ФЭА / АИТ / Курсовая работа "Счетчик времени телефонных разговоров "
(автор - student, добавлено - 9-04-2014, 13:28)
СКАЧАТЬ:
Введение Под проектированием понимается процесс создания прототипа прообраза объекта, необходимого для изготовления объекта. Под объектом проектирования понимают любой объект еще не существующий в действительности. Это могут быть машины, процессы, вычислительные системы, системы управления и т. д. В процессе проектирования приходится перерабатывать и использовать большое количество информации, технических данных, большое количество вычислений. Поэтому в современных системах проектирования активно используют систему автоматического проектирования (САПР). САПР – это комплекс программно – технических средств автоматического проектирования взаимосвязанных с необходимыми подразделениями проектной организации, выполняющих автоматическое проектирование. В данной курсовой работе будет проектироваться печатная плата для электрической схемы счетчика времени телефонных разговоров. Печатная плата это изделие, представляющее собой изоляционное основание с нанесённым на его поверхность плоскими печатными проводниками, монтажом или печатной схемой. Основными достоинствами печатных плат являются:
Основным направлением при разработке и создании печатных плат является широкое применение автоматизированных методов проектирования с использованием ЭВМ, что значительно облегчает процесс разработки и сокращает продолжительность всего технологического цикла. В данной курсовой работе для создания печатной платы будет использована программа DipTrace. Эта программа автоматически проектирует печатную и монтажную плату изделия по ее электрической схеме, имеет большой выбор элементов около 40 тысяч, возможность редактирования элементов и корпусов; удобство и простота при ее использовании значительно экономит время и средства. Хотя существует множество программ для проектирования печатных плат, но в силу вышеперечисленных качеств DipTrace стала основной программой при проектировании данной платы. После моделирования составления прообраза объекта, в нашем случае печатной платы, приступают к ее технической реализации. Но это уже другой этап проектирования, который в данной курсовой работе не рассматривается.
Устройство и принцип работы прибора Счетчик времени телефонных разговоров (приложение 1) предназначен для поминутного учета времени исходящих телефонных разговоров в телефонных сетях с импульсным набором номера абонента и напряжением 60 В. Время разговора учитывается автоматически через 6 с после окончания набора шестизначного номера абонента. Информация о времени текущего разговора и суммарном времени разговоров за месяц индицируется одновременно на двух табло с максимальными показаниями 99 с и 999 мин соответственно. Сброс показаний индикатора времени текущего разговора происходит автоматически после возвращения телефонной трубки в исходное положение. Показания суммарного времени разговоров сбрасывают вручную ежемесячно. Для ограничения времени разговоров в счетчике предусмотрена звуковая сигнализация через каждые 10 мин разговора. Питается устройство от сети переменного тока 220 В 50 Гц, потребляемая мощность – менее 1 Вт. Счетчик имеет высокое входное сопротивление и практически не оказывает влияния на работу телефонного аппарата или линии. Он может работать с любыми абонентскими телефонными аппаратами, имеющими дисковые или кнопочные номеронабиратели, с бесшнуровыми телефонами. Схема устройства показана в приложении 1. Датчиком положения телефонной трубки служит делитель напряжения R1R2. При напряжении в линии 60 В (в дежурном режиме) напряжение на резисторе R2 равно приблизительно 10 В, а при поднятии телефонной трубки – менее 1 В. Для микросхем К561ЛЕ5, примененных в счетчике, это соответствует высокому и низкому уровню. С выхода делителя напряжения R1R2 сигнал поступает на вход ждущего мультивибратора собранного на элементах DD1.3 и DD1.4. Для подавления вызывных сигналов и импульсных помех служит конденсатор С1. В дежурном режиме на выходе ждущего мультивибратора присутствует высокий уровень. Импульсов на выходах микросхемы DD6 нет, так как на входы R счетчиков DD6 поступает запрещающий высокий уровень с выхода RS – триггера DD3.1, DD3.2. Счетчики DD7 и DD8 находятся в обнуленном состоянии из – за наличия на их входах S и R, поступающего с выхода элемента DD2.3. На индикаторах HG1, HG2 горят только сегменты «g», сигнализирующие о работе счетчика в дежурном режиме. Счетчики DD9 – DD11 сохраняют записанную раннее информацию, так как на их входах S присутствуют низкий уровень. При нажатии кнопки SB1 цепь R20C9 формирует импульс высокого уровня, который переводит эти счетчики в нулевое состояние. Индикаторы HG3 – HG5 погашены, так как на их сетки подан низкий уровень с выхода элемента DD2.4 (через ключ на транзисторе VT2). При поднятии телефонной трубки на входе и выходе ждущего мультивибратора DD1.3, DD1.4 устанавливается низкий уровень. На выходах элементов DD2.4 и DD2.3 уровни меняются на противоположные. На сетки индикаторов HG3 – HG5 через транзисторный ключ VT2 поступает высокий уровень. Индикаторы HG3 – HG5 показывают записанную в счетчики DD9 – DD11 информацию или нули, если было произведено обнуление счетчиков. На входы S и R счетчиков DD7, DD8 поступает низкий уровень, и на индикаторах HG1, HG2 высвечиваются нули. На выходе RS – триггера DD3.1, DD3.2 сохраняется высокий уровень и кварцевый генератор микросхемы DD6 остается в ждущем режиме. Десятичный счетчик DD5, управляющий состоянием RS – триггера, обнуляется импульсом высокого уровня, сформированным дифференцирующей цепью R12C6 по перепаду напряжения на выходе инвертора DD2.2. Этот перепад возникает при поднятии телефонной трубки. С началом набора номера на вход ждущего мультивибратора DD1.3, DD1.4 поступают серии от одного до 10 импульсов в каждой, в зависимости от набираемой цифры. Рассматриваемый вариант устройства рассчитан на шестизначный телефонный номер. Ждущий мультивибратор из поступающих на его вход импульсов набора номера формирует прямоугольные импульсы длительностью 70…75 мс. Эти импульсы приходят на транзисторный ключ VT1 и буфер инвертор DD1.1. Цепь R10C5 подавляет импульсы набора номера на входе триггера Шмитта DD2.4, DD2.3, выходные уровни которого будут зависеть только от положения телефонной трубки. Интегрирующая цепь R5C3 вместе с транзисторным ключом VT1 формирует огибающие серии импульсов набора номера, которые поступают на триггера Шмитта DD3.4, DD3.3. На выходе элемента DD3.4 возникает последовательность импульсов, число которых равно числу цифр набираемого номера. Через помехоподавляющую цепь R8C4 эти импульсы поступают на тактовый вход CN десятичного счетчика DD5. Когда приходит шестой импульс, на выходе 6 (выв. 5) счетчика появляется высокий уровень, который переключает RS – триггер DD3.1, DD3.2. На выходе RS – триггера возникает низкий уровень, который благодаря цепи R17C10 чрез 6 с разрешает работу счетчикам микросхемы DD6. Через 1 мин на выходе М счетчика DD6 появляется последовательность минутных импульсов, которые поступают далее на счетчики DD8 и DD11. Счет минутных импульсов происходит до окончания разговора, то есть до возвращения телефонной трубки в исходное положение. На входе и выходе ждущего мультивибратора DD1.3, DD1.4 при этом устанавливается высокий уровень, и устройство возвращается в дежурный режим. При наборе более шести цифр номера на выходе 7 (выв. 6) счетчика DD5 появится высокий уровень, который поступит на вход RS – триггера DD3.1, DD3.2 и переключит его в исходное состояние. Таким образом, время междугородных разговоров не будет учтено. Для подачи звукового сигнала через каждые 10 мин разговора на вывод 9 элемента совпадения DD4.3 через элементы DD2.1 и DD4.4 приходят импульсы Р счетчика DD8. На другой вход элемента DD4.3 с выхода F счетчика DD6 поступают импульсы с частотой следования 1024 Гц. При совпадении этих импульсов по времени на выходе DD4.3 появляется сигнал звуковой частоты длительностью 0,5 с. Усиленный по мощности параллельно включенными элементами DD4.1 и DD4.2 сигнал поступает на пьезоэлектрический преобразователь НА 1. Блок питания устройства содержит параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне VD13 и эмиттерный повторитель на транзисторе VT3. Диод VD14 предотвращает разрядку батареи аварийного питания GB1 при наличии сетевого напряжения 220 В. В некоторых телефонных аппаратах это устройство можно разметить внутри корпуса. Для улучшения зрительного восприятия показаний счетчика индикаторы должны быть закрыты светофильтром из органического стекла зеленого или голубого цвета. Все резисторы – МЛТ. Конденсаторы С1 – С3, С9, С13 – КМ-6, МБМ; С4, С6, С7, С8 – КТ-1, КСО-1 и др. Микросхемы серий К176 и К561 могут быть заменены аналогичными из других серий –564, К1561. Особой наладки устройство не требует. После проверки правильности монтажа и работоспособности блока питания счетчик подключается к телефонной линии. Подбором резистора R2 добиваются переключения элементов DD1.3 и DD1.4 при снятии трубки. Следует иметь в виду, что показания счетчика за месяц все же будут незначительно отличаться от показаний счетчика АТС, так как АТС считает именно время соединения, а предлагаемое устройство – интервал времени спустя 6 с от окончания набора. В начале каждого месяца нажатием кнопки SB1 нужно обнулять счетчик суммарного времени разговора. При обрыве или замыкании телефонной линии счетчик автоматически включается, учет времени при этом не производится. Описание применяемых микросхем и элементов Программа DipTrace имеет свои билиотеки, в которых находятся более 40 тысяч микросхем и элементов от различных зарубежных производителей. Так как данная схема состоит только из отечественных микросхем, то для построения соответствующей печатной платы нам необходимо найти зарубежные аналоги отечественных микросхем. Также, нам необходимо будет разобраться с соответствием выводов зарубежных микросхем выводам отечественных. В электрической схеме используется четыре различные микросхемы. Это К176ИЕ4, К561ЛЕ5, К561ИЕ8, К176ИЕ12. Опишем каждую микросхему и ее зарубежный аналог. Микросхема К176ИЕ4 Микросхема К176ИЕ4 – десятичный счетчик, который снабжен дешифратором для «зажигания» элементов семисегментных индикаторов (рис 1). Тактовая частота f подается на вывод 4. На выводах 2 и 3 получим частоты f/10 и f/4. Выводы 8…13 и 1 – это выходы для присоединения к каждому из семи сегментов цифрового индикатора HG1. Сброс показаний индикатора дается по входу R: на вывод 5 подаем единицу. Зарубежным аналогом данной микросхемы является счетчик CD4024A.
Рис. 1. Микросхема К176ИЕ4 Электрические параметры: Номинальное напряжение питания................................................. 9В±5% Выходное напряжение низкого уровня......................................... <= 0,3 В Выходное напряжение высокого уровня...................................... >= 8,2 В Входной ток низкого уровня ................................................... <= -0,5 мкА Выходной ток высокого уровня................................................ >= 0,5 мкА Ток потребления ....................................................................... <= 0,25 мА Ток потребления в динамическом режиме.................................. <= 0,3 мА Максимальная мощность........................................................... <= 21 мВт Тактовая частота деления............................................................. >= 1 Мгц Потребляемая мощность 300 мВт
Микросхема К561ЛЕ5 Микросхема К561ЛЕ выполняет логическую функцию ИЛИ – НЕ.
Рис. 2 Микросхема и таблица истинности К561ЛЕ5. Это видно из таблицы истинности (рис. 2). Зарубежным аналогом является микросхема CD4001. Электрические параметры: Напряжение питания......................................................................... 3..15 В Выходное напряжение низкого уровня........................................ <= 0,01В Выходное напряжение высокого уровня: при UП=10 В................................................................... >= 9,99 В при UП=5 В..................................................................... >= 4,99 В Ток потребления: при UП= 5 В.................................................................. <= 0,5 мкА при UП= 10 В................................................................... <= 5 мкА Минимальное выходное напряжение низкого уровня: при UП=10 В...................................................................... <=2,9 В при UП=5 В...................................................................... <=0,95 В Минимальное выходное напряжение высокого уровня: при UП=10 В..................................................................... >= 7,2 В при UП=5 В....................................................................... >= 3,6 В Входной ток низкого (высокого) уровня при UП= 10В............ <=0,2 мкА Выходной ток низкого уровня: при UП=10 В.................................................................. >= 0,6 мА при UП=5 В.................................................................... >= 0,3 мА Выходной ток высокого уровня: при UП=10 В.................................................................. >= 0,3 мА при UП=5 В.................................................................. >= 0,25 мА Время задержки распространения при включении: при UП= 5 В.................................................................... <= 180 нс при UП= 10 В.................................................................. <= 115 нс Время задержки распространения при включении: при UП= 5 В.................................................................... <= 260 нс при UП= 10 В.................................................................. <= 130 нс Микросхема К561ИЕ8 Микросхема К561ИЕ8 – это десятичный счетчик делитель. Зарубежным аналогом является счетчик CD4017. Электрические параметры: Номинальное напряжение питания.................................................. 9В±5% Выходное напряжение низкого уровня......................................... <= 0,3 В Выходное напряжение высокого уровня...................................... >= 8,2 В Входной ток низкого уровня ................................................... <= -0,3 мкА Выходной ток высокого уровня................................................ >= 0,3 мкА Ток потребления ....................................................................... <= 100 мкА Ток потребления в динамическом режиме................................ <= 0,15 мА Тактовая частота деления............................................................. >= 2 Мгц Входная емкость.................................................................................................. <= 14 пФ Микросхема К561ИЕ12 Микросхема К561ИЕ12 (рис. 3) содержит два двоичных счетчика - делителя и генераторную часть. Микросхема специализирована для работы в электронных часах с динамической индикацией. Зарубежным аналогом является ММ5368 и МС14520А. Электрические параметры:
Номинальное напряжение питания………………………………... 9В±5% Выходное напряжение низкого уровня......................................... <= 0,3 В Выходное напряжение высокого уровня...................................... >= 8,2 В Входной ток низкого уровня ................................................... <= -0,3 мкА Выходной ток высокого уровня................................................ >= 0,3 мкА Ток потребления ......................................................................... <= 25 мкА Ток потребления в динамическом режиме.................................. <= 0,3 мА Тактовая частота деления.......................................................... >= 1,2 Мгц Входная емкость…………………………………………………….<= 10 пФ Все остальные элементы схемы, в частности, конденсаторы, диоды, резисторы, транзисторы мы берем из стандартной элементной базы discrete библиотеки DipTrace, речь о которой пойдет ниже. Так как нам необходимо спроектировать лишь печатную плату, строгое соответствие отечественных аналоговых элементов зарубежным элементам не так важно, важно лишь, чтобы количество выводов отечественных и зарубежных элементов было одинаковым. Структура печатной платы Основой печатной платы, далее (ПП), является подложка из стеклотекстолита - диэлектрика, представляющего собой спрессованные листы стеклоткани, пропитанной эпоксидным компаундом (смолой). На поверхности стеклотекстолита находится токопроводящий слой медной фольги (проводник). Типовая толщина проводника - 0,035 и 0,018мм. Этот слой является обязательным для всех классов ПП. После проведения определенных технологических операций, остаются только нужные элементы этого проводника (токопроводящие "дорожки", контактные площадки). В зависимости от того, сколько таких слоев имеет ПП, она может попадать в один из трех нижеприведенных классов: 1. Односторонние (однослойные). Проводник присутствует только на одной стороне ПП. 2. Двухсторонние (двухслойные). Проводник присутствует на обеих сторонах ПП. 3. Многослойные. Они представляют собой как бы слоеный пирог из двухсторонних плат, между которыми проложены прокладки из стеклоткани, пропитанной в эпоксидной смоле. Типовая толщина ПП - 1,6 мм, бывает также 0,8; 1,2; 2,0 мм. Эти толщины обеспечиваются количеством листов стеклоткани. Как правило, на ПП наносится паяльная маска (она же "зеленка") - слой прочного материала, предназначенного для защиты проводников от попадания припоя и флюса при пайке, а также от перегрева. Маска закрывает основную часть поверхности ПП и оставляет открытыми только контактные площадки, которые будут использоваться в дальнейшем при монтаже (пайке), радиоэлектронных компонентов на эту ПП. Кроме паяльной маски на ПП наносят маркировку. Маркировка наносится краской на поверхность ПП, специализированным методом, называемым сеткография или фотопроявление. Применяется для удобства монтажа (пайки) радиоэлектронных компонентов на ПП. Она может нести в себе следующую информацию: контур компонента, его сокращенное название и позиционное расположение на ПП, а также другую техническую информацию. Классы точностиВсе изготавливаемые ПП, должны соответствовать так называемым классам точности, то по какому классу точности будет изготовлена ПП, зависит от комплекса технологических возможностей производства. В последнее время при проектировании и производстве ПП обычно применяют 3, 4 и 5 классы точности. Ниже приведены основные требования по классам. Третий класс точности. Включает в себя следующие технологические требования:
Четвертый класс точности. Включает в себя следующие технологические требования:
Пятый класс точности. Включает в себя следующие технологические требования:
Для нашей схемы наиболее подходящим вариантом будет двухслойная печатная плата с третьим классом точности. Описание программы по проектированию печатных плат Программный пакет DipTrace представляет собой полнофункциональную систему для разработки принципиальных схем и печатных плат. Включает в себя четыре программы:
3. ComEdit - редактор корпусов для печатной платы. Работа сопровождается подсветкой редактируемых объектов и связанных с ними (в зависимости от ситуации) для улучшения наглядного восприятия платы или принципиальной схемы. Редактирование одного объекта ведет за собой соответствующие изменения связанных с ним: система не допускает "висящих в воздухе" связей или сетей, поскольку при построении сразу создается логическая структура принципиальной схемы или платы, изменять которую можно как в наглядном режиме (рисование), так и указывая связи в табличном виде. Основное окно программы состоит из области построения принципиальной схемы (рис 3), главного меню, панелей инструментов, строки состояния. В области построения производится создание и редактирование объектов из которых состоит принципиальная схема (компонентов, сетей, шин, межстраничных переходов и графических объектов).
Объекты - содержит инструменты создания и редактирования связей, шин, установки компонентов и межстраничных переходов, создания графических элементов, текста и таблиц. Проектирование печатной платы
Некоторые элементы могут отсутствовать в библиотеках программы. В таком случае придется редактировать необходимый элемент в редакторе корпусов ComEdit. После того, как все элементы схемы найдены – рисуем связи с помощью инструментов на стандартной панели и получаем готовую электрическую схему (приложение 2).
Чтобы получить плату нам необходимо сделать трассировку. Перед трассировкой перетащим элементы с помощью мыши поплотнее, чтобы плата получилась как можно компактнее. Однако при перетаскивании следует учесть, чтобы линии связи как можно меньше перекрещивались и накладывались друг на друга, так как при трассировке возможны ошибки. Затем запускаем автотрассировку: Трассировка _ Запуск. Программа автоматически создает дорожки, слои платы и оптимизирует линии. После этого проверяем ошибки трассировки и если они есть исправляем их в ручную. С помощью команды Вид _ Объекты можем показать монтажную плату, подписать все элементы и т. д. Плата двухслойная. Спроектированная плата дана в приложении 3, монтажная плата дана в приложении 4. Теперь осталось только изготовить плату. Обычно, стандартные платы изготавливают из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Фольга со стороны деталей используется лишь в качестве нулевого провода-«земли»; в местах пропуска проводников в ней вытравлены фрагменты той или иной конфигурации. Место пайки к нуль -фольге «заземляемого» вывода резистора, конденсатора и др. показано зачерненным квадратом. Изготовлением плат занимаются различные фирмы, изготовить ПП в домашних условиях очень трудно, а иногда и невозможно.
Заключение При применении печатных плат (вместо традиционного монтажа проводниками) увеличивается плотность монтажа и появляется возможность микроминиатюризации изделий; печатные проводники образуются за один технологический цикл; повышается стабильность качеств и надёжность изделий в целом; появляется возможность комплексной автоматизации монтажных работ; снижаются трудоёмкость изготовления, себестоимость и материалоёмкость. Печатные платы - изделия своеобразные по устройству и способу изготовления. Соответственно это обстоятельство отражается на чертежах печатных плат. Применение САПР значительно облегчает проектирование печатных плат. В процессе выполнения данной курсовой работы была спроектирована печатная плата и монтажная схема для изготовления счетчика времени телефонных разговоров с помощью специализированного программного обеспечения САПР DipTrace. В результате выполнения данного курсового проекта была изучена программа DipTrace. Были изучены отечественные микросхемы и их зарубежные аналоги; рассмотрены виды печатных плат их классы точности. Дополнительно были освоены новый пакеты прикладных программ DipTrace V 1.21.R6 и CircuitMaker 2000 (TraxMaker 2000) для проектирования печатных плат, в которых была произведена сборка принципиальной электрической схемы и проектирование печатной платы с оптимизацией расположения элементов и проводников на печатной плате.
Список литературы
|
|