СКАЧАТЬ:  bpu-3.zip [233,21 Kb] (cкачиваний: 112)

ВВЕДЕНИЕ

Под объектом проектирования понимают любой объект, еще не существующий в действительности. Цель проекта проектирования состоит в том, чтобы на основе априорной информации и апостериорной информации разработать техническую документацию, требуемую для изготовления объекта проектирования. Проектирование – процесс создания прототипа – прообраза объекта, необходимого для изготовления этого объекта. Проектирование по существу представляет собой процесс управления с обратной связью, где сначала идет техническое задание, затем – выбор структуры параметров и технических средств, а критерий сравнения – результаты проектирования.

Особенности проектирования сложных систем управления. При создании сложных технических систем временная регламентация работ обуславливает выделение этапов проектирования, а детализация представлений о системах и подсистемах с отображением их свойств с определенной степенью подробности обуславливает выделение уровней проектирования. Типовыми этапами проектирования являются следующие:

1. Этап научно-исследовательских работ, т.е. технического предложения. Данный этап оканчивается формулированием принципиальных возможностей построения системы, определением ее основных физических и технических средств, элементов структуры и программного обеспечения, анализом влияния различных видов отказов на основные характеристики системы и ее компонентов.
2. Этап эскизного проектирования. Включает в себя детальную проработку возможности построения системы, укрупненную, функционально-логическую и конструкторско-технологическую реализацию ее подсистем, синтез различных устройств или применение типовых решений, обеспечивающих выполнение заданного закона функционирования, а также защиту от отказов и сбоев в условиях влияния помех, а также эффективное преобразование информации и сопряжение подсистем друг с другом и с устройствами ввода-вывода и магистралями, разработку структуры программного обеспечения.
3. Этап технического и рабочего проектирования. Заканчивающиеся проработкой принятых программно-аппаратных решений, схемотехники и конструкций отдельных устройств, блоков, подсистем и системы в целом с учетом заданных технико-экономических критериев оптимизации, технических и эксплуатационных ограничений.
4. Этап рабочих испытаний. Оканчивающийся экспериментальной проверкой выбранных решений по системе, оценкой точностных, временных, надежностных характеристик на соответствия требованиям технического задания.

Уровни проектирования технических систем подразделяются на: алгоритмический, структурный, функционально-логический, схемотехнический, конструкторско-технологический.

На каждом из этих уровней решаются следующие вопросы. На алгоритмическом: построение системы в целом, анализа алгоритмов управления и обмена информацией. На структурном: укрупненного анализа и выбора принципов организации и архитектуры системы распределения и рационального соотношения выбора программных и аппаратных средств, определения состава структурных блоков и программных модулей, способов их взаимодействия и реконфигурации, формирования частных технических заданий на их разработку. На функционально-логическом: детализация по реализации функций отдельных подсистем и структурных блоков, технической, алгоритмической и программной реализации каждого из блоков и всей системы в целом с удовлетворением требованиям технического задания. На схемотехническом и конструкторско-технологическом уровнях производится завершение разработки блоков и подсистем с оформлением принципиально-электрических, функциональных и других схем, конструкторско-технологических чертежей и прочей необходимой документации.

I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. НАЗНАЧЕНИЕ БЛОКА ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ БПУ-3

Блок программного управления БПУ-3 входит в состав  автоматического пробоотборника ПРОБА-1М. Он автоматически управляет пробоотборником по заданной программе.

БПУ предназначен для выдачи управлявших сигналов на включение пробоотборника:

  – через заданные интервалы времени;

  – с частотой, пропорциональной количеству продукции, перекачиваемой по трубопроводу;

  – при поступлении внешней команды.

БПУ является составной частью автоматического пробоотборника "ПPOБA-1M".

БПУ относится к электрооборудование общего назначения и
предназначен для установки в невзрывоопасных помещениях. Исполнение БПУ для работы при температуре от + 5 до + 50 °С. 

1.2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ БПУ-3

Блок программного управления работает при следующих параметрах питания:

1)  род тока – переменный, однофазный;

2)  напряжение – 220 В;

3)  частота (50 ± 1) Гц.

Параметры входных сигналов 

На вход БПУ поступают импульсные входные электрические сигналы с амплитудой – 12 ± 2,4 В и длительностью не менее 1 мс.

Интервал времени между поступлением импульсов по каналу ОБЪЁМ  не менее  , где  К – число, установленное на переключателе ПЕРИОД ОТБОРА.

Интервал времени между поступлением импульсов по каналу ОТБОР ВНЕШНИЙ не менее 20 с.

Если входной сигнал – неэлектрический, т.е. поступает по каналу ОБЪЕМ , происходит замыкание контактов. Длительность замкнутого состояния – от 5 до 100 мс, интервал времени между замыканиями контактов не менее  .

 Параметры выходных сигналов

 По каналу управления пробоотборником сигнал импульсный с амплитудой от 140 до 210 при токе нагрузки не более 1А. Длительность импульса питания 5 ± 0,5 с  с интервалом между импульсами не менее 20 с.

Длительность N может быть установлена любая от 1 до 15 секунд с шагом, кратным секунде.

По каналу управления пробоотборником сигнал импульсный с амплитудой от 12 ± 1,2 В при токе нагрузки 10 ± 3 А. Длительность импульса не менее 1 мс. 

Канал управления внешней сигнализацией. Ток в цепи сигнализации не  более 0,3 А, напряжение внешнего источника в цепи сигнализации не более 24 В.

1.3.  РЕЖИМЫ РАБОТЫ БЛОКА ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ

БПУ управляет пробоотборником в режимах:

1)  объем;

2)  время;

3)  отбор внешний;

4)  отбор ручной.

БПУ в режимах объём (ОБЪЕМ , ОБЪЕМ ) обеспечивает включение пробоотборника при поступлении на его вход любого заданного (от 1 до 99) числа импульсов (замыканий контакта), представлявших количество протекающего продукта.

БПУ в режиме работы ВРЕМЯ обеспечивает включение пробоотборника через заданные дискретные секундам интервалы времени от (N + 1) с до 99 с, и через заданные дискретные минутам интервалы времени от 1 минуты до 99 минут.

БПУ в режиме ОТБОР ВНЕШНИЙ обеспечивает включение пробоотборника при поступлении внешних электрических импульсов. Интервал времени должен быть не менее (N + 1) с. Число циклов отбора устанавливается внешней программой.

БПУ в режиме ОТБОР (ручной) обеспечивает включение пробоотборника при каждом нажатии кнопки ОТБОР на передней панели БПУ. Нажатие кнопки отбор производить при погасании светодиода ОТБОР.

1.4. ОПИСАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ БПУ-3

Режимы работы БПУ задается переключателем РЕЖИМ. Верхнее положение клювика любого одного из переключателей (осталь­ные два - вниз) задает режим работы БПУ.

Выполнение отбора вручную или внешней командой необходимо производить при верхнем положении клювика любого незадействованного переключателя ОБЪЁМ (другой ОБЪЁМ и ВРЕМЯ - вниз).

При нижнем положении клювиков переключателей РЕЖИМ БПУ рабо­тает в режиме КОНТРОЛЬ.

При нажатии кнопки ПУСК или подаче команды ПУСК ВНЕШНИЙ происходит обнуление счетчиков (структурная схема представлена на рис. 1.):

-    генератора временных интервалов;

-    ПЕРИОД ОТБОРА;

-    ЦИКЛЫ.

Коммутатор получает от триггера 2 команду, разрешающую прохождение импульсов, соответствующих выбранному режиму ра­боты на вход счетчика ПЕРИОД ОТБОРА.

При поступлении на вход счетчика ПЕРИОД ОТБОРА ко­личества импульсов, соответствующих числу, установленному на переключателях ПЕРИОД ОТБОРА, счетчик обнуляется. Импульс обнуления запускает триггер 1 (1-15) с, выход которого через усилитель мощности включает пробоотборник.

При этом загорается светодиод ОТБОР.

По истечении установленного времени (любое, в пределах от 1 до 15 секунд с дискретностью в одну секунду) триггер 1 возвращается в исходное состояние, пробоотборник выключается, на вход счетчика ЦИКЛЫ поступает импульс, погасает светодиод ОТБОР.

При поступлении на вход счетчика ЦИКЛЫ количества импульсов, соответствующих числу, установленному на переключателях ЦИКЛЫ, счетчик обнуляется. Импульс сброса переключает триггер 2. Выход триггера 2 запрещает прохождение импульсов через коммутатор, через ждущий мультивибратор вырабатывает импульс управления последующим БПУ-3, через усилитель мощности включает цепь внешней сигнализации. При этом загорается светодиод ОТБОР ЗАКОНЧЕН. БПУ прекращает выдачу управляющих сигналов на пробоотборник до повторного нажатия кнопки ПУСК или подачи сигнала ПУСК извне.

1.5. ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ БПУ

Блок программного управления БПУ-3 имеет следующие составные части:

• трансформатор;
• модуль индикации;
• модуль силовой;
• модуль формирователей;
• каркас.

Составные части блока, органы управления коммутации собраны на каркасе.

Более подробно рассмотрим работу модуля формирователей (схема представлена в приложении 1).

При включении питании, при нажатии кнопки ПУСК, подачи ко­манды ПУСК ВНЕШНИЙ на оптрон на выходе 1 микросхемы D 7 устанавливается уровень логического 0. Этот  сигнал устанавливает в нулевое состояние счетчики ПЕРИОД ОТБОРА (D 13) и ЦИКЛЫ (D 8, D 11) инвертируясь на элементе D 3.3 устанавливает уровень логической единицы на выходе 1 триггера D1.3. Этот уровень, инвертируясь на элементе D 5.4 закрывает транзистор V29, при этом гаснет светодиод ОТБОР ЗАКОНЧЕН на передней панели.

Уровень логической единицы с выхода элемента D 3.3 также осуществляет установку в нуль счетчиков (выводы 5 и 9) микросхемы D 2.

Уровень логической единицы на выходе триггера D 1.3 через элемент D 5.3 подает на вход 6 коммутатора D 4 сигнал разрешения коммутации (уровень логического нуля). Схема готова к работе.

При поступлении импульса на вход оптрона или нажатии кнопки ОТБОР на вход элемента D 7.2 поступает уровень ло­гической 1 и устанавливает уровень логического 0 на входе 15 элемента D 8.1 через D 9.1 и D 9.3. На выходе 9 элемента D 9.1 устанавливается уровень логической 1, который открывает транзистор V 3 (заго­рается светодиод ОТБОР) и разрешает прохождение сигналов частотой 32 кГц от генератора микросхемы D 2 через элемент D 3.2 на силовой модуль (включение пробоотборника).

Счетчик D 8.1 начинает считать импульсы с периодом в одну се­кунду поступавшие от делителя (выход 4) D 2 через коммутатор. Счет идет до набора числа, установленного перемычками между выходами счетчика D 8.1 и входами элемента D 9.2. При установлении уровня логической 1 на всех входах элемента D 9.2 уровень логического 0 с его выхода устанавливает уровень логической 1 на входе 15 D 8.1 (сброс и запрет счета счетчиком), уровень логического нуля на вы­ходе 9 элемента D 9.1, запиравший транзистор V 3 (гаснет светодиод ОТБОР), запрещающий прохождение сигнала 32 кГц через элемент D 3.2 на силовой модуль (отключение пробоотборника), заносимый в счетчик ЦИКЛЫ.

В остальных режимах схема БПУ работает одинаково они отличаются способом и элементами, подавшими на входы коммута­тора D 4 информационные импульсы.

В режиме КОНТРОЛЬ на входы Х0 и У0 коммутатора D 4 с генера­тора микросхемы D 2 подаются импульсы с частотой 32 кГц.

На выходе Х и У они проходят при положении КОНТРОЛЬ переключателей РЕЖИМ. При этом на выходе элемента D 5.2 устанавливается уровень логической единицы.

В этом режиме осуществляется контроль работы делителей ПЕРИОД ОТБОРА (D 13) и ЦИКЛЫ (D 8.2, D 11).

Начальная частота 32 кГц через ключ на транзисторе V 2 выводится на контрольную точку А.

 Частота 32 кГц, поделенная на число, установленное на переключателях ПЕРИОД ОТБОРА через ключ на транзисторе V 3 выводится на контрольную точку Б и поступает одновременно на вход делителя ЦИКЛЫ. Выход делителя ЦИКЛЫ через ключ на транзисторе V 26 выведен на контрольную точку В.

Уровень логической 1 на входе 9 элемента D 6.1 осуществляет повторный автоматический пуск цикла деления за счет изменения уровня сигнала на выходе 10 элемента D 6.1 с нулевого при работе делителей на единичный при заполнении делителя ЦИКЛЫ.

Этот перепад преобразуется триггером D 1.2 в импульс установки триггера D 1.3 в единичное состояние через элементы D 7.1, D 3.3.

Если на входы прибора (частотомера) настроенного на режим работы измерения отношения частот подавать попарно сигналы с выходов А, Б и Б, В то прибор должен индицировать число, установленное на переключателях  ПЕРИОД ОТБОРА и ЦИКЛЫ соответственно. Частота 32 кГц используется для ускорения проверки работы делителей.

В режиме ОБЪЕМ   импульс поступает на вход 14 коммутатора D 4 и проходит на его выход 13.

Счетчик ПЕРИОД ОТБОРА считает эти импульсы до заполнения (количество импульсов равно установленному на переключателях числу): по заполнении вырабатывается импульс сброса  элементами V 27, D 6.4. Этот импульс через элемент D 7.2 срабатывает в нуль счетчик ПЕРИОД ОТБОРА через элементы D 12.1, D 12.2, а также запускает триггер на элементах D 8.1, D 9. На его вход подаются импульсы с периодом в одну секунду с выхода 4 элемента D 2 через коммутатор D 4.

Схема далее работает как описано для режима ОТБОР. В отличие от режима КОНТРОЛЬ на выходе элемента D 5.2 установлен уровень логического нуля, который не позволяет осуществить возврат триггера D 1.3 в единичное состояние после заполнения счетчика ЦИКЛЫ. После заполнения счетчика ЦИКЛЫ открыт транзисторный ключ V 29, горит светодиод ОТБОР ЗАКОНЧЕН, коммутатор D 4 заперт, модуль формирователей готов к повторному пуску.

В режиме ОБЪЕМ  каждое переключение контактов,  подключенных к выводам 39, 40 модуля формирователей, преобразуется в электрический импульс триггером D 1.1. Каждый импульс проходит на выход 13 коммутатора D 4. Дальнейшая обработка этой последовательности импульсов аналогична описанной для режима ОБЪЕМ .

В режиме ВРЕМЯ с делителей элемента D 2 на вход Х3 коммутатора D 4 подаются импульсы с периодом в одну секунду или одну минуту через переключатель МИН – СЕК на передней панели. Дальнейшая обработка этой последовательности импульсов аналогична описанной в режиме ОБЪЕМ .

Принципиальная электрическая схема блока формирователей содержит множество микросхем. Рассмотрим некоторые из них подробнее.

1.6. МИКРОСХЕМЫ СЕРИИ К561

В ряде случаев, когда не нужно высокое быстродействие, а необходима минимальная потребляемая мощность, применяют интегральные микросхемы серий К561.

Микросхемы этой серии изготовляются по технологии комплементарных транзисторов структуры металл-диэлектрик-полупроводник (КМДП). Ранее в качестве диэлектрика использовался окисел кремния, поэтому сокращенным обозначением структуры этих микросхем было КМОП.

Основная особенность микросхем КМОП - ничтожное потребление тока в статическом режиме - 0,1...100 мкА. При работе на максимальной рабочей частоте потребляемая мощность увеличивается и приближается к потребляемой мощности наименее мощных микросхем ТТЛ.

Микросхемы серий К561 выпускаются в пластмассовых корпусах с двухрядным расположением 14, 16 или 24 штыревых выводов. Для микросхем серий К561 гарантируется работоспособность при напряжении питания от 3 до 15 В.

Выходные уровни микросхем при работе на однотипные микросхемы практически не отличаются от напряжения питания и потенциала общего провода. Максимальный выходной ток большинства микросхем серии К561 не стандартизирован и не превышает единиц миллиампер, что несколько затрудняет непосредственное согласование микросхем этих серий с какими-либо индикаторами и микросхемами ТТЛ-серий.

Применение микросхем КМОП - серий имеет свои особенности. Ни один из входов микросхем не может быть оставлен неподключенным, даже если логический элемент в микросхеме не использован. Свободные входы элементов должны быть или соединены с используемыми входами того же элемента или подключены к шине питания или к общему проводу в соответствии с логикой работы микросхемы. Напряжение источника питания должно подаваться ранее или одновременно с подачей входных сигналов. Рассмотрим примеры микросхем серии К561.

1.6.1. Микросхема К561ТР2 

Микросхемы представляют собой четыре RS-триггера (асин­хронных). Содержат 154 интег­ральных элемента. Зарубежным аналогом является микросхема CD4043AE.

Триггеры микросхемы К561ТР2 со статическими входами могут работать только в режимах записи и хранения записываемой в них информации.

Микросхема К561ТР2 (рис.2) - четыре триггера RS-типа с возможностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние. Каждый триггер микросхемы имеет входы R и S. Подача лог. 1 на вход R устанавливает триггер в состояние 0, подача лог. 1 на вход S - в состояние 1. Если лог. 1 подать на оба входа R и S, на выходе будет также лог. 1.

Рис. 2. Условное графическое обозначение К561TР2.

Назначение выводов: 1 — выход Q4; 2—выход Q1; 3 — вход R1; 4 — вход S1; 5 — вход разрешающий V; 6 — вход S2; 7— вход R2; 8 — общий; 9 — выход Q2; 10 — выход QЗ; 11 — вход RЗ; 12—вход S3; 13 — свободный; 14 — вход S4; 15 — вход R4; 16 — напряжение питания.

Микросхема имеет корпус типа 238.16-1, следовательно, подтип корпуса элемента 21. Габаритные размеры корпуса микросхемы К561TР2 приведены на рисунке 3.

Рис.3. Габаритные размеры корпуса типоразмера 2103.

1.6.2. Описание микросхемы К561КП1 

Микросхемы представляют собой двойной четырехканальный мультиплексор. Содержат 158 интегральных элементов. Зарубежным аналогом является микросхема CD4052AEJ.

Рис.4. Обозначение микросхемы К561КП1.

Назначение выводов: 1 – выход/вход У0; 2 – выход/вход У2; 3 – выход/вход У; 4 – выход/вход У3; 5 – выход/вход У1; 6 – вход запрета С; 7 – напряжение питания; 8 – общий; 9 – вход управления В; 10 – вход управления А; 11 – выход/вход Х3; 12 – выход /вход Х0; 13 – выход/вход X; 14 – выход/вход Х1; 15 – выход /вход Х2; 16 – напряжение питания.

Особенность микросхемы КП1 - возможность коммутации аналоговых и цифровых сигналов с амплитудой от пика до пика, превышающей амплитуду входных управляющих сигналов, подаваемых на входы 1, 2, S.

Микросхема имеет корпус типа 238.16-1, следовательно, подтип корпуса 21. Габаритные размеры корпуса микросхемы К561КП1 приведены на рис. 3.

1.6.3. Описание микросхемы К561ИЕ10 

Микросхемы представляют собой два четырех разрядных счетчика. Содержат 354 интегральных элемента. Зарубежным аналогом является микросхема CD4023AEJ.

Корпус типа 238.16-1. подтип 21. Габаритные размеры корпуса микросхемы приведены на рис. 3.

Рис. 5. Условное графическое обозначение К561ИЕ10

Назначение выводов: 1 – вход разрешение; 2 – вход такт; 3 – выход 1; 4 – выход 2; 5 – выход 4; 6 – выход 8; 7– вход установки «0»; 8 – общий; 9 – вход «разрешение»; 10– вход «такт»; 11 – выход 1; 12 – выход 2; 13 – выход 4; 14 – выход 5; 15 – установка «0»; 16 – напряжение питания.

1.6.4. Описание микросхемы К561ЛА7 

Микросхемы представляют собой четыре логических элемен­та 2И-НЕ. Содержат 64 интегральных элемента. Зарубежным аналогом является микросхема CD4011AEJ.

Назначение выводов: 1 – вход Х2; 2 – вход X1; 3 – выход Y1; 4 – выход Y2; 5–вход ХЗ; 6–вход Х4; 7 – общий; 8 – вход Х6; 9– вход Х5; 10 – выход Y3; 11 –выход Y4; 12 – вход Х7; 13 – вход Х8; 14– напряжение питания.

Рис.6. Условное графическое обозначение К561ЛА7.

Микросхема имеет корпус типа 201.14-1, следовательно, подтип корпуса элемента 21. Габаритные размеры корпуса микросхемы К561TР2 приведены на рисунке 7.

Рис.7. Габаритные размеры корпуса типоразмера 2102.

1.6.5. Описание микросхемы К561ЛА9 

Микросхемы представляют собой три трехвходовых элемен­та И-НЕ. Содержат 54 интегральных элемента. Зарубежным аналогом является микросхема CD4023AEJ.

Рис.8. Условное графическое обозначение К561ЛА9.

Назначение выводов: 1, 2, 3, 4, 5, 8, 11, 12, 13 – входы Х1, Х2, Х4, Х5, Х6, ХЗ, Х7, Х8, Х9; 6, 9, 10 – выходы Y1, Y2, Y3; 7 – общий; 14 – напряжение питания.

Микросхема имеет корпус типа 201.14-1, следовательно, подтип корпуса элемента 21. Габаритные размеры корпуса К561ЛА9 приведены на рис. 7.

1.6.6. Описание микросхемы К561ЛE5 

Микросхемы представляют собой четыре логических элемен­та 2ИЛИ-НЕ. Содержат 49 интегральных элементов.

Рис.9. Условное графическое обозначение К561ЛE5.

Назначение выводов: 1 – вход А1; 2 – вход В1; 3 – выход С1; 4 – выход С2; 5 – вход А2; 6 – вход В2; 7 – общий; 8 – вход A3; 9 – вход В3; 10 – выход С3; 11 – выход С4; 12 – вход А4; 13 – вход В4; 14 – напряжение питания.

Микросхема имеет корпус типа 201.14-1, следовательно, подтип корпуса элемента 21. Габаритные размеры корпуса К561ЛE5 приведены на рис. 7.

1.6.7. Описание микросхемы К561ЛE6 

Микросхемы представляют собой два логических элемента 4ИЛИ-НЕ. Содержат 49 интегральных элементов.

Рис.10. Условное графическое обозначение К561ЛE6.

Назначение выводов: 1 – выход Y1; 2, 3, 4, 5, 9, 10, 11, 12 – входы Х1, Х2, Х3, Х4, Х5, Х6, Х7, Х8; 6, 8 – свободные; 7 – об­щий; 13 – выход Y2; 14 – напряжение питания.

Микросхема имеет корпус типа 201.14-1, следовательно, подтип корпуса элемента 21. Габаритные размеры корпуса К561ЛE6 приведены на рис. 7.

1.6.8. Описание микросхемы К176ИЕ12 

Микросхема представляет собой двоичный счетчик на 60 и 15-разрядный делитель частоты. Содержит 696 интегральных элементов. Зарубежным аналогом является микросхема SN74ALS190D.

Рис.11. Условное графическое обозначение К176ИЕ12.

Назначение выводов: 1 – выход мультиплексора (2⁸) Т2; 2 – выход мультиплексора (2⁸) Т4; 3 – выход мультиплексора (2⁸), Т1; 4 – выход делителя (2¹⁵); 5 – вход установка «0» делителя R1; 6 – выход делителя (2¹⁴); 7 – вход счетчика С2; 8 – общий; 9 – вход установка «0» счетчика R2; 10 – выход счетчика; 11 – выход делителя (2⁵); 12 – вход делителя С1; 13 – выход делите­ля (=) инверсный; 14, 15 – выходы делителя; 16 – напряжение питания.

Микросхема имеет корпус типа 4106.16-2, следовательно, подтип корпуса элемента 41. Габаритные размеры корпуса К176ИЕ12 приведены на рис.12.

Рис.12. Габаритные размеры корпуса типоразмера 4106.

II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА БПУ-3

         Смоделируем принципиальную электрическую схему на базе рассмотренных в теоретической части микросхем. Основной критерий синтеза электрических схем аппаратуры на интегральных микросхемах – минимизация числа микросхем и их внешних соединений. Другой критерий – функциональная однородность, т.е. максимальное использование элементов с одинаковыми функциями. Это обуславливает унификацию схемы, что в свою очередь, ведет к снижению ее стоимости.

         Для построения принципиальной электрической схемы воспользуемся пакетом прикладных программ Novarm DipTrace, приложением Schematic. Заменим отечественные микросхемы на их зарубежные аналоги, не нарушая функциональных связей.

         Программный пакет DipTrace представляет собой полнофункциональную систему для разработки принципиальных схем и печатных плат. Включает в себя четыре программы:

1. DipTrace – проектирование плат с удобной интерактивной и автоматической трассировкой.

2. Schematic – создание принципиальных схем с последующей возможностью перевода их в платы.

3.  ComEdit – редактор корпусов для печатной платы.

4.  SchemEdit – редактор компонентов. Рисование символов схемотехники и связка их с корпусами.

Спроектированная принципиальная электрическая схема приведена в Приложении 1. Перечень элементов схем приведен в спецификации (Приложение 4).

2.2. ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА БЛОКА ПРОГРАММНОГО УПРАЛЕНИЯ

Большую часть элементов современных электронных устройств размещают на печатных платах, представляющих собой диэлек­трическое основание с отверстиями и проводящим рисунком. Это не относится к крупногабаритным элементам (силовым трансформаторам, радиаторам мощных транзисторов, электронно-лучевым трубкам), а также к элементам, которые требуется устанавливать на передней панели аппаратуры (цифровые и сигнальные индикаторы, органы регулирования, электромеханические стрелочные приборы).

Печатные платы выполняют обычно из фольгированного стеклотекстолита – пластика на основе стекловолоконной ткани, покрытого с одной или двух сторон медной фоль­гой. Толщина диэлектрика составляет 0,8–3 мм, а толщина фольги 0,02 – 0,1 мм. Рисунок печатной платы, определяющий конфигурацию проводникового и диэлектриче­ского материалов и подготовленный конструктором, переносят на поверх­ность печатной платы методом фото­литографии. Для этого поверхность платы покрывают светочувствитель­ным слоем (фоторезистом), который засвечивают через фотошаблон, полу­ченный при фотографировании рисун­ка печатной платы. Затем фоторезист проявляют, его незасвеченные участ­ки удаляют и фольгу, находящуюся под этими участками, стравливают специальным раствором. Засвеченные участки, соответствующие проводящему рисунку, защищены слоем фоторезиста и поэтому не стравливаются. Затем в печатной плате просвер­ливают отверстия диаметром 0,6 – 1,5 мм для установки навесных эле­ментов (интегральных схем, транзисторов, резисторов, конденсаторов) механического крепления печатной платы, а также электрического соединения элементов печатной платы, нанесенных на ее противопо­ложных сторонах. Стенки отверстий металлизируют сначала химичес­ким, а затем электрохимическим способом. Таким образом, получают проводящий рисунок с одной (односторонняя печатная плата) или двух (двусторонняя печатная плата) сторон. Гибкие выводы навесных эле­ментов запаивают в монтажных отверстиях, к которым подходят пе­чатные проводники, и получают печатный узел.

Для уменьшения площади печатных плат применяют многослойные печатные платы (МПП), состоящие из чередующихся слоев диэлектри­ка с проводящими рисунками, между которыми выполнены требуемые соединения. Соединения между проводящими рисунками слоев МПП могут быть осуществлены через металлизированные отверстия. Распределение печатных проводников в слоях МПП позволяет значительно сократить размеры печатных плат, что особенно важно при исполь­зовании микросхем, содержащих множество выводов.

В устройствах малой сложности и в аппаратуре, к которой не предъявляются очень высокие требования к плотности монтажа, применяют однослойные и двухслойные платы. В аппаратуре средней и большой сложности часто используют многослойные печатные платы.

Однослойные и двухслойные платы состоят из осно­вания, на которое с одной или двух сторон наносятся печатные про­водники. Основания плат должны обладать достаточной механиче­ской прочностью, малыми диэлектрическими потерями, высокой нагревостойкостью и хорошей адгезией (сцепляемостью) материалов платы и печатных проводников. При изготовлении печатных плат широко используют стеклотекстолит, стеклоткань, гетинакс, фторопласт-4 и некоторые другие диэлектрики. Толщина плат 0,8-3 мм, а их типовые габаритные размеры 135X110; 135X246; 140X130; 140X150; 140X240; 150X200; 170X75; 170X110; 170X120; 170Х130; 170X150; 170X160; 170X200. Печатные проводники выпол­няют чаще всего из меди, алюминия, никеля или золота толщиной 20 – 70 мкм.

При выборе сечения, конфигурации и расстояния между провод­никами исходя из допустимой плотности тока (менее 20 А/мм²), рабочего напряжения, условий теплоотвода и прочности сцепления проводников с основанием. Ширина проводников печатных плат обычно составляет 1,5 – 2,5 мм, а расстояние между ними 0,3 – 1 мм. Для плат с повышенной плотностью монтажа ширину проводников и зазоры между ними уменьшают до 0,15 – 0,5 мм.

Печатные платы с установленными на них элементами закрепляют с помощью крепежных отверстий на элементах конструкций электронной аппаратуры, к которым относят субблоки, блоки, каркасы, контейнеры, стойки, пульты. В современной электронной аппаратуре, построенной на базе микросхем, в качестве субблоков обычно применяют печатные узлы, которые вставляют по направляющим в блоки. Электрические соединения субблоков с блоками и блоков между собой осуществляют через контактные разъемы. Таким образом, из субблоков и блоков, как из отдельных «кирпичей», создают сложные приборы и устройства. Блочный принцип конструирования электронной аппаратуры облегчает поиск и устранение неисправностей, а также повышает технологичность аппаратуры.

Для построения печатной платы прибора БПУ-3 воспользуемся приложением PCB Layout. Приложение автоматически переводит спроектированную электрическую схему в печатную плату, проводит трассировку, оптимизацию и коррекцию печатной платы.

Преобразованная двухслойная печатная плата приведена в Приложении 2.

Габаритные размеры платы 170Х200 мм.

2.3. МОНТАЖНАЯ ПЛАТА БПУ-3

         На основе печатной платы спроектируем монтажную плату. На монтажной плате показано расположение элементов схемы без соединительных каналов в реальном масштабе. Размеры корпусов радиоэлементов взяты из справочников и соответствуют стандартам ЕСКД.

         Монтажная плата приведена в Приложении 3.

ВЫВОДЫ

В своей курсовой работе я ознакомилась с устройством блока программного управления пробоотборником БПУ, его составными частями, а также с некоторыми микросхемами, входящими в состав принципиальной электрической схемы прибора.

Блоком программного управления пробоотборником БПУ задается программа работы пробоотборника (цикличность отбора проб, количество пробы и способ отбора пробы). БПУ-3 предназначен для выдачи управлявших сигналов на включение пробоотборника.

Разработка устройств на микросхемах представляет собой процесс создания новых образцов, удовлетворяющих заданным требованиям. Этот процесс связан с ре­шением схемотехнических, конструкторских, технологических задач.

Особенность проектирования аппаратуры на микросхе­мах проявляется в большой сложности правильного выбора эле­ментной базы и конструктивно-технических решений. Это связано с неоднозначностью выбора вариантов построения устройства из-за широкой номенклатуры микросхем, различных степеней их инте­грации и технологии изготовления.

При проектировании возрастает сложность выбора конструкции проектируемого устройства, главным образом в отношении объемно-массовых показателей, а также резко усиливается взаимосвязь этапов проектирования по разработке, схемотехники, конструкции и технологии. Появляются новые воз­можности совершенствования характеристик аппаратуры, обуслов­ленные возможностью использования больших количеств элементов, что приводит к структурной избыточности. Указанные особенности вызывают качественные изменения традиционных и появление новых этапов проектирования аппаратуры на микросхемах.

В практике промышленного проектирования микроэлектронной аппаратуры сложилась определенная последовательность принятия решений, направленных на создание устройств с заданными функ­циональными и эксплуатационными характеристиками при мини­мальной стоимости. Но не всегда возможно полностью заимство­вать этот опыт, поскольку в распоряжении нет тех средств и методов, которыми располагают разработчики промышленной аппа­ратуры. Тем не менее, ознакомление с порядком и особенностями промышленного проектирования полезно, поскольку оно поможет определить рациональную последовательность собственных действий разработчиков при проектировании микроэлектронных устройств и узлов применительно к своим возможностям.

С помощью пакета прикладных программ Novarm DipTrace я спроектировала принципиальную электрическую схему, печатную плату и монтажную плату для блока программного управления пробоотборником БПУ-3.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Агаханян Т.М. Интегральные микросхемы. - М.: Энергоатомиздат, 1983

2. Батушев В.А. Микросхемы и их применение: Справ. пособие. – М. «Радио и связь», 1984. – 272 с.

3. Гальперин Б.С. Непроволочные резисторы «Энергия» Л. 1968. – 284 с.

4. Горюнова Н.Н. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник – изд.2 перераб. – М. «Энергоатомиздат», 1985. – 904 с.

5. Дипломное проектирование. Учебное пособие. Под ред. д.т.н., проф. В.И.Лачина. – Ростов н Д: изд-во «Феникс», 2003. – 352 с.

6. Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник В 12 т. – М.: ИП РадиоСофт, 2001.

7. Хрулев А.К., Черепанов В.П. Диоды и их зарубежные аналоги. Справочник В З т. – М. «РадиоСофт», 2001. – 640 с.

8. Автоматический пробоотборник «Проба–1М». - Паспорт.

9.  Блок программного управления БПУ-3. - Техническое описание.

Приложение1