Электрические линии задержки на дискретных элементах
"Электрические
линии задержки на дискретных элементах"
линия задержка
радиоэлектронный аппаратура
Введение
При решении многих задач техники связи и
родственных ей областей возникает необходимость в построении электрической
цепи, которая запоминала бы аналоговый сигнал, а затем повторяла бы его на
выходе цепи через заданное время. Такие цепи называют линиями задержки. Линия
задержки - устройство, предназначенное для задержки электромагнитных сигналов
на определённый промежуток времени.
Подобные устройства широко применяются в разных
областях радиоэлектронных технологий - в радиолокации и радионавигации,
измерительной и вычислительной технике,автоматике, электроакустике
(ревербераторы), технике связи, в научных исследованиях.
Актуальность применения линии задержки связано с
широким внедрением в современную радиоэлектронную аппаратуру дискретных и
цифровых фильтров, где требуется задержка электрических сигналов.
1. Электрический расчет
Определяем необходимое число звеньевn
по формуле
где tз- время
задержки, мкс;
τф- значение
длительности фронта, мкс.
Находим расчетное значение
индуктивности катушки , Гн
(2)
где tз- время
задержки, с;
ρ - эквивалентное волновое
сопротивление, Ом.
Находим расчетное значение емкости
конденсатора , Ф
(3)
где tз-
время задержки, с;
ρ -эквивалентное
волновое сопротивление, Ом.
Определяем сумму допусков на значение расчетной
индуктивностей катушки и расчетной емкости конденсаторов в%по формуле
(4)
где δtз- допуск на
время задержки согласно техническому заданию, %.
2. Выбор и основание эскизного
проекта конструирования
Электрическая линия задержки представляет собой
некую электрическую схему, реализация которой не имеет какой-либо специфики или
исключений относительно электрических схем иного предназначения, поэтому
внедрение электрической линии задержки в конструкцию производится методами её
компоновки и трассировки.
В современных электронных устройствах широкое
применение нашла компоновка элементов методом поверхностного монтажа ( SMD
-SurfaceMountDevice).Стоит
отметить, что поверхностный монтаж на данный момент стал применяться не только
в изделиях с малыми габаритами, но и в продукции, где экономия места не
требуется.
Поверхностный монтаж - это закрепление и монтаж
электронных компонентов специальной конструкции непосредственно на поверхность
печатной платы. Главная особенность конструкции таких компонентов - отсутствие
штырьковых и длинных планарных выводов. На замену им для присоединения к плате
используются металлизированные торцы корпусов компонентов, матрица шариковых
выводов на нижней поверхности корпуса компонента или настолько миниатюрные
планарные выводы, что они лишь в незначительной мере увеличивают площадь платы.
К основным преимуществам данной технологии
относятся:
повышение плотности монтажа электронных
компонентов на плате в 4-6 раз;
- уменьшение габаритов на 60% и снижение веса в
3-5 раз;
возможность монтажа электронных компонентов с
двух сторон платы;
повышение быстродействия и улучшение
электрических характеристик, связанных с длиной выводов электронных
компонентов;
упрощение автоматизации монтажа электронных
компонентов на плате, увеличение производительности процесса в десятки раз;
снижение стоимости монтажа печатных узлов
вследствие уменьшения трудоемкости и использования меньшего числа простых плат
с меньшими размерами и числом слоев;
повышение виброустойчивости и вибропрочности
печатных узлов в 2 раза;
повышенная способность отвода тепла от
кристаллов интегральных схем, что очень важно для безотказной работы
аппаратуры;
- оборудование для технологий поверхностного
монтажа проще, надежнее, обладает несравненно большей производительностью и
требует в два раза меньше производственных площадей по сравнению с
оборудованием для монтажа в отверстия.
К недостатками метода поверхностного монтажа
относят:
ниже ремонтопригодность устройства;
высокие начальные затраты (связанные с
установкой и настройкой автоматов, а также с более сложным созданием опытных
образцов).
При компоновке элементов особое внимание
необходимо уделить катушке. Катушки индуктивности массового производства по
номенклатуре и объему представлены на рынке существенно в меньшей степени, чем
конденсаторы. В связи с этим выбор катушки будет проводится первым, и
максимально возможный процент допуска выделим для индуктивности.
Анализ литературных источников
показывает, что номинальные значения SMDкатушек
индуктивности различных производителей в основном принадлежат ряду Е12, который
состоит из следующих значащих чисел: 1,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2,2;.2,7; 3,3; 3,9;
4,7; 5,6; 6,8; 8,2 и могут иметь допуск на номинальное значение в основном
± 10 %, реже ± 5 % и очень редко встречаются катушки с допуском ± 2 %.
Расчетное значение индуктивности
катушки как правило
не совпадает с каким-либо номинальным значениемLн. В случае
незначительной разницы между расчетным и ближайшим номинальным значениями
можно использовать катушку с этим номинальным значением как искомую.В нашем
случае расчетное значение индуктивности равняется Lp= 7,2∙10-6
Гн = 7,2мкГн. Ближайшее номинальное значение индуктивности 6,8 мкГн.
Допуск на индуктивность для расчетного значения
возьмем равный 10 % и рассчитаем допуск на индуктивность для номинального
значения в% по формуле
(6)
Расположение катушек индуктивности на печатной
плате должно быть таковым, чтобы свести к минимуму их взаимное влияние через
взаимодействие магнитных потоков этих катушек. Минимальное взаимодействие
катушек будет в том случае, когда их магнитные потоки перпендикулярны. То есть
перпендикулярная последовательность катушек будет наиболее верна.
Параллельно к индуктивности ставим
емкость. Расчетное значение емкости конденсаторов как правило не совпадает с каким
либо номинальным значениемСн. SMDконденсаторы
по номенклатуре и объему достаточно широко представлены на рынке товаров.
Расчетное значение емкости равняется 80 пФ.
В случае незначительной разницы
между расчетным и ближайшим
номинальным значениями
можно использовать конденсатор с этим номинальным значением как искомый,
однако, аналогов для данного расчетного значения емкости в номинальной ряду не
имеется. В этом случае конденсатор реализуется путем комбинации из
последовательно или параллельного соединения двух конденсаторов. В моем случае
искомый конденсатор будет составлен из двух параллельно соединенных
конденсаторов фирмы Murata с номинальными емкостями 12 пФ и 68
пФ и допусками 2 %.
3. Конструктивный расчет
В проектируемой линии задержки число звеньев n=
50. Индуктивность одного звена составляет 6,8 мкГн. Параллельно индуктивности
ставим конденсаторы 12 пФ и 68 пФ. Таким образом, проектируемая линия задержки
представляет собой 50 последовательно соединенных звеньев. В техническом
задании размеры печатной платы не более 30х30х20 мм. Рассчитаем площадь,
занимаемую элементами L
и C. В качестве
индуктивности будет использоваться катушка Viking
- NL05JT6R8
(2×1,25×1,2
мм, размеры контактных площадок 1,14×1,25),
с точностью 5 %. Более удобные для
восприятия данные представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 - Контактная площадка для катушки
Таким образом, площадь индуктивности в одном
звене, мм2
SL=
3,175 ∙ 1,25 = 3,97.
В качестве емкостей используем конденсаторы
Murata -GRM1885C1H680FA01D
и Murata-GRM1885C1H120FA01D(1,6
×
0,8 ×
0,9 мм, размеры контактных площадок 0,89 ×
1,016 мм), с точностью 2 % .
Более удобные для восприятия данные представлены
на рисунке 2.
Рисунок 2 - Контактные площадки для конденсатора
Площадь емкостей в одном звене, мм2
SC
= 1,016 ∙ 2,415 ∙ 2 = 4,91.
В таком случае занимаемая площадь одного звена
печатной платы, мм2
Sзв=
3,97 + 4,91 = 8,88.
Общая площадь элементов линии задержки с учетом
50 звеньев, мм2
Sобщ=
8,88 ∙ 50 + 3,97 ∙ 2 =451,94.
Для обеспечения электрического контакта изделия
с остальной схемой должны быть предусмотрены контактные устройства. Их будет 4
по углам платы. Дли них используется лист латуни толщиной 0,5 мм. Из него
вырезается полоса шириной 2 мм с разрешенным полем допуска от -0,1 до -0,2 мм.
Далее методом гибки получают форме и покрывают припоем. Эскиз контакта
представлен на рисунке 3.
Рисунок 3 - Контакт для печатной платы
Для каждого контакта подразумевается наличие
двух отверстий с размерами 0,5 ×
2 мм каждый с полем допуска от +0,2 доминус 0,1. На рисунке 4 представлен эскиз
расположения контактных отверстий с более подробными характеристиками.
Установка и фиксация контактов на печатной плате
производится путем вставки контакта в печатную плату и его дальнейшего загиба.
Визуально этот процесс представлен на рисунке 5.
Рисунок 5 - Установка и фиксация контакта в
печатной плате
Площадь контактной площадки на поверхности
монтажа, мм2
Sк
= 4,25 ∙ 3 = 12,75.
Таким образом, площадь всех контактных площадок
на поверхности монтажа, мм2
Sко=
12,75 ∙ 4 = 51.
Площадь всей поверхности монтажа, учитывая
размеры, данные в техническом задании, то есть 30 х 30 х 20 мм, рассчитывается,
мм2
S = 30 ∙ 30 =
900.
Площадь занимаемая всеми элементами на плате, мм2
SЭ
= 451,94 + 51 = 502,94.
Площадь занимаемой поверхности с учетом
коэффициента заполнения 1,5, мм2
SРП
= 502,94 ∙ 1,5 = 754,41.
Таким образом, S
≥
SРП,
а значит, все элементы можно разместить без использования двухсторонней
печатной платы.
4. Выбор и обоснование материалов
Для изготовления печатной платы используется
стеклотекстолит, толщиной 1 мм, облицованный с одной стороны медной
оксидированной фольгой ГОСТ 10316-78. Основным критерием выбора данного
материала послужило то, что он обладает хорошей стабильностью электрических
свойств при высокой влажности, высокой механической прочностью. Ко всему
прочему стеклотекстолит широко используется для изготовления печатных плат с
поверхностным монтажом компонентов.
В качестве материала для контакта выбираем
латунную полосу Л63 ГОСТ 12920-67, так как она обладает достаточной прочностью
и отлично обрабатывается давлением, применяется для изготовления деталей
холодной листовой штамповкой и глубокой вытяжкой. Латунь Л63 используется для
изготовления крепежных деталей. Покрываем латунную полосу материалом О-Ви ГОСТ
9073-77, именно это покрытие обеспечивает наилучшую коррозионную стойкость.
Для защиты поверхности изделия от воздействия
внешней среды применяем лак МЛ-92 ГОСТ 15865-70. Для наилучшей защиты изделие
покрыть в 2-3 слоя.
Пайка производится припоем ПОС- 61ГОСТ 21931-76.
5.Методика контроля основных
электрических параметров
Контроль основных электрических параметров
производится на двух этапах: на этапе проектирования и на этапе производства.
На первом этапе проектирования производится контроль измерения времени задержки
tз
и длительность фронта τф.
Время задержки должно быть равным 0.5 мкс с допуском ±10%.
Измерение этих параметров производится на
стенде, приведенном на рисунке 6. В его состав входят генератор 1 импульсных
сигналов, исследуемая линия задержки 2 и двухлучевой осциллограф 3. Импульс с
выхода генератора 1 попадает на вход линии 2 и первый вход осциллографа 3.
Синхронизация осциллографа осуществляется импульсом, поступающим с выхода
генератора. Формирование радиоимпульсов производится путем импульсной модуляции
сигналов, поступающих с выхода ГСС типа Г4-103, входящего в состав стенда.
Рисунок 6 - Структурная схема стенда для
проверки параметров печатной платы
На втором этапе проверки мы проводим проверку
всех размеров нашего изделия. В связи с тем, что в техническом задании тип
производства указан как единичный, использовать калибровочные стенды
нецелесообразно. В связи с этим для проверки будет использоваться достаточно
распространенный в обиходе инструмент, называемый штангенциркулем.
Заключение
В данном курсовом проекте была разработана и
спроектирована линия задержки для малогабаритной аппаратуры. При расчётах
параметров и выборе элементов для линии задержки были учтены все габаритные и
эксплуатационные особенности конструкции.
Выбор материалов проводился согласно ГОСТам,
исходя из экономической целесообразности в условиях единичного производства.
Все выбранные материалы отвечают техническим требованиям изделия с учётом
представленной в техническом задании 2 группы эксплуатации.
В ходе проектирования линии задержки были
получены знания по разработке печатных плат в целом и методам и особенностям
расположения элементов наподобного рода изделиях в отдельности.
В ходе курсового проектирования использовалась
система моделирования COMPAS-3DV-13.
Список литературы
.
Баев Е.Ф. Миниатюрные электрические линии задержки / Е.Ф. Баев, Е.И. Бурылин. -
М.: Сов.радио, 1977.- 248 с.
.
Бокунаев А.А. Справочная книга радиолюбителя-конструктора/А.А. Бокуняев, Н.М.
Борисов, Р.Г. Варламов и др.; Под ред. Н.И. Чистякова.-М.: Радио и связь,
1990.- 624 с.: ил
.
Захарьящев Л.И. Конструирование линий задержки / Л.И. Захарьящев. - М.:
Сов.радио, 1972.- 192 с.
.
Покровский Ф.Н. Материалы и компоненты радиоэлектронных устройств / Ф.Н.
Покровский.- М.: Горячая линия - Телеком, 2005. - 350 с.