеиваемая на ЭРЭ.

Для резисторов Kн = 0,07 / 0,125 = 0,56; (28)

Для трансформатора Kн = 8.5 / 9 = 0.94. (29)

Конденсаторы:

Кн = U / Uн , (30)

Где U - фактическое напряжение, приложенное к конденсатору;

Uн - номинальное напряжение, приложенное к конденсатору.

Для электролитов Kн = 6 / 25= 0,24;

Для керамических Kн =6 / 16= 0,375.

Транзистор:

BFR93A

Кн= Pк/Pкмах = 100/150 = 0.6, (31)

Где Рк - фактическая мощность рассеиваемая на коллекторе;

Ркмах - допустимая мощность рассеивания на коллекторе.

Микросхемы:

Кн = Uпп / Uппmax , (32)

где Uпп - фактическое напряжение питания ИМС;

Uппmax - максимальное напряжение питания ИМС.

Для PIC 16F84A Кн=5/7=0,7;

Для LM317A Кн=15/40=0,4.

Для B380G1 Кн=9/100=0.09

Пайка и переключатели Кн = 1.

По таблице 2 «Интенсивность отказов» определяется значение л0 (интенсивность отказов) для каждого радиокомпонента. Также для каждого компонента определяется дополнительный коэффициент б, учитывающий значение температуры и коэффициента нагрузки. Затем рассчитывается лi = б Ч л0 (интенсивность отказов с учетом температуры и коэффициента нагрузки).

Все значения заносятся в соответствующие графы таблицы . Для расчета учета влияния температуры выбирается температура Т = 40°C.

Таблица 2 - Интенсивность отказов радиокомпонентов.

Наименование радиокомпонента	ло 10 - 6, 1/ч
Диоды кремниевые: Выпрямительные Универсальные Импульсные Стабилитроны	0,2 0,1 0,5 0,1
Транзисторы кремниевые малой мощности: Низкочастотные Среднечастотные Высокочастотные	0,5 0,25 0,2
Транзисторы кремниевые средней мощности: Среднечастотные Высокочастотные	1,3 0,5
Транзисторы полевые:	0,1
Конденсаторы: Керамические, пленочные Электролитические алюминиевые Cтеклянные, бумажные	0,05 0,5 0.1
ИМС	2-3
Коммутационные изделия	1,0
Трансформаторы	0,8
Пайка	0,005
Резисторы: непроволочные проволочные	0.04 0.05

Таблица 3 - Учет влияния температуры.

Т, °C	Значение б при Кн равном:
	0,1	0,3	0,5	0,8	1
КРЕМНИЕВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
40	0,05	0,15	0,30	1	-
КЕРАМИЧЕСКИЕ КОНДЕНСАТОРЫ
40	0,20	0,30	0,50	1,00	1,4
ЭЛЕКТРОЛИТИЧСКИЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ
40	0,65	0,80	0,90	1,1	1,2
МЕТАЛЛООКСИДНЫЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ РЕЗИСТОРЫ
40	0,45	0,60	0,80	1,1	1,35
СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
40	0,42	0,5	0,6	0,9	1,5

лс (интенсивность отказов всех ЭРЭ) для каждой группы компонентов рассчитывается по формуле [лс = лi Ч n]. Все рассчитанные и исходные данные заносятся в таблицу , которая служит основанием для дальнейших расчетов.

Таблица 4 - Расчет надежности функционального узла РЭС.

Наименование	Тип	Количество	Температура окружающей среды	Фактическое значение параметра, определяющего надежность	Номинальное значение параметра, опреде-ляющего надежность	Конструктивная характеристика	Кн	б	л0, 10-6/ч	лi, 10-6/ч	лс, 10-6/ч
Диоды	1N4148	2	40	I=0,05А	Imax=0,1А	кремн	0,5	0,3	0,2	0,06	0,12
Транзи- сторы	BFR93A	1	40	P=100	Pmax=150	кремн	0,6	0,5	0,1	0,05	0,05
Резисторы	МЛТ-0,125	16	40	Р=0,07Вт	Pн=0,125 Вт	МЛТ	0,5	0,7	0,05	0,035	0,56
Конден- сатор	К50-16 К22-5	3 4	40	U=6 В U=6 В	Uн=25 В Uн=16 В	элект керам	0,24 0,37	0,7 0,37	0,5 0,05	0,35 0,01	1,05 0,04
Трансфор- матор	Т	1	40	Р=8,5Вт	Pн=9Вт	сталь	0.94	1,3	0,8	1,04	1,04
Микросхе- мы	PIC16F84A LM317 B380G1	1 1 1	40	Uпп=6 Uпп=15 Uпп=9	Uпп=7 Uпп=40 Uпп=100	кремн	0,7 0,4 0,09	0,7 0,2 0,05	3	2,1 0.6 0.15	2,1 0,6 0.15
Пайка	---	115	---	---	---	---	---	1	0,005	0,005	0,58
Итого		6,29

Интенсивность отказов для всего функционального узла определяется по формуле

л = (0,12+0,05+0,56+1,05+0,04+1,04+2,1+0,6+0,58) Ч 10-6 =6,29Ч10-6 [1/ч].

Средняя наработка на отказ определяется по формуле

, (33)

При л = 6,14Ч10-6, Тср = 1 / 6,29Ч10-6 = 162866 [ч];

Значения вероятности безотказной работы для четырех значений времени работы узла РЭС рассчитываются по формуле и заносятся в таблицу 5.

P(tр) = e-лtр, (34)

где tp - время работы изделия.

Таблица 5 - Расчет вероятности безотказной работы.

Время работы (tр), ч.	Вероятность безотказной работы Р(tр)
100	0,9994
1000	0,994
10000	0,94
100000	0,54

График вероятности безотказной работы в зависимости от времени работы частотомера приведен на рисунке 3.

Рисунок 3 - График безотказной работы

2.3 Расчет размера печатной платы

При выполнении расчетов используются справочные данные о габаритных размерах электрорадиоэлементов, или проводят измерения установочных размеров всех электрорадиоэлементов с учетом выбранного способа размещения и крепления их на печатной плате.

Для обеспечения оптимизации размещения электрорадиоэлементов на печатной плате, размер платы должен выбираться (рассчитываться) с определенным запасом. Коэффициент запаса (коэффициент плотности монтажа) для большинства узлов РЭС выбирают в пределах К_З = 1,0 … 2,5.

Выбираем К_З = 2,5

Расчет площади, занимаемой всеми ЭРЭ данного типа в проектируемом узле:

S_{R(C,VD,VT,,DA,T)} = n_R(C,DA) Ч S_i, (ммІ), (35)

Где n - количество ЭРЭ данного типа (таблица 5);

S_i - площадь ЭРЭ данного типа (ммІ).

Таблица 6 - Количество и установочная площадь применяемых ЭРЭ

Наименование элемента	Количество	Установочная площадь, мм2
Резисторы МЛТ-0,125	16	352
Конденсаторы	7	87,5
Диоды	2	44
Микросхемы	3	495
Индикаторы	4	864

Расчет площади уголков для крепления платы (Sуг) и площади монтажных проводов (Sмп):

В результате расчета получены следующие данные:

Площадь, занимаемая резисторами SR = 16*22=352 ммІ;

Площадь, занимаемая конденсаторами SC = 12,5*7=87,5 ммІ;

Площадь, занимаемая ИМС SMS = 165*3=495 ммІ;

Площадь, занимаемая диодами SVD = 2*22=44 ммІ;

Плошадь уголков и монтажных проводов Sуг + Sмп = 210 ммІ.

Расчет общей площади элементов монтажа:

Sобщ = SR + SC + SDА + Sуг + Sмп = 1188.5 ммІ;

Расчет площади печатной платы с учетом коэффициента плотности монтажа: при Кз=2,5

SПП = Sобщ Ч КЗ = 2971.25 ммІ;

Соотношение сторон по удобству расположения и крепления платы в конструкции узла РЭС выбирается: 1:1.

Расчет размера сторон платы:

X = Y==54.5 (мм)

По результатам расчета получены следующие данные:

Длина платы: 60 мм;

Ширина платы: 60 мм.

2.4 Расчет печатного монтажа

Исходные данные для расчета:

Максимальное напряжение на печатном проводнике относительно общего провода составляет 6 В.

Максимально возможный ток через печатный проводник равен максимальному потребляемому нагрузкой току, и составляет по исходным данным порядка 0,1 А.

В качестве материала печатной платы применяется двухсторонний фольгированный стеклотекстолит марки СФ-1М-35-1.

Метод изготовления печатной платы выбираем химический.

В качестве метода получения проводящего рисунка используем офсетную печать.

Размер печатной платы равен 60Ч60 мм.

Резистивное покрытие печатных проводников (лужение) осуществляется низкотемпературным сплавом Розе.

При расчете печатного монтажа определяются:

Минимально допустимое расстояние между двумя печатными проводниками исходя из максимального рабочего напряжения д = f(Umax):

При Uпmax = 9В минимальное расстояние 0.15мм.

Минимально допустимая ширина печатного проводника равна:

Bmin ? Imax / (hп Ч Iдоп), (36)

Где hп = hф+hпм+hг - толщина печатных проводников;