Разработка электронного модуля активного фильтра нижних частот четвертого порядка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Анализ исходных данных и основных технических требований к разрабатываемой конструкции электронного модуля

2. Выбор и обоснование элементной базы и конструкции

3. Выбор и обоснование метода изготовления электронного модуля

4. Расчет электрических параметров электронного модуля

8. Расчет механических характеристик электронного модуля

Заключение

Список использованных источников

Введение

Цель курсового проекта состоит в разработке электронного модуля активного фильтра нижних частот четвертого порядка.

Краткое описание и назначение разрабатываемого изделия. Фильтр нижних частот является схемой, которая без изменений передает сигналы нижних частот, а на высоких частотах обеспечивает затухание сигналов и за-паздывание их по фазе относительно входных сигналов. Очень важным параметром является порядок фильтра. Чем выше порядок фильтра, тем точнее формируется его полоса пропускания и, следовательно, тем меньшее количество нежелательных составляющих входного сигнала поступает на его выход.

Наибольшее распространение получили фильтры, которые реализованы на операционных усилителях с обратной связью. Один из таких фильтров рассмотрен в данном курсовом проекте.

Задачи, которые планируется решить в курсовом проекте:

? провести анализ исходных данных;

? выбрать элементную базу;

? выбрать и обосновать тип конструкции;

? рассчитать необходимые параметры изделия;

? разработать комплект конструкторской документации.

1. Анализ исходных данных и основных технических требований к разрабатываемой конструкции электронного модуля

электронный модуль фильтр частота

Фильтр ? устройство для выделения желательных компонент спектра аналогового сигнала и подавления нежелательных. Бывают активные и пассивные фильтры. Пассивный фильтр ? электронный фильтр, состоящий только из пассивных компонентов, таких как, к примеру, конденсаторы и резисторы. Пассивные фильтры не требуют никакого источника энергии для своего функционирования. В отличие от активных фильтров в пассивных фильтрах не происходит усиления сигнала по мощности. Активный фильтр ? один из видов аналоговых электронных фильтров, в котором присутствует один или несколько активных компонентов, к примеру транзистор или операционный усилитель. Активные аналоговые фильтры строятся на основе усилителей, охваченных петлёй обратной связи (положительной или отрицательной). В активных фильтрах возможно избежать применения катушек индуктивности, что позволяет уменьшить физические размеры устройств, упростить и удешевить их изготовление.

Фильтр нижних частот (ФНЧ) ? один из видов аналоговых или электронных фильтров, эффективно пропускающий частотный спектр сигнала ниже некоторой частоты (частоты среза), и уменьшающий (подавляющий) частоты сигнала выше этой частоты. Степень подавления каждой частоты зависит от вида фильтра.

На рисунке 1.1 приводится исходная схема активного фильтра нижних частот четвертого порядка [1]

Изделия должны сохранять свои параметры в пределах норм в процессе воздействия климатических факторов, значения которых установлены ГОСТ 15150-69 [2]. Разрабатываемое устройство предназначено для эксплуатации в районах с умеренным и холодным климатами и будет относиться к категории исполнения 4.2 - эксплуатация в помещениях (объемах) с искусственно регулируемыми климатическими условиями, с кондиционированным или частично кондиционированным воздухом.

Рисунок 1.1 - Рисунок схемы электрической фильтра

По ГОСТ 16019-2001 [3] аппаратуру в зависимости от условий эксплуатации подразделяют на группы. Разрабатываемое устройство относится к группе C1 (стационарная аппаратура, устанавливаемая в отапливаемых помещениях).

На аппаратуру этой группы воздействуют следующие механические и климатические факторы:

? вибрации;

? высокая и низкая температуры;

? пыль.

2. Выбор и обоснование элементной базы и конструкции

Выбор элементной базы, как правило, осуществляется по следующим признакам:

? номинальные электрические характеристики элементов;

? габаритные размеры элементов и вид монтажа;

? надёжность элементов;

? цена элементов;

? качество элементов;

? актуальность элементов.

Выбор элементной базы по данным критериям позволяет обеспечить надёжную работу изделия.

Для удобства восприятия данные по элементной базе устройства сведены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1 - Основные параметры для выбора элементной базы



Выбор материала ПП. Физико-механические свойства материалов должны удовлетворять установленным ТУ и обеспечивать качественное изготовление ПП в соответствии с типовыми ТП [4]. Для изготовления плат применяют слоистые пластики, в том числе фольгированные диэлектрики, плакированные электрической медной фольгой. В качестве основы в слоистых пластиках используют стеклотекстолиты - спрессованные слои стеклоткани, пропитанные эпоксифенольной смолой и другие материалы. Они отличаются широким диапазоном рабочих температур, низким (0,2-0,8%) водопоглощением, высокими значениями объемного и поверхностного сопротивлений, стойкостью к короблению. Выбор ПП также зависит от технологии изготовления ПП. В работе предлагается использовать стеклотекстолит фольгированный СФ 1-35-1,5 ГОСТ 10316-78.

Существует несколько типов конструкции печатных плат (ПП):

? односторонняя печатная плата (ОПП);

? двусторонняя печатная плата (ДПП);

? многослойная печатная плата (МПП);

? гибкая печатная плата (ГПП).

Поскольку схема электрическая принципиальная состоит из небольшого количества элементов, то будем выбирать тип конструкции из двух вариантов: ОПП и ДПП. Наиболее экономически эффективным будет использование односторонней печатной платы.

Класс точности определяет минимальные значения основных размеров конструктивных элементов (ширина проводника, расстояние между центрами двух проводников (контактных площадок), ширина гарантийного пояска металлизации контактной площадки и др.). ГОСТ 23751-86 определяет 5 классов точности. [5] Для радиоэлектронной аппаратуры общего назначения наиболее подходящим будет использование ПП 3-го класса точности.

Таблица 2.2 - Характеристика 3-го класса точности в зависимости от минимальных значений основных размеров конструктивных элементов ПП

Параметр	Класс точности 3
Минимальная ширина проводника, t, мм	0,25
Минимальное расстояние между центрами проводников,	0,25
S, мм
Минимальная ширина гарантийного пояска, В, мм	0,10

Поскольку элементная база в основном состоит из поверхностно-монтируемых элементов импортного производства, выбираем шаг координатной сетки 1,25мм.

3. Выбор и обоснование метода изготовления электронного модуля

Методы изготовления ПП разделяют на две группы: субтрактивные и аддитивные. [4]

В субтрактивных методах в качестве основания для печатного монтажа используют фольгированные диэлектрики, на которых формируется проводящий рисунок путем удаления фольги с непроводящих участков. Дополнительная химико-гальваническая металлизация монтажных отверстий привела к созданию комбинированных методов изготовления ПП.

Аддитивные методы основаны на избирательном осаждении токопроводящего покрытия на диэлектрическое основание, на которое предварительно может наноситься слой клеевой композиции.

По сравнению с субтрактивными они обладают следующими преимуществами:

? однородностью структуры, так как проводники и металлизация отверстий получаются в едином химико-гальваническом процессе;

? устраняют протравливание элементов печатного монтажа;

? улучшают равномерность толщины металлизированного слоя в отверстиях;

? повышают плотность печатного монтажа;

? упрощают ТП из-за устранения ряда операций.

Несмотря на описанные преимущества, применение аддитивного метода в массовом производстве ПП ограничено низкой производительностью процесса химической металлизации, интенсивным воздействием электролитов на диэлектрик, трудностью получения металлических покрытий с хорошей адгезией.

Поскольку тип конструкции печатной платы - ОПП, она будет изготавливаться химическим методом.

4. Расчет электрических параметров электронного модуля

Расчет элементов печатного рисунка проводим согласно стандарту ГОСТ 23751-86 [5]. Определяем минимальную ширину печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления, мм:

 (4.1)

где Imax - максимальный постоянный ток через проводник, А (определяется из анализа электрической схемы);

jдоп - допустимая плотность тока, выбираемая в зависимости от метода изготовления ПП (20 А/мм2 при химическом методе);

t - толщина проводника, мм.

Определяем номинальное значение диаметров монтажных отверстий, мм:

(4.2)

где dЭ - максимальный диаметр вывода устанавливаемого ИЭТ, мм; ?dН.О - нижнее предельное отклонение от номинального диаметра

монтажного отверстия (определяется классом точности ПП и диаметром отверстия) , мм;

r - разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ИЭТ, ее выбирают в пределах 0,1…0,4 мм.

Исходя из рекомендаций ГОСТ 10317-79 выбираем ближайшее стандартное, равное 0,8 мм.

Минимальный диаметр контактных площадок:

где D1min - минимальный эффективный диаметр площадки

(4.3)

(4.4)

где bM - расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки;

дd и дp - допуски на расположение отверстий и контактных площадок; dmax - максимальный диаметр просверленного отверстия.

(4.5)

где ?d - допуск на отверстие.

Рассчитаем диаметр контактных площадок для переходных отверстий. Максимальный диаметр контактной площадки:

(4.6)

Подставив числовые значения в формулы, определим диаметр контактных площадок, мм:

Определим ширину проводников. Минимальная ширина проводников, мм:

 (4.7)

где b1min - минимальная эффективная ширина проводника. Максимальная ширина проводника, мм:

(4.8)

Определим минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка. Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой:

(4.9)

где L0 - расстояние между центрами рассматриваемых элементов; дl - допуск на расположение проводников.

Подставив числовые значения в формулу, определим минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой:

Минимальное расстояние между двумя проводниками, мм:

(4.10)

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками, мм:

(4.11)

После проведения выше изложенных расчетов можно сделать вывод о том, что параметры печатного монтажа отвечают требованиям, предъявляемым к платам 3-го класса точности.

Для расчета паразитной емкости и индуктивности выберем два параллельно идущих проводника на ПП. Выберем два проводника, которые имеют близко расположенный параллельный участок (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 - Выбор проводников для расчета паразитных связей

Взаимная емкость линий связи можно определить по формуле, Ф:

(4.12)

где д - расстояние между проводниками.д=0,6 мм;

еr - относительная диэлектрическая проницаемость среды между проводниками., еr=5;

l - длина области связи проводников. l=4,06 мм. W - толщина проводника, W=35мкм;

b - ширина проводника b=0,25мм.

Определяем взаимную индуктивность линий связи по формуле, Гн:

(4.13)

5. Расчет механических характеристик электронного модуля

Масса элементов на плате сведена в таблицу 5.1.

Таблица 5.1 - Масса элементов

Наименование	Количество	Масса, г	Общая масса, г
Конденсатор	7	0,2	1,4
Резистор	7	0,2	1,4
Микросхема	1	0,4	0,4
Вилка Ч2	2	0,2	0,6
Итого:			3,8

Массу печатной платы МПП, г, можно определить по формуле 5.1.

(5.1)

где r - плотность материала платы, для стеклотекстолита 1.6 г/см3; a, b, h ? соответственно длина, ширина и толщина платы, см.

Наиболее устойчивым положением обладает печатная плата, закрепленная по всему периметру. Этого можно достичь при закреплении платы с помощью четырех крепежных элементов (винтов, болтов). Значение первой собственной частоты печатной платы, закрепленной по углам в четырёх точках, можно определить с помощью формулы, Гц:

 (5.2)

где - цилиндрическая жёсткость платы, Н•м;

E - модуль упругости материала платы;

М - масса платы с элементами (ИМС, ЭРЭ и т.д.); г - коэффициент Пуассона для материала платы.

Такие воздействия на печатную плату действовать не будут.

Заключение

В ходе курсового проектирования был спроектирован печатный модуль активного фильтра нижних частот четвертого порядка. Блок спроектирован на односторонней печатной плате с преобладанием поверхностно-монтируемых элементов.

Проектирование сопровождалось следующими расчетами:

? расчет электрических характеристик;

? расчет массы элементов и печатной платы;

? расчет собственной частоты печатной платы. Разработаны необходимые чертежи:

? чертеж схемы электрической принципиальной;

? чертеж платы печатной;

Много времени было потрачено на оформление конструкторской документации.

Список использованных источников

[1] Фильтры нижних частот [Электронный ресурс] / Электрон. дан. - Электронный портал «Аналоговые измерительные устройства». Режим доступа: http://analogiu.ru/6/6-5-2-1.html , свободный. Загл. - с экрана. Яз. рус.

[2] ГОСТ 15150-69 Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды.

[3] ГОСТ 16019-2001 Аппаратура сухопутной подвижной радиосвязи. Требования по стойкости к воздействию механических и климатических факторов и методы испытаний.

[4] Радиоэлектронная аппаратура и основы её конструкторского проектирования: учеб.-метод. пособие / Н. И. Каленкович [и др. ] ; под ред. С. М. Боровикова. - Минск: БГУИР, 2014. - 187 с.: ил.

[5] ГОСТ 23751-86 Платы печатные. Основные параметры конструкции.

Размещено на Allbest.ru