Проектирование частотомера цифрового на PIC контроллере

Мое изделие частотомер цифровой выполнено по электрической принципиальной схеме, имеет функциональную законченность.

Компоновка выполнена из стандартных комплектующих ЭРИ промышленного изготовления, установленных на основании платы печатной.

Проанализировав техническое задание и учитывая условия эксплуатации изделия нормальные, а так же допускаемые значения воздействующих факторов по 4 группам жесткости в соответствии с ГОСТ 23752-79 Платы печатные. ОТУ, устанавливаем - плата должна соответствовать ГОСТ 23752-79 группа жесткости 1.

Обеспечить простоту сборки и уменьшить массогабариты конструкции, использовать возможность автоматизации и механизации в производстве при сборке и монтаже, нам поможет выбор печатного монтажа.

При печатном монтаже электрические соединения элементов электрического модуля выполнены с помощью печатных проводников. Печатный монтаж является групповым монтажом, что позволяет получить все соединения (электрические) за один технологический цикл, обеспечивая технологичность конструкции. Поэтому мы выбираем основным элементом конструкции деталь: плата печатная.

Применение печатной платы позволяет получить значительное повышение плотности межсоединений и возможность миниатюризации конструкции. Печатная плата гарантирует стабильную повторяемость электрических параметров от образца к образцу, отсутствие монтажных ошибок, высокую идентичность электрических и конструктивных параметров, повышает надежность и качество аппаратуры, уменьшает трудоемкость и себестоимость изделия, повышает производительность труда за счет использования механизированного и авторизированного оборудования при ее изготовлении по типовым технологическим процессам. Таким образом, технологичность конструкции обеспечивается.

Используя государственные и отраслевые стандарты ГОСТ 29137-91 Формовка выводов и установка изделий электронной техники на печатные платы. Общие требования и нормы конструирования, выполняем компоновку одним из выбранных методом. Выбираем габаритные размеры ЭРИ, установочные и присоединительные, опр

деляем варианты установки на плату. Производим электрическое соединение ЭРИ печатными проводниками, условно изображая и в виде линий. Трассировку соединений на ПП выполняем в соответствии с требованиями ГОСТ 2.417-91 Платы печатные. Правила оформления чертежей. Выбираем габаритные размеры и конфигурацию платы печатной, учитывая требования ГОСТ 10317-79 Платы печатные. Основные размеры.

В результате компоновки получена печатная плата простой прямоугольной формы, минимальными для нашей схемы габаритными размерами (90 х 40), размеры сторон кратны 2,5 и соотношение сторон близки 2:1.

Выбираем толщину платы с учетом нагрузки по ГОСТ 23751- 86, она равна 1,5 мм. Выбираем материал для печатной платы по ГОСТ 10316-78 Гетинакс и стеклотекстолит фольгированные. ТУ.

При повышенной влажности и тепловых воздействиях целесообразно использовать не дорогой, но обладающий хорошими эксплуатационными характеристиками стеклотекстолит фольгированный СФ-1(2)-35-1,5.

Эти материалы стандартизированы, имеют промышленный выпуск и гарантию качества, они недефицитны, недороги, имеют удовлетворительную обрабатываемость. Их применение повышают технологичность конструкции.

По конструктивным особенностям печатные платы с жестким основанием делятся на типы односторонние (ОПП), двухсторонние (ДПП) и многослойные (МПП). Выполняя компоновку, необходимо стремиться разместить проводники так, чтобы получить ОПП.

При разработке изделия я применил одностороннюю печатную плату. Односторонние печатные платы имеют низкую стоимость, высокую надежность, компоненты устанавливаются на стороне платы, свободной от монтажа и корпуса ЭРИ не требуют дополнительной изоляции от платы (зазора или детали - прокладка), точность выполнения рисунка высокая, не требуется металлизация отверстий, и мы можем использовать химический метод изготовления ПП.

Определяем класс точности печатной платы. По точности выполнения элементов проводящего рисунка печатные платы делятся на 5 классов ГОСТ 23751-86 Платы печатные. Основные параметры конструкции. Выбираем класс точности 3, являющейся характерным для печатных плат с микросхемами. Плата средней насыщенности. Имеются узкие места. Печатные платы 3 класса точности сравнительно просты в изготовлении, надежны в эксплуатации, имеют невысокую стоимость.

В случае использования проектируемого изделия в условиях повышенной влажности, для защиты внешних паяных соединений от коррозии применяем лак ЗП-730 В2.4, бесцветный, ГОСТ20824-81. Это покрытие обладает высокой стойкостью к атмосферным воздействиям.

Габаритный размер печатного узла 90х40х15 мм.

Вывод: конструкция частотомера цифрового является технологичной, так как отвечает следующим требованиям:

1. проста и целесообразна;
2. имеет прямое функциональное назначение;
3. удовлетворяет требованиям миниатюризации;

-класс точности 3 (ГОСТ 23751-86), то есть точность изготовления  средняя, возможно использование  для получения ПП стандартного  оборудования;

1. в модуле максимально использованы нормализованные и стандартизованные изделия (ЭРИ);
2. материал платы: фольгированный стеклотекстолит недорогой и недефицитный, выпускаемый промышленно, имеет удовлетворительную обрабатываемость;
3. применение печатного монтажа увеличивает надежность конструкции; обеспечивает возможность серийного изготовления; применения механизированных и автоматизированных процессов производства, использования типовых ТП;
4. размеры и поверхность печатной платы имеют оптимальную точность и шероховатость: h 14 для габаритных размеров платы;

Н 12 - для крепежных отверстий;

Rz40 для металлизированных  отверстий и торцевых поверхностей;

Rz80 для не металлизированных  отверстий и торцевых поверхностей

- в печатной плате 3 типоразмера  монтажных отверстий.

Таким образом, на изготовление Преобразователя напряжения потребуется минимальное количество времени, труда и средств производства.

ПП устанавливаем внутри корпуса конструкции и крепим с помощью винтов М3, используя 3 отверстия диаметром 3,2Н12.  

 

 

 

1.5 Расчет надежности частотомера  цифрового. 

 

Надёжность это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации, технического обслуживания, ремонтов и транспортирования. Исходными данными для расчёта надёжности являются:

- схема электрическая  принципиальная Э3;

- перечень элементов;

- климатические и механические  условия эксплуатации.

Так как надежность - свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени. То надежность так же можно определить как физическое свойство изделия, которое зависит от количества и от качества входящих в него элементов, а так же от условий эксплуатации. Надежность характеризуется отказом.

Отказ - нарушение работоспособности изделия. Отказы могут быть постепенные и внезапные.

Постепенный отказ - вызывается в постепенном изменении параметров элементов схемы и конструкции.

Внезапный отказ - проявляется в виде скачкообразного изменения параметров радиоэлементов (РЭ).

Все изделия подразделяются на восстанавливаемые и невосстанавливаемые.

В работе изделия существуют 3 периода.

Рис.1.3. 

 

На рису

нке 1.3 показан график зависимости интенсивности отказов от времени эксплуатации.

1 - период приработки, характеризуется  приработочными отказами.

2 - период нормальной эксплуатации, характеризуется внезапными отказами.

3 - период износа - внезапные  и износовые отказы.

Понятие надежности включает в себя качественные и количественные характеристики.

Качественные характеристики:

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

- ремонтопригодность - свойство  изделия, приспособленность к :

1. предупреждению возможных причин возникновения отказа
2. обнаружению причин возникшего отказа или повреждения
3. устранению последствий возникшего отказа или повреждения путем ремонта или технического обслуживания

- долговечность - свойство  изделия сохранять работоспособность  до наступления предельного состояния (состояние при котором его  дальнейшее применение или восстановление  невозможно)

- сохраняемость - сохранение работоспособности при хранении и транспортировке.

Количественные характеристики:

-интенсивность отказа  ЭРЭ:i ;

- вероятность безотказной  работы: 

 

; (1.2) 

 

- средняя наработка на  отказ: 

 

Тср. = 1/; (1.3) 

 

- интенсивность отказа  изделия: 

 

= ++ ... + ; (1.4) 

 

- вероятность отказа: 

 

Q(t) = 1 P(t). (1.5) 

 

Рис. 1.4. 

 

Интенсивность отказов зависит так же от коэффициента нагрузки (Кн) и от температуры окружающей среды (tокр), которая влияет на коэффициент (коэффициент влияния температуры).

Для удобства расчета однотипных электрорадиоэлементов (ЭРЭ), находящихся в одинаковых температурных условиях и работающих в одинаковых (близких) эксплутационных режимах, можно объединить в одну группу.

Расчет надежности произвел с помощью программы АСРН.

Элементы принципиальной схемы, паяные соединения, печатные соединения заносятся в модуль 1 уровня, и производится расчет.

В результате расчета получаем следующие данные: 

 

Расчет надежности модуля: частотомер цифровойI. Основные исходные данные1. Расчет в режиме: эксплуатации2. Группа аппаратуры: 3.13. Температура окружающей среды С: 25II. Расчет суммарной интенсивности отказов входящих модулей и ЭРИ:

Таблица 1.2 Расчет надежности.Тип ЭРИКоличествоСхемная позицияlб (бсг) lэ, 1/ч lэ*n, 1/ч Полупроводниковые приборыКД252Б2VD1-VD2110-71.8910-80.3810-7КП313А1VT10.7210-71.1610-71.1610-7КТ399А2VT2-VT30.3210-71.8110-80.3610-7Знакосинтезирующие индикаторыHY-1602H71LCD10.8810-60.7910-50.7910-5Продолжение таблицы 1.2

Тип ЭРИКоличествоСхемная позицияlб (бсг) lэ, 1/ч lэ*n, 1/ч Кварцевый резонаторHC49/U1Q12.510-80.710-70.710-7РезисторыМЛТ-0,12511R1-R6,R8-R120.510-71.2110-71.3310-6СП3-221R72.810-81.1910-71.1910-7КонденсаторыК10, К739C1-C5, C7-C101.910-80.6510-80.5910-7К50-401С61.810-71.4910-71.4910-7ДросселиДМ-0,61L1210-90.910-80.910-8Коммутационные изделияМП2S1,S20.810-70.7710-81.5410-8Соединители низкочастотные и радиочастотныеСР-50, СР-751X11.510-81.210-81.210-8MOLEX1X21.910-81.4510-101.4510-10Соединенияпаяные135-0.6910-100.5510-90.7510-7проводники61-1.310-91.0410-80.6310-6Итого для модуля:1.0610-5 

 

В результате расчета получена суммарная интенсивность отказов схемы:

По формуле 1.3 определяем среднюю наработку на отказ: 

 

Tср=1/1,0610-5=94339 ч; 

 

 

 

Определяем вероятность безотказной работы по формуле 1.2 для пяти временных точек (t1=3104 ч, t2=6104 ч, t3=9,4104 ч, t4=12104 ч, t5=15104 ч,). 

 

Таблица 1.3. Вероятность безотказной работы. 

 

t104,ч369,41215Р(t)0,720,530,370,280,20

Строим график зависимости безотказной работы от времени для предлагаемой схемы (рис 1.5) 

 

Рис 1.5 

 

 

 

Вывод: Среднее время наработки до отказа составило 94339 часов. При работе по 24 часа в сутки устройство обеспечивает безотказную работу в течении десяти лет.  

 

 

 

1.6 Компоновка печатной  платы частотомера цифрового 

 

 

 

Процесс разработки печатной платы складывается из следующих операций:

а) компоновка печатной платы, в процессе которой находят оптимальное размещение навесных элементов на печатной плате, согласно электрической принципиальной схеме изделия. В результате компоновки находят положения контактных площадок для подключения всех элементов;

б) разводка печатных проводников ("трассировка"). Цель этой операции провести проводники, соединяющие контактные площадки, так, чтобы они имели минимальную длину, и минимальное число переходов на другие слои с целью устранения пересечений;

в) оформление чертежа с соблюдением требований стандартов.

Компоновка радиотехнического изделия это размещение на плоскости или в пространстве различных элементов изделия. Такими элементами могут быть радиодетали (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и т. п.), функциональные узлы различного конструктивного исполнения (модули, интегральные, микросхемы, микросборки и т. п.), блоки и приборы. В результате компоновки должны быть определены геометрические размеры, форма, ориентировочная масса изделия и взаимное расположение

всех элементов в конструкции.

При разработке компоновки радиотехнического изделия учитывают сложную совокупность факторов, связанных с особенностями функционирования в эксплуатации изделия, лектрическими взаимосвязями и тепловыми режимами внутри РЭА, геометрическими размерами и формой отдельных элементов конструкции.

Поэтому необходимо выполнять следующие требования:

1) между отдельными элементами, узлами, блоками, приборами должны  отсутствовать паразитные электрические  взаимосвязи, которые могут существенно  изменить характер полезных взаимосвязей  и нарушить нормальное функционирование  изделия;

2) тепловые поля, возникающие  в РЭА вследствие перегрева  отдельных элементов, не должны  ухудшать технические характеристики  аппаратуры;

3) необходимо обеспечить  легкий доступ к деталям, узлам, блокам в конструкции для контроля, ремонта и обслуживания. Расположение элементов конструкции должно также обеспечивать технологичность монтажа и сборки с учетом использования автоматизации этих процессов;

4) габариты и масса изделия  должны быть минимально возможными.

Паразитные обратные связи определяются взаимным расположением отдельных частей конструкции и соединяющих их проводников и могут возникать не только между отдельными элементами, но и между узлами, блоками, приборами, что нарушает устойчивость работы любой радиотехнической схемы.