ОБГРУНТУВАННЯ ВИБОРУ СХЕМИ ТА ОПИС ПРИНЦИПУ ДІЇ - Електронний цифровий мілівольтметр постійного струму з світлодіодним дисплеєм

Вона відображає принцип роботи пристрою в самому загальному вигляді і дає наочне уявлення про послідовності взаємодії функціональних частин пристрою.

Проаналізуємо як повинен працювати електронний цифровий мілівольтметр. Структурна схема пристрою складається з слідуючих частин:

А1: (Вхідний каскад) - регулює вимірювану напругу до потрібного рівня;

А2: (Аналого-цифровий перетворювач) - пристрій, що перетворює вхідний аналоговий сигнал в дискретний код (цифровий сигнал);

А3: (Транзисторні ключі) - Одним з основних елементів імпульсної і цифрової техніки є ключовий пристрій. Ключові пристрої (ключі) служать для комутації (перемикання) ланцюгів навантаження під впливом зовнішніх сигналів, що управляють. Ключі входять як окремі елементи до складу складних пристроїв. Вони комутує живлення на окремі розряди восьмирозрядного блоку індикації.

А4: (Схема визначення полярності) - допомогає визначити полярність вимірюваної напруги;

А5: (Блок індикації) - електронне табло для виводу результатів вимірювання;

А6 (Блок живлення) - забезпечує живлення приладу та всіх елементів мілівольтметра. Схема установки напруги 5,12 В - установлює напругу в 5.12 В, яка необхідна для забезпечення більш точних вимірів.

В сучасних малогабаритних цифрових вимірювальних приладах в якості пристрою керування використовують мікроконтролери. При цьому намагаються підібрати таку модель, щоб його периферійні пристрої використовувались у максимальній степені та найбільш повно заміщали функціональні вузли, передбачені в структурній схемі приладу. Чималу роль у виборі тієї, чи іншої моделі мікроконтролера відіграють такі характеристики як швидкодія, енергоспоживання, об'єм вбудованої пам'яті, його ціна. До того ж велике значення слід уділити наявності або доступності інструментальних засобів, таких як транслятори, відладчики та програматори. Для вирішення поставленої задачі зручним вибором є мікроконтролер типу PIC16F887 (рис.1.3.1), фірми Microchip, так як він має у своєму складі слідуючі блоки:

Flash-пам'ять програм об'ємом 8Кх14-розрядних слів;

ОЗП об'ємом 368х8 байт;

EEPROM-пам'ять даних об'ємом 256х8 байт;

Два 8-бітних таймера-лічильника;

10-бітний, 8-канальний АЦП;

Аналоговий компаратор;

Чотири 8-бітних порта вводувиводу.

зовнішній вигляд мікроконтролера pic16f887

Рис.1.3.1 Зовнішній вигляд мікроконтролера PIC16F887

При виборі схеми вхідного підсилювача необхідно враховувати основну вимогу, що пред'являється до нього: забезпечення високого вхідного опору каскаду, необхідного для узгодження підсилювача з джерелом сигналу. ОП має внутрішню схему частотної корекції та може працювати в діапазоні напруги живлення +/-3...+/-18 В. Операційний підсилювач призначений для виконання математичних операцій: додавання, віднімання, множення, логарифмування і ін. Крім того, ОУ використовують в різних електронних схемах, як аналогової, так і імпульсної дії. Це пояснюється його дешевизною, надійністю і хорошими електричними параметрами. ОУ майже завжди використовується з глибоким негативним зворотним зв'язком. Він має інверсний і прямий входи, вихід, виводи, для підключення джерел живлення і загального проводу, а також виводи для підключення пасивних ланцюгів, що коректують АЧХ ОУ.

схема вхідного пристрою

Рис.1.3.2 Схема вхідного пристрою

Блок живлення - забезпечує живлення всього пристрою. Схема блоку приведена на рис.1.3.3.

схема блоку живлення

Рис.1.3.3 Схема блоку живлення

Оскільки ми використовуємо 10 - розрядний АЦП вага одного розряду буде дорівнювати:

5,12/512=0,01 В=10 мВ, (1.3.1)

Тобто похибка буде 10 мВ, оскільки для точних вимірів потрібно щоб похибка була не більше 1 мВ ми використовуємо операційний підсилювач с коефіцієнтом підсилення 10.

Конденсатори С1, С2, - згладжують вихідну напругу. Мікросхема DA1 типу КР142Н12А - трьохвивідний стабілізатор з регульованою вихідною напругою. Її особливість: вбудованій захист від перегріву, корекція зони безпечної роботи вихідного транзистора. Мікросхема КР142Н12А дає стабільну напругу 5.12В, яка є напругою живлення для операційного підсилювача вхідного пристрою.

Пристрій містить світлодіодний індикатор. Виберемо для цих цілей матрицю світлодіодну CA56-21SRWA із загальним анодом (рис.1.3.4).

матриця світлодіодна ca56-21srwa

Рис.1.3.4 Матриця світлодіодна CA56-21SRWA.

Для того, щоб не використовувати велику кількість портів введення-виведення мікроконтролера зручно використовувати принцип динамічної індикації. В цьому випадку однойменні катоди всіх індикаторів через струмозадаючі резистори підключаються до якому-небудь порту мікроконтролера, наприклад до порту C. Включення того або іншого індикатора здійснюється подачею на аноди вибраного індикатора напруги, близької до напруги живлення. Підключити індикатор можна так, як це показано на рис.1.3.5.

включення семисигментного індикатора

Рис.1.3.5 Включення семисигментного індикатора.

Для включення того або іншого світлодіодного сегменту необхідно встановити в стан логічного нуля відповідну лінію порту С, встановити в одиницю лінію РС0. Резистори R17...R23 задають струм через сегменти.

ПРОГРАМНА ЧАСТИНА

Алгоритмом називається директива, яка визначає порядок виконання дій (операцій) над даними з метою отримання шуканого результату.

Процес підготовки розв'язку задачі на ЕОМ називається алгоритмізацією.

Розробка алгоритму складається з декількох етапів:

Вивчення завдання даного для алгоритму задачі. Часто завдання представлене в описовій формі з використанням формул, таблиць, графіків і т. і.. Необхідно глибоко вивчити процес, що алгоритмізується, виявити закономірності явищ, що його складають. Визначається вхідна вихідна інформація, задаються області зміни аргументів, точність обчислень. Вхідна інформація повинна бути повною.

Виконується математична формалізація описової умови задачі. Її мета - побудувати масиви арифметичних і логічних операторів. До масиву логічних операторів входять всі умови що відображають закономірності процесу який алгоритмізуеться.

Будується схема алгоритму.

Мікроконтролер під керуванням програми повинен виконувати слідуючі функції:

Підключати до потрібного каналу АЦП канал виміру;

Запускати АЦП та вираховувати код результату;

По отриманню коду АЦП розраховувати значення напруги, яка вимірюється;

Перетворювати значення напруги, яка вимірюється в семисегментний код та виводити дані на індикатор ;

Підтримувати процес динамічної індикації.

Основна програма має виконувати слідуючу ініціалізуючу послідовність дій:

Ініціалізація портів вводувиводу мікроконтролера;

Ініціалізація семисигментного індикатора;

Встановлення робочого режиму для АЦП;

Ініціалізувати показник адресом буфера індикації;

Встановлення глобального дозволу переривання.

В робочому циклі програма має виконувати наступні дії:

Вивести повідомлення про нормальну роботу пристроя, при вдалому процесі ініціалізації мікроконтролера та семисигментного індикатора;

Виміряти за допомогою АЦП вхідну напругу;

Розрахувати вихідне значення;

Завантажити результати у буфер індикатора;

Вивести данні на семисегментний індикатор;

Загальний вигляд алгоритму розв'язку задачі зображено нарисунку 3.1.1.

алгоритм прикладної програми для цифрового мілівольтметра постійного струму

Рис.3.1.1 Алгоритм прикладної програми для цифрового мілівольтметра постійного струму.

Основна робота процесора - організація трьох розрядної динамічної індикації. Час індикації кожного розряду приблизно 5 мс. Відлік цього часу організований за допомогою переривання по переповненню таймера TMR0.

Таймер має коефіцієнт ділення 256, передподілювач - 4. Після індикації нульового розряду виконується вимір напруги.

Результат вимірів заноситься в 2 регістра з правим вирівнюванням. Далі виконується перекодування 16 розрядів двійкового кода в 3 розряди двійково-десяткового кода. Результат перекодування заноситься до регістру індикації.

Після індикації другого розряду програма повторюється.

КОНСТРУКТОРСЬКО-ТЕХНІЧНА ЧАСТИНА

Компоновка елементів на друкованій платі

Під час розробки радіоелектронної апаратури етап проектування друкованих плат є одним з найбільш трудомістких.

Для початку робіт по розробці друкованої плати потрібна принципова електрична схема, перелік елементів, креслення або ескіз з бажаним розміщенням елементів (якщо є така необхідність). Для елементів, щоб виключити можливі помилки в розводці плати, необхідно мати креслення або ескізи елементів, цоколівку, креслення посадочного місця.

Конструювання друкованих плат здійснюється ручним, пів автоматизованим і автоматизованим методами.

При ручному методі розміщення навісних елементів і трасування друкованих провідників здійснюється вручну безпосередньо конструктором. Даний метод забезпечує оптимальний результат.

Пів автоматизований метод передбачає розміщення навісних елементів за допомогою ЕОМ при ручному трасуванні друкованих провідників, ручне розміщення навісних елементів при автоматизованому трасуванні друкованих провідників і автоматизованим перенесенням малюнка на носії. Метод забезпечує високу продуктивність праці.

Автоматичний метод передбачає кодування початкових даних, розміщення навісних елементів і трасування друкованих провідників за допомогою ЕОМ. При цьому допускається доопрацювання окремих з'єднань вручну. Метод забезпечує високу продуктивність праці.

Компоновка за допомогою ЕОМ здійснюється при допомозі спеціальних пpогpам. В ЕОМ необхідно ввести всі елементи схеми, їх

Pозміpи та поєднання, після чого здійснюється трасування плати. Після цього маємо можливість або відкоpеагувати отримані результати або вивести їх на пpинтеp чи графобудівник. Взагалі компоновка за допомогою ЕОМ являється найбільш простим та ефективним методом pозpобки друкованих плат.

При проектуванні друкованих плат застосовуються такі види компоновки: аналітична, аплікаційна, графічна, та компоновка за допомогою ЕОМ.

При виконанні дипломного проекту був викоpистан метод графічної компоновки в системі автоматизованого проектування (САПР) на базі програмних засобів PCAD.

Друкована плата може мати найрізноманітніші розміри, яки визначаються формою і розмірами того простору, який відводиться в електронному пристрої для друкованого монтажу.

Максимальний розмір друкованої плати, як одношарової так і багатошарової не може перевищувати 470 мм. Це обмеження визначається вимогами міцності і щільності монтажу: чим більше друкована плата, тим менше щільність монтажу. Для друкованих плат великих розмірів необхідні спеціальні заходи підвищення жорсткості (додаткові точки кріплення в пристрої, введення ребер).

Вибір матеріалу друкованої плати і спосіб її виготовлення здійснюється на етапі ескізного проекту з урахуванням вибраного класу друкованого монтажу.

Визначаємо габаритні розміри плати. Розрахунок необхідного типорозміру друкованої плати здійснюється з урахуванням наступних основних вимог:

    А) визначається кількість корпусів радіоелементів (за їх фізичними розмірами); Б) визначається топологія розміщення корпусів на друкованої платі.

Визначимо розміри корпусів елементів, які будуть використані, знайдемо їх площі, отримані результаті помістимо в таблицю 4.1.1.

Таблиця 4.1.1 Розміри корпусів елементів.

Назва корпусу елемента

Розмір,

Мм

Кількість елементів

Площа одного елемента,

Мм2

Площа корпусів однакових

Елементів, мм2

С2-23 0,125

10х2,5

25

25

625

СП4-1

12,8х12,8

1

163,84

163,84

КМ-6

5х3

1

15

15

К50-35

5х5

1

25

25

К140УД17

10х7,5

2

75

150

PIC16F887

56х17,24

1

965,44

965,44

КЦ407А

7,5х28

2

210

420

АЛС307

2,5х2,5

1

6,25

6,25

CA56-21SRWA

50,3х19

1

955,7

955,7

КР142ЕН12А

10,7х3

1

32,1

32,1

КТ502

5,2х5,2

4

27,04

27,04

XS

5х5

10

25

250

Отвори кріплення

7,5х7,5

3

56,25

168,75

MPLS-5

36х7,08

1

254,88

254,88

Всього

4059

Згідно отриманих даних знайдемо сумарну площу корпусів елементів на ДП, помножимо її на коефіцієнт 1,5 - 1,8.

SДРУК. ПЛ. = Ssum К (4.1.1)

SДРУК. ПЛ. = 4059 1,8 = 7306,2 мм2

Співвідношення лінійних розмірів сторін печатної плати повинно бути не більше за 3:1.

Приймаємо розміри плати 8мм 90мм, де SДРУК. ПЛ. = 7200, що відповідає умові.

При виборі типу друкованої плати для електронного цифрового вимірювача частоти обертів потрібно враховувати техніко-економічні показники Наявність мікросхем затрудняє розводку Виходячи з міркувань технологічного процесу вибираємо двосторонню друковану плату

Матеріал друкованої плати вибирається згідно ГОСТ 23751-79 та технічних вимог В якості матеріалу друкованої плати вибираємо склотекстоліт фольгований марки СФ-2-35-15 який застосовується для двосторонніх друкованих плат

Для даного пристрою оптимальним варіантом буде вибір 2-го класу точності друкованої плати, найменші значення геометричних розмірів друкованої плати для даного класу точності приведено в таблиці 4.1.2.

Таблиця 4.1.2 Найменші значення для ІІ класу точності.

Назва елемента друкованого монтажу

II клас, мм

Ширина провідника

0,25

Відстань між провідниками, контактними площадками, провідником і контактною площадкою, провідником і металізованим отвором

0,250

Відстань від краю просвердленого отвору до краю контактної площадки

0,35

Максимальне відхилення відстані центрами монтажних отворів, не більше

0,1

Визначення діаметрів отворів контактних площадок здійснюється за формулою

D=dвив+(0204) (4.1.2)

Dвив - діаметри виводів радіоелементів

В даному приладі елементи мають наступні діаметри виводів 0,44; 0,48; 05; 06; 12 Визначаємо діаметри отворів

D1=044+03=0,74 0,8 мм

D2= 0,48+03=0,78 0,8 мм

D3=05+03=0,8 мм

D4=06+02=0,8 мм

D5=12+03=1,5 мм

Діаметр контактних площадок визначаються відповідно до діаметру отворів. Розміри контактних площадок приведені в таблиці 4.1.3.

Таблиця 4.1.3 Розміри контактних площадок.

Діаметр виводу радіоелемента

Діаметр отворів

Діаметр контактних площадок

0,44

0,8

2,0

0,48

0,8

2,0

0,5

0,8

2,0

0,6

0,8

2,0

1,2

1,5

3,0

На друкованій платі розміщуємо такі елементи:

Резистори R1-R26;

Конденсатори С1, С2;

Транзистори VT1-VT4;

Мікросхеми DD1, DA1, DA2, DA3;

Матриця світлодіодна HG1;

Діоди VD1-VD3;

Роз'єм ХР1;

Габаритні розміри елементів схеми електронного цифрового мілівольтметра постійного струму з світлодіодним дисплеєм наведені на ескізах рис.4.1.1...рис.4.1.14.

Тип

Розміри (мм)

H

D

L

D

A

С2-23 0,125

6,0

2,3

28

0,6

10

Рис.4.1.1 Резистори С2-23

резистор сп4-1

Рис.4.1.2 Резистор СП4-1

Рис.4.1.3

Транзистор КТ502

конденсатор км-6

Рис.4.1.4 Конденсатор КМ-6.

Рис.4.1.5 Конденсатор К50-35.

Рис.4.1.6 Роз'єм MPLS-5.

Рис.4.1.7 Матриця світлодіодна CA56-21SRWA.

Рис.4.1.8 Мікросхема КP142EH12A.

Рис.4.1.9 Діод КЦ407А.

Рис.4.1.10 Діод АЛС407

Рис.4.1.11 Мікросхема К140УД17.

мікросхема pic16f887

Рис.4.1.12 Мікросхема PIC16F887.

Розробка топології друкованої плати

Розробку топології друкованої плати проводимо після компоновки, в процесі якої знаходять оптимальне розташування елементів на друкованій платі. Компоновка елементів електронного цифрового вимірювача частоти обертів на друкованій платі зображена на рис.4.2.1.

компоновка елементів

Рис.4.2.1 Компоновка елементів.

При трасуванні провідників необхідно добитись мінімальних довжин звязків мінімізації паразитних звязків між провідниками та елементами і якщо можливо то потрібно виконати рівномірне розподілення навісних елементів на платі

Розробку креслення друкованої плати починають з вибору координатної сітки. За основний крок координатної сітки приймається 2,5 мм. Для малогабаритної апаратури і в технічно обгрунтованих випадках допускається застосовувати додаткові кроки 1,25; 0,625 і 0,5 мм (1,27; 2,54мм).

У звязку відносно складного трасування і наявністю елементів з відстанню між виводів 2,54мм, вибираємо крок координатної сітки 127мм Координатну сітку на початок координат розташовують у відповідності з ГОСТ 2417-78 Отвори та елементи провідникового малюнку розташовують на платі відносно початку координат

Відстань від корпуса елементу до місця згину або паяння проводів повинна відповідати державним стандартам і ТУ на даний елемент. Якщо таких вказівок немає то відстань від корпуса елементу до місця згину або паяння проводів повинна бути не менше 2,5 мм при товщині плати 1 мм.

Установчі розміри елемента повинні бути кратними кроку сітки. Формувати виводи та встановлювати елемент на друкованій платі потрібно так, щоб в процесі контролю було видно маркування. Відстань між корпусом елемента та краєм друкованої плати повинна бути не менше 1 мм, а між виводом і краєм плати не менше 2мм. Відстань між корпусами сусідніх елементів, а також між краями сусідніх елементів повинна становити не менше як 0,5 мм. Зазор між корпусами мікросхем не менше

1,5 мм. Відстань від крепіжного отвору до краю плати повинна бути не менше товщини плати.

Друковані провідники слід виконувати однакової ширини на всьому протязі. У вузьких місцях звужують провідники до мінімально допустимих значень на можливо меншій довжині. Взаємне розташування провідників не регламентується. В цілях спрощення креслення допускається виконувати провідники будь-якої ширини однією лінією, при цьому в технічних вимогах креслення вказують ширину провідника.

Розробка топології друкованої плати була виконана в графічному редакторі PCAD PCB. Прототипи фотошаблонів шарів металізації зображені на рис.4.2.2 і рис.4.2.3.

провідники і контактні площадки з боку установки елементів

Рис.4.2.2 Провідники і контактні площадки з боку установки елементів

провідники і контактні площадки з боку паяння елементів

Рис.4.2.3 Провідники і контактні площадки з боку паяння елементів.

Виготовлення друкованої плати

Для друкованих монтажних плат використовують фольгований гетинакс або склотекстоліт. Процес виготовлення друкованої плати складається із наступних операцій: зачистка фольги від окислення, нанесення рисунка провідників кислотостійкою краскою, травлення заготовки до повного зняття фольги на незахищених краскою місцях і знищення захисної краски. цифровий мілівольтметр плата

Заготовки друкованих плат за звичай травлять в розчині хлорного заліза. Якщо в розчині появився темний осад, то невеликими порціями добавляють туди соляну кислоту до повного пропадання осаду. Процес травлення триває 0,5-1,5 год. По закінченні процесі травлення заготовку споліскують, старанно промивають теплою проточною водою і змивають краску. Деколи буває зручно знімати лак наждачним папером №60 або №80. Готову друковану плату слідує для консервації покрити тонким шаром каніфольного лаку (розчині каніфолі в спирту) або зразу ж залудити хоча б контактні площадки (якщо це не зробити, то через деякий час через окислення фольги виконати пайку буде важче). Травити друковані плати можна і в розчині мідного купоросу і повареної солі. Чотири столові ложки повареної солі і дві ложки розтовченого в порошок мідного купоросу розтворяють в 500 мл. гарячої (примірне 80 гр. С) води і получають темно-зелений розчин, об'єм якого досить для стравлення приблизно 200 см2 поверхні мідної фольги, При підвищенні температури травлящого розчину час травлення зменшується. Оптимальну температуру підбирають експериментально по теплостійкості захисного лаку. Якщо необхідно виготовити друковану плату, форма і розмір якої не позволяють використати присутню кювету, можна поступити наступним чином. Ставити плати в поліетиленовий пакет підходящого розміру. В нього кладуть заготовку і заливають розчином хлорного заліза. При необхідності повисіти температуру розвину пакет кладуть під струю гарячої води або занурюють у воду і підігрівають на плитці. Для рівномірності травлення пакет покачують за краї. Щоб не пошкодити пакет, на заготовці плати треба закруглити краї. Дуже важно добре облудити печатні провідники. Для цього частіше всього приймають лекоплавлячі припої. Сучасні радіоелектронні пристрої виконують на мікросхемах різних типів.. Більшість мікросхем не терпить перегрівання, тому при пайці їх виводів використовують припої ПОСВ-33, ПОСК-50 і ПОС-61 з пониженою температурою плавлення (130-180 Сє) зі спирто-каніфольним флюсом. Дуже важно використовувати раціональні прийоми монтажу і демонтажу. Паяльник для монтажу і демонтажу мікросхем повинен мати потужність не більше 40 Вт і понижену напругу живлення (12-36 В). Монтують мікросхеми в наступному порядку. Встановлюють і фіксують її виводами в отворах, або на площадках плати, наперед злегка змочених флюсом, набирають на жало паяльника мінімальну кількість припою і послідовно виконують пайку всіх з'єднань. Для того, щоб зменшилась імовірність перегріву мікросхеми, не слідує паяти підряд виводи, розташовані один біля одного. При монтажі і демонтажі мікросхем в металевому корпусі вигідно користуватися невеликим магнітом з прикріпленою до нього ручкою із жесті. З його допомогою легко встановити мікросхему на контактне поле плати і припаяти два - чотири виводи. Перед монтажем мікросхем їх виводи формують, тобто згинають так, щоби забезпечити одночасне приставання до плати всіх виводів. Сформувати виводи можна пінцетом, вузькогубцями, але скоріше і краще всього - в спеціальному приладі. При макетуванні пристроїв на мікросхемах буває раціональніше використовувати панелі, подібні транзисторним або ламповим, а не перепаювати кожного разу виводи мікросхеми, рискуючи її спортити. Панель за звичай виготовляють із органічного скла, текстоліту, або іншого легко ізоляційного матеріалу.

Похожие статьи




ОБГРУНТУВАННЯ ВИБОРУ СХЕМИ ТА ОПИС ПРИНЦИПУ ДІЇ - Електронний цифровий мілівольтметр постійного струму з світлодіодним дисплеєм

Предыдущая | Следующая