17167

Разработка модуля питания и обработки сигнала гироскопа

Дипломная

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Модуль гироскопа (МГ) предназначен формирования напряжений питания гироскопа, приёма и обработки сигналов гироскопа, входящего в состав изделия прибора панорамного наблюдения командира (ППНК).

Русский

2014-06-10

15.53 MB

82 чел.

PAGE   \* MERGEFORMAT2

Тема проекта: Разработка модуля питания и обработки сигнала гироскопа   

утверждена приказом по университету от «_16  »   марта _2014 г. №    1-6/340_

Исходные данные к проекту:_Модуль гироскопа предназначен для формирования напряжений питания гироскопа, приема и обработки сигналов гироскопа. 


Аннотация

Тема дипломного проекта: «Разработка модуля питания и обработки сигнала гироскопа».

Год защиты: 2014

Дипломный проект выполнил студент: Сусоколов Д. А.

Руководитель проекта:  Тугарев А.С.

В настоящем дипломном проекте разработан модуль питания и обработки сигналов гироскопа. Актуальность темы обусловлена возможностью реализации сверхпрецизионного обработчика сигнала гироскопа для СУО нового поколения в танках Т-72 или любой другой техники, где требуется высокая точность измерений .

Дипломный проект состоит из шести разделов.

В первом разделе рассмотрено техническое задание разрабатываемого устройства, разработана структурная схема устройства.

Во втором разделе рассмотрены вопросы разработки схем электрических принципиальных, и приводятся расчеты элементов схемы.

В третьем разделе приводятся расчеты конструктивных частей модуля, расчет надежности и потребляемой мощности.

Четвертый раздел посвящен разработке технологических процессов изготовления и сборки изделия.

В пятом разделе произведен расчет технико-экономических затрат, связанных с проектированием и изготовлением разрабатываемого изделия.

В шестом разделе проведён анализ опасных и вредных факторов при производстве и эксплуатации изделия, приведены рекомендации по охране труда и окружающей среды.


Оглавление

[0.0.0.1]
Введение

[1] 1 Общая часть

[2] 1.1 Анализ технического задания

[3] 1.2 Характеристики гироскопа

[4] 1.3 Патентные исследования

[5] 2 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

[6] 2.1 Разработка схемы электрической принципиальной

[7] 2.1.1 Анализ выходных данных гироскопа

[8] 2.1.2 Частотная характеристика

[9] 2.1.3 Расчёт шумов гироскопа

[10]
2.2 Расчёт фильтра

[11] 2.2.1 Выбор частоты среза

[12] 2.2.2 Выбор типа фильтра.

[13] 2.2.3 Выбор топологии фильтра.

[14] 2.2.4 Анализ схем фильтров с дифференциальным входом и выходом

[15] 2.2.5 Анализ операционных усилителей для фильтра.

[16] 2.2.6 расчёт номиналов радиоэлектронных компонентов ФНЧ

[17] 2.2.7 Расчёт шумов схемы ФНЧ

[18] 2.2.8 Выбор элементной базы ФНЧ

[19]
2.3 Расчёт АЦП

[20] 2.3.1 Виды АЦП

[21] 2.3.2 Требования к АЦП

[22] 2.3.3 Описание ADS1255

[23] 2.3.4 Подключение ADS1255 в схему

[24]
2.4 Расчёт питания схемы

[25] 2.4.1 Расчёт источника опорного напряжения ацп

[26] 2.4.2 Расчёт напряжения питания гироскопа

[27] 2.4.3 Расчёт напряжения питания АЦП и ОУ

[28] 2.4.4 Расчёт схемы согласование сигналов

[29]
2.5 Расчет конструкции модуля гироскопа

[30] 2.5.1 Конструктивное исполнение модуля гироскопа

[31] 2.5.2 Конструктивное исполнение платы

[32]
3 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

[33] 3.1 Расчет потребляемой мощности

[34] 3.2 Тепловой расчет стабилизаторов напряжения

[35]
3.3 Расчет компоновки блока управления

[36]
3.4 Расчет собственной частоты колебаний печатного узла блока управления

[37]
3.5 Расчет параметров электрического соединения элементов печатного монтажа

[38] 3.5.1 Расчет минимального диаметра металлизированного отверстия

[39] 3.5.2 Расчет диаметра контактных площадок

[40] 3.5.3 Расчет ширины печатных проводников

[41] 3.5.4 Расчет расстояний между элементами проводящего рисунка

[42] 3.5.5 Расчет минимального расстояния между элементами проводящего рисунка

[43]
3.6 Расчет помехозащищенности печатного монтажа

[44] 3.6.1 Расчет паразитной емкости

[45] 3.6.2 Расчет паразитной взаимоиндукции и индуктивности

[46] 3.6.3 Расчет сопротивления изоляции цепей печатных проводников

[47] 3.6.4 Расчет величины помехи

[48]
3.7 Расчет надежности

[49]
4 Технологическая часть

[50] 4.1 Анализ технического задания и конструктивно-технологических особенностей изделия

[51] 4.2 Выбор метода, технологического оборудования и оснастки изготовления ПП

[52] 4.3 Выбор метода, технологического оборудования и оснастки для сборки модуля

[52.1] 4.4 Оценка технического уровня технологии

[53]
5 ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

[54] 5.1 Общие сведения о разрабатываемом изделии

[54.1] 5.2 Конструкторская разработка производства

[54.2] 5.3 Затраты времени на разработку технического проекта

[54.3] 5.4 Определение трудоемкости изготовления изделия

[54.4] 5.5 Трудоемкость технической подготовки производства

[55] 5.6 Расчет затрат на всех стадиях жизненного цикла изделия

[56] 5.6.1 Смета затрат на техническую подготовку производства

[57] 5.6.2 Расчет себестоимости и цены изделия

[58] 5.7 Определение затрат у потребителя проектируемого изделия

[59] 5.8 Технико-экономические показатели проекта

[60]
6 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

[61] 6.1 Анализ опасных и вредных факторов

[62]
6.1.1 Анализ вредных и опасных производственных факторов

[63] 6.1.2 Сборочно-монтажные работы

[64] 6.2 Мероприятия по обеспечению БЖД

[65] 6.2.1 Расчет защитного заземления

[66] 6.2.2 Оценка условия труда монтажника РЭА по степени тяжести и напряженности трудового процесса.

[67]
6.3 Мероприятия по обеспечению пожарной безопасности. Расчёт автоматической системы пожаротушения.

[68]
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

[69]
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А………………………………………………………………….117

Приложение Б…………………………………………………………………..154

Приложение В…………………………………………………………………..159

Приложение Г…………………………………………………………………...166

Приложение Д…………………………………………………………………...167

Приложение Е…………………………………………………………………...168

Приложение Ж…………………………………………………………………..169

Приложение И…………………………………………………………………...170

Приложение К…………………………………………………………………...171

Графическая часть

    Лист 1 Схема электрическая структурная ДП.210201.090323.001 Э1

    Лист 2 Схема электрическая принципиальная ДП.210201.090323.001.Э3

    Лист 3 Плата печатная ДП.210201.090323.002

    Лист 4 Сборочный чертеж ДП.210201.090323.001 СБ

    Лист 5 Общий вид изделия ДП.210201.090323.003.СБ

    Лист 6 Типовой процесс изготовления печатной платы ДП.210201.090323.004

    Лист 7 Технико-экономические показатели проекта ДП.21020.090323.004


Введение

Обязательным элементом оснащения современных зарубежных танков в последние годы стал панорамный прицел командира. Этот прибор обеспечивает круговое наблюдение за местностью и наведение оружия на цель. Совмещая в себе функции наблюдательного прибора и прицела, подобные системы способны значительно повышать боевые возможности танков. При помощи панорамного прицела командир танка может полностью управлять всеми процессами, необходимыми для ведения огня. Однако несмотря на все преимущества, подобное прицельное оборудование пока не стало обычным компонентом электронного оснащения танков вооруженных сил России. К сожалению, в настоящее время российским танкистам приходится использовать для наблюдения за обстановкой и наведения оружия разные приборы.

В последние годы отечественная оборонная промышленность создала несколько танковых систем управления огнем (СУО), в составе которых присутствуют панорамные прицелы. На данный момент танки с подобной аппаратурой не поставляются в войска, но в ближайшем будущем ситуация может измениться. Так танки Т-72Б в ходе ремонта и модернизации будут получать новую модификацию системы управления огнем «Калина», оснащённую панорамным командирским прицелом [1].

Разрабатываемое устройство предназначено для формирования напряжений питания гироскопа, АЦП и активного фильтра, входящих в модуль гироскопа, а также оцифровки аналоговых сигналов гироскопа, и передачу этой информации процессорному модулю. Модуль входит в состав системы стабилизации и наведения прибора панорамного изделия ППНК.

1 Общая часть

1.1 Анализ технического задания

Модуль гироскопа (МГ) предназначен формирования напряжений питания гироскопа, приёма и обработки сигналов гироскопа, входящего в состав изделия прибора панорамного наблюдения командира (ППНК).

В качестве гироскопического чувствительного элемента в ППНК используется двухосевой гироскоп INL-CVG-G200.

Модуль гироскопа должен формировать напряжение питания гироскопа;

1) В и В, стабильность ± 5% на всём температурном диапазоне; уровень шума по цепям ± 5 В не более:

– 5 мВ СКО в полосе [5 кГц, 10 кГц];

– 5 мВ СКО в полосе [15 кГц, 25 кГц];

– 5 мВ СКО в полосе [25 кГц, 40 кГц];

– 100 мВ СКО в полосе [5 кГц, 200 кГц];

– 200 мВ СКО в полосе [5 кГц, 50 МГц];

2) +3,3 В, стабильность ± 5% на всём температурном диапазоне, уровень шума не более 30 мВ СКО.

Потребляемая мощность ≤ 2Вт.

Модуль гироскопа должен принимать сигналы готовности гироскопа по вертикальному наведению (ВН) и горизонтальному наведению (ГН).

Модуль гироскопа должен выполнять преобразование аналоговых сигналов гироскопа в цифровой код, соответствующий угловой скорости вращения со следующими параметрами:

– диапазон преобразования ±5В;

– частота преобразования 7 кГц;

– температурная стабильность смещения нуля, приведённая ко входу, не более 0,2 мВ;

– температурная стабильность коэффициента преобразования не более 0,5%.

Дифференциальные выходы гироскопа должны быть подсоединены к дифференциальным входам АЦП или посредством дифференциального операционного усилителя с полным сопротивлением >> 2,5 кОм.

Выходные сигналы модуля гироскопа, передаваемые на модуль процессорный изделия ППНК: цифровые сигналы UВН, UГН, несущие информацию об угловых скоростях, сигналы готовности гироскопа «Готов гиро. ВН», «Готов гиро. ГН» по интерфейсу SPI.

Структурная схема модуля гироскопа приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Структурная схема модуля гироскопа

Выходной аналоговый дифференциальный сигнал гироскопа поступает на дифференциальный фильтр нижних частот с частотой среза 50 Гц, который фильтрует шумы перед АЦП, фильтрует сигнал вне полосы пропускания и выступает в качестве антиалиасингового фильтра. Отфильтрованный сигнал поступает на дифференциальные входы АЦП и после оцифровки поступает на модуль процессорный. Также гироскоп генерирует сигналы готовности, которые поступают на АЦП.

Напряжение ±7 В поступает с блока процессорного, которое проходит через преобразователь и преобразуется в ±5 В и 3,3 В напряжение питания гироскопа. Также с процессорного блока поступает напряжение 7 В, которое проходит через преобразователь и преобразуется в 5 В напряжения питания ФНЧ и напряжения питания источника опорного напряжения, 5 В напряжения питания аналоговой части АЦП и 1,8 В напряжения питания цифровой части АЦП.

1.2 Характеристики гироскопа

В качестве гироскопического элемента для модуля гироскопа используется Кориолисов вибрационный гироскоп INL-CVG-G200. 

Гироскоп INL-CVG-G200 компании INNALABS – это двухосевой Кориолисов вибрационный гироскоп, отвечающий техническим требованиям инерциальных систем тактического класса, и характеризующийся низким уровнем выходного шума, широкой полосой пропускания, малым размером и малым весом, а также прочностью и высокой надёжностью [2].

Твердотельные вибрационные гироскопы (ТВГ) INL-CVG компании INNALABS по своим тактико-техническим характеристикам не имеют аналогов в мире. Высокая надёжность и стабильность, низкий шум и доступная цена позволяют решать большой спектр задач пользователей из различных областей применения. ТВГ не содержат оптических, движущихся и микромеханических частей. При этом в гироскопах INL-CVG достигнуты наилучшие показатели Стабильности смещения нуля и шума среди конкурентов в данном сегменте рынка.

Основные параметры гироскопа INL-CVG-G200:

– Стабильность смещения нуля в запуске < 0,1 °/ч

– Низкий уровень шума выходного сигнала (< 0,008 °/сек)

– Широкая полоса пропускания (150 Гц)

– Высокий показатель наработки на отказ 500000 ч)

– Запас прочности (удар 500g).

– Полное выходное сопротивление 82 Ом.

Гироскоп готов к использованию менее чем через 1 секунду после подключения питания, и выдаёт 2 аналоговых выходных сигнала, которые пропорциональны угловым вращениям вокруг 2-х чувствительных осей (с ограничением вращения до ±95 °/с).

Степень тестируемости системы достигает 95% благодаря функциям встроенного контроля (BIST) и заключительного испытания в контуре (FILT). Параметры гироскопа приведены в приложении Б.

В основе работы гироскопа INL-CVG лежит управление двумя стоячими волнами в физическом теле – резонаторе, который может быть как осесимметричным, так и неосесимметричным. При этом, осесимметричная форма резонатора позволяет достичь выдающихся характеристик гироскопа, а именно: значительно увеличить срок жизни гироскопа (Среднее время наработки на отказ > 500000 часов) и его удароустойчивость (500g, 0,5 мс).

Чувствительный элемент (ЧЭ) состоит из цилиндрического резонатора, который имеет два основных резонансных режима второго порядка, возникающих на одной и той же частоте. Геометрическая форма каждого из основных резонансных режимов принимает форму эллиптического колебания с четырьмя пучностями и четырьмя узлами, располагающимися вдоль окружности по ободку.

ЧЭ возбуждается таким образом, чтобы поддерживать первый основной резонансный режим (первая основная резонансная мода), и использовать второй основной резонансный режим для распознавания вращений. На рисунке 1.2 показан принцип работы ЧЭ. В приложении В приведен внешний вид гироскопа INL-CVG-G200 и его чувствительных элементов [3].

Рисунок 1.2 – Принцип работы чувствительного элемента.

Замкнутый контур используется для приведения второго основного резонансного режима к нулю, и сила, необходимая для гашения данного режима, пропорциональна скорости входного вращения. Соответствующая замкнутая система автоматического регулирования называется компенсационной [4].

На рисунке 1.3 изображена ориентация выходов гироскопа. Если смотреть на каждый ЧЭ сверху, вращение против часовой стрелки будет давать положительный выход: PO1 > 0 или P02 > 0. Соответственно, NO1 и NO2 будет иметь отрицательное значение, и равняться по модулю соответственно PO1 и PO2.

Рисунок 1.3 – Ориентация выводов гироскопа

После подключения питания и начального запуска в гироскопе INL-CVG-G200 запускается две программы BIST, работающие во время эксплуатации. Одна программа работает для оси 1 (BIST1), другая – для оси 2 (BIST2). Функция BIST – это TTL вывод напряжения постоянного тока, который помогает определить 80% поломок оборудования. Высокое напряжение (+2,4 В к +5 В входного напряжения) показывает, что гироскоп INL-CVG-G200 работает и выходные данные доступны. Если BIST выдаёт низкое напряжение (0 В… +0,4 В), тогда выходные данные гироскопа INL-CVG-G200 недоступны.

Пользователь имеет возможность проверить пригодность гироскопа INL-CVG-G200 с помощью двух управляемых тестов (FILT). Один для оси 1, другой – для оси 2. Функция FILT – это входной TTL сигнал постоянного тока, подаваемый пользователем. Этот сигнал вызывает выходной сигнал с выбранной оси, что позволяет контролировать всю электромеханическую передаточную функцию гироскопа INL-CVG-G200, а также его пригодность.

Благодаря объединению функций BIST и FILT обнаруживается 95% поломок гироскопа INL-CVG-G200. Если пользователь подает входное напряжение в диапазоне от +2,4 В до +5 В на контакт FILT, соответствующий выходной сигнал INL-CVG-G200 уменьшится до -3 В, -2 В, или увеличится до + 2 В, + 3 В в случае подачи напряжения на отрицательный вывод оси. В случае если входное напряжение на FILT равно нулю, или изначально не подсоединено, то выходной сигнал гироскопа INL-CVG-G200 – номинальный [2].

Дифференциальный режим – это режим, обеспечивающий лучшую защиту от влияний ЭМС/ЭМИ по сравнению с недифференциальным режимом, поскольку он позволяет подавить шум синфазного режима, наблюдаемый на выходах PO и NO, а также влияние перепадов напряжения с помощью провода заземления.

Для оси 1, контакты отрицательного и положительного вывода должны быть подсоединены к дифференциальному входу АЦП или посредством дифференциального операционного усилителя пользователя. Аналогично подключаются контакты для оси 2.

В дифференциальном режиме выходное напряжение также пропорционально величине задаваемой угловой скорости, однако масштабный коэффициент умножается на 2 по сравнению с недифференциальным режимом (2U в диапазоне от -9 В до +9 В).

1.3 Патентные исследования

Проведён подбор патентных документов РФ за период с 1994 по апрель 2014 гг. в электронных базах данных сайта ФИПС и в патентном фонде ОАО КМЗ, составлены списки патентных документов РФ по следующим индексам Международной патентной классификации [5]:

1) F41G5/00 – Системы управления вертикальной или горизонтальной наводкой орудий.

2) F41G5/14 – Системы управления вертикальной или горизонтальной наводкой орудий, смонтированных на транспортных средствах.

3) F41G5/24 – Системы управления вертикальной или горизонтальной наводкой орудия на танках.

4) G02B13/00 – Объективы специального назначения.

5) G02B13/14 – Объективы специального назначения для инфракрасных или ультрафиолетовых лучей.

6) G02B13/18 – Объективы специального назначения с линзами, имеющими одну или несколько несферических поверхностей, например для уменьшения геометрической аберрации.

7) G02B15/00 – Объективы со средствами для измерения размеров изображения.

8) G02B23/00 – Телескопические устройства, например бинокли; перископы; приборы для просмотра внутренней полости полых тел; видоискатели; устройства оптического наведения или прицеливания.

9) G02B23/02 – Телескопические устройства, например бинокли; перископы; приборы для просмотра внутренней полости полых тел; видоискатели; устройства оптического наведения или прицеливания с призмами или зеркалами.

10) G02B23/02 – Телескопические устройства, например бинокли; перископы; приборы для просмотра внутренней полости полых тел; видоискатели; устройства оптического наведения или прицеливания с фокусирующим воздействием, например параболическим зеркалом.

Патентные исследования по теме «Панорамный прибор наблюдения командира», проведённые в марте-апреле 2014 года, показали, что охранные документы, нарушающие патентную чистоту изделия «ППНК» не обнаружены. Панорамный прибор наблюдения командира может быть изготовлен обладающими патентной чистотой по РФ в отношении изобретений и полезных моделей.

Таблица 1.1 – Объект техники и его составные части (в том числе технический, художественно-конструкторские решения), подлежащие экспертизе на патентную чистоту

Наименование объекта техники и его составных частей

Страна, в отношении и которой проводится исследование патентной чистоты

Научно-техническая документация

Охранные документы: патенты, выложенные и акцептованные заявки

Действующие охранные документы

Изделие ППНК

Россия

Прибор панорамный

-/-

Не обнаружены

Не обнаружены

Не обнаружены

Устройство приемное

-/-

-/-

-/-

-/-

Объект тепловизионный

-/-

-/-

-/-

-/-

Монтажная платформа

-/-

-/-

-/-

-/-

2 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Разработка схемы электрической принципиальной

2.1.1 Анализ выходных данных гироскопа

Для того, что бы перейти к оцифровке сигнала гироскопа, сначала нужно: определить его диапазон угловых скоростей, зависимость между угловыми скоростями и напряжением, частотный диапазон выходных сигналов гироскопа, вычислить уровень шумов по напряжению в полосе частотного диапазона, вычислить уровень шумов по напряжению в полосе до 50 Гц и определить динамический диапазон выходных сигналов.

Диапазон угловых скоростей – это характеристика гироскопа, которая не зависит от внешних факторов, определяется изготовителем и описана в техническом описании. Предел диапазона измерений INL-CVG-G200 по осям 1 или 2, составляет [2]:

|Ω1| ≤ 95°/с;      

|Ω2| ≤ 95°/с.      

Модель погрешности выходных данных для каждой оси INL-CVG-G200 выглядит следующим образом:

U1=МК1×(K01+Ω1+α1+ Ω1t);    (2.1)

U2=МК2×(K02+Ω2+α2+ Ω2t).    (2.2)

В таблице 1 показаны параметры модели погрешности.

Таблица 2.1 – Параметры модели погрешности.

Параметр

Единица измерения

Описание

U1

В

Вывод по оси 1

МК1, МК2

В//с)

Масштабный коэффициент по оси 1 и 2

K01, K02

°/с

Ошибка смещения нуля по оси 1 и 2

Ω1, Ω2

°/с

Входное вращение по осям 1 и 2

Ω1t, Ω2t

°/с

Вращения, перпендикулярные осям 1 и 2

α1, α2

радиан

Погрешность выставки по оси 1 и 2

Погрешность масштабного коэффициента рассчитывается по формуле (2.3) и (2.4):

МК1 = МК1׳×(1+ ε1);     (2.3)

МК2 = МК2׳×(1+ ε2).     (2.4)

Где: MK1׳ и MK2׳номинальное значение масштабного коэффициента, которое для дифференциального режима равно: 0,064 В/(°/с). ε1 и ε1это погрешности масштабного коэффициента, которые равны 1500ppm.

Подставляя данные в формулы (3) и (4) получим значение погрешности масштабного коэффициента:

МК1 = 0,064096 В/(°/с);    

МК2 = 0,064096 В/(°/с).    

Ошибка смещения нуля по оси 1 и 2 равна:

K01 = 2,7∙10-5 °/с;      

K02 = 2,7∙10-5 °/с.      

Вращения, перпендикулярные осям 1 и 2 равны:

Ω1t = 2,2∙10-5 °/с;      

Ω1t = 2,2∙10-5 °/с.      

Погрешность выставки по оси 1 и 2 равна:

α2 <8мрад;        

α2 <8мрад.        

Можно посчитать общую погрешность выходных данных для оси 1 и 2, подставляя значение рассчитанных погрешностей в формулу (2.3) и (2.4):

U1 = 0.064∙(0,000027+ 0,000022+0,008+ Ω1);   

U2 = 0.064∙(0,000027+ 0,000022+0,008+ Ω2).   

При изменении входного вращения по осям 1 и 2 на 1 °/с, выходные данные будут равны:

U1 = 0,06451 В;      

U2 = 0,06451 В.      

Как видно из расчётов, выходное напряжение имеет отклонение от масштабного коэффициента в 500 мкВ. Полученное значение на порядок меньше единичного вращения по оси, поэтому им можно пренебречь.

В итоге получим зависимость между угловой скоростью и напряжением для дифференциального режима:

Uвых = MK× Ω ×1,008.     (2.5)

2.1.2 Частотная характеристика

Частотная характеристика |U1/Ω1| гироскопа INL-CVG-G200 по оси 1 или |U2/ Ω2| по оси 2 является следующей:

|АЧХ| ≤ ±0,5 дБ до 10 Гц;

АЧХ ≤ 6 дБ около 150 Гц (полоса пропускания);

АЧХ ≤ -3 дБ при частотах ≥ 300 Гц (частота среза);

|фазовая задержка| ≥ 90° при частотах ≥ 130 Гц.

2.1.3 Расчёт шумов гироскопа

Вне зависимости от оси, при комнатной температуре, характеристики шума будут следующими:

Диапазон 1 – [1 Гц, 10 Гц], Интегральный шум ≤ 0,0016 °/с СКО.

Диапазон 2 – [1 Гц, 100 Гц], Интегральный шум ≤ 0,01 °/с СКО.

Диапазон 2 – [1 Гц, 1000 Гц], Интегральный шум ≤ 0,3 °/с СКО.

Некоторый сигнал может наблюдаться на уровне 500 Гц, вне полосы пропускания гироскопа INL-CVG-G200. Этот сигнал – результат влияния электрического соединения между двумя осями INL-CVG-G200 [2].

Зависимость интегрального шума от частоты показана на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Зависимость интегрального шума от частоты

В полосе до 50 Гц интегральный шум будет равен 0,002 °/с. Чтобы рассчитать напряжение на выходе любой из оси гироскопа в состоянии покоя, нужно умножить значение напряжения, полученного в формуле (2.5) на интегральный шум:

Uвыхmin = 0,064∙0,002∙1,008 = 129 мкВ

Имея значения минимального напряжения на выходе гироскопа, и зная максимальное напряжение на выходе гироскопа можно посчитать динамический диапазон гироскопа.

Динамический диапазон есть отношение максимального сигнала к минимальному. Минимальным сигналом гироскопа является его шум, который равен 129 мкВ. Максимальный сигнал вычисляется через преобразование максимальной измеряемой угловой скорости в напряжение по формуле (2.5):

Uвыхmax = 0,064∙95∙1,008 = 6,13 В

Вычислив минимальное и максимальное выходное напряжение на гироскопе, можно вычислить динамический диапазон гироскопа: Dс = Uвыхmax/Uвыхmin= 47519, что равно 93,5 дБ.

Определив выходные характеристики гироскопа, можно переходить к расчёту дифференциального фильтра нижних частот.


2.2 Расчёт фильтра

2.2.1 Выбор частоты среза

Для того, что бы произвести оцифровку выходного сигнала гироскопа, его нужно подать на АЦП. Для предотвращения наложения спектров, сигнал, подаваемый на вход АЦП, должен быть пропущен через фильтр нижних частот (ФНЧ) для подавления спектральных компонент, частота которых превышает половину частоты дискретизации. Этот фильтр получил название антиалиасинговый (anti-aliasing, англ) фильтр [6].

Алиасинг — одна из главных проблем при аналого-цифровом преобразовании сигналов. Неправильная дискретизация аналогового сигнала приводит к тому, что высокочастотные его составляющие накладываются на низкочастотные, в результате чего восстановление сигнала во времени приводит к его искажениям. Для предотвращения этого эффекта частота дискретизации должна быть достаточно высокой и сигнал должен быть надлежащим образом отфильтрован перед оцифровкой.

На рисунке 2.2 показан пример наложения частот различных непрерывных сигналов при их дискретизации.

Рисунок 2.2 – Два разных синусоидальных сигнала, при оцифровке неотличимых: высокочастотный с частотой f > fs/2 (красный) и низкочастотный fsf (синий).

Скорость, с которой проводится дискретизация аналогового сигнала по времени, называется частотой дискретизации. От нее зависит максимальная частота сигнала, который можно правильно закодировать. Частота дискретизации должна быть как минимум вдвое выше максимальной частоты кодируемого сигнала

Соотношение между частотой дискретизации и шириной полосы частот аналогового сигнала было установлено в теореме Найквиста-Котельникова.

Если нарушить теорему Найквиста и производить дискретизацию сигнала, имеющего частоту выше, чем половина частоты дискретизации, то появятся нелинейные искажения, называемые наложением спектров. Из-за них в спектре дискретизированного сигнала появляются составляющие, отсутствовавшие в исходном сигнале. Например, если дискретизацию сигнала синусоидальной формы, имеющего частоту 33 кГц, проводить с частотой 48 кГц, появится новый сигнал с частотой 15 кГц (48 кГц минус 33 кГц). Если появились искажения наложения спектров, то вносимые ими в сигнал новые компоненты невозможно удалить.

Избежать наложения спектров можно, правильно выбрав соотношение между частотой дискретизации и шириной частотного спектра аналогового сигнала. Для этого перед АЦП, включают фильтр нижних частот, который задерживает составляющие спектра аналогового сигнала с частотой выше половины частоты дискретизации. Входной фильтр беспрепятственно пропускает сигналы нужного диапазона частот, а за его пределами затухание фильтра резко возрастает [7].

Частоту среза ФНЧ следует выбирать из условия, что частота дискретизации должна быть в 2 раза больше частоты сигнала (по теореме Котельникова). По ТЗ частота дискретизации должна быть не ниже 7 кГц, в то время как частота сигнала гироскопа находится в полосе до 150 Гц, что меньше частоты дискретизации в 47 раз.

Однако даже с частотой дискретизации, большей удвоенной частоты сигнала, наводки от внешних сигналов, таких как сигналы от линий электропередачи или местных радиостанций а также сигнал гироскопа на частоте 500 Гц, содержат частоты выше частоты кодируемого сигнала. Частотные компоненты внешних сигналов выше частоты сигнала гироскопа, что может привести к ошибочным результатам. Таким образом, нужно удалить все частоты, кроме частоты сигнала гироскопа, перед тем, как подавать его на АЦП.

Исходя из этих условий, примем частоту среза ФНЧ 50 Гц.

2.2.2 Выбор типа фильтра.

Прежде чем рассчитывать ФНЧ, нужно определиться с его типом и топологией.

На рисунке 2.3 изображены АЧХ различных типов фильтров [8].

Рисунок 2.3 – АЧХ фильтров Баттерворта, Чебышёва и эллиптического фильтра.

Фильтр Баттерворта имеет наиболее плоскую АЧХ в полосе пропускания, что желательно для большинства аналоговых трактов. Фильтр второго порядка обеспечивает спад 40 дБ на декаду в той части АЧХ, которая лежит за частотой среза (частота на которой происходит ослабление на 3 дБ). АЧХ фильтра Баттерворта — монотонно убывающая функция частоты. В сравнении с фильтрами Чебышёва I и II типов или эллиптическим фильтром, фильтр Баттерворта имеет более линейную фазо-частотную характеристику на частотах полосы пропускания.

После выбора типа фильтра нужно определиться с его порядком.

На рисунке 2.4 показана ЛАЧХ для фильтров Баттерворта нижних частот порядка от 1 до 5. Наклон характеристики— 20n дБ/декаду, где n— порядок фильтра.

Рисунок 2.4 – ЛАЧХ для фильтров Баттерворта нижних частот порядка от 1 до 5.

Из рисунка 2.12 видно, что ФНЧ первого порядка имеет самый медленный спад АЧХ, что не удовлетворяет требованиям к фильтру. Фильтры более второго порядка имеют сложную схемотехнику, что требует увеличения активных и пассивных элементов, что влечет за собой увеличение шумов и погрешностей обработки сигнала. Исходя из этого, в качестве типа фильтра выберем фильтр Баттерворта второго порядка.

После выбора типа фильтра нужно определиться с топологией фильтра.

2.2.3 Выбор топологии фильтра.

Чаще других для реализации активных фильтров применяют схемы которых показаны на рисунке 2.5. Звено по схеме а) построено на основе неинвертирующего усилителя или, как его называют в теории активных фильтров, источника напряжения, управляемого напряжением (еще одно название – структура Саллена – Ки (Sallen-Key). Звено по схеме б называют звеном с многопетлевой обратной связью (МПОС) или структурой Рауха [9,10].

Рисунок 2.5 – Схемы активных звеньев второго порядка.

В дифференциальных усилителях и схемах смешанных сигналов, например АЦП, есть возможность ослабить синфазную составляющую сигнала и шумы, что является важным преимуществом по сравнению со схемами с асимметричными входами/выходами. В последних, нежелательные шумы и сигналы могут смешиваться с полезным сигналом. Дифференциальные схемы более сложны, и в них используется большее число пассивных компонентов, но улучшение характеристик схемы оправдывает такое усложнение. Подобно дифференциальным усилителям, дифференциальные фильтры также ослабляют синфазную составляющую сигнала.

Т.к. выходной сигнал гироскопа представляет собой дифференциальный сигнал, то и ФНЧ должен быть построен по структуре дифференциальный вход/дифференциальный выход.

По топологии Sallen-Key невозможно построить фильтр с дифференциальным входом и выходом.

2.2.4 Анализ схем фильтров с дифференциальным входом и выходом

На рисунке 2.6 изображена схема фильтра на основе вычитающего усилителя [11].

Рисунок 2.6 – Фильтр на основе вычитающего усилителя

Данный ФНЧ является сочетанием инвертирующего и неинвертирующего усилителей, коэффициенты усиления которых равны единице. Из этого следует, что резисторы, задающие коэффициент усиления у обоих плеч будут одинаковы. В рассматриваемом случае напряжение на выходе определяется из выражения:

Uвых = ∆U(K1+K2) + U0(K1-K2),     (2.6)

где Uвых – дифференциальное напряжение на выходе фильтра, В;

U – разность напряжений на входе фильтра, В;

K1 – коэффициент усиления неинвертирующего плеча

K1 = ;     (2.7)

K2 – коэффициент усиления инвертирующего плеча

K2 = .     (2.8)

U0 – напряжение смещения, равное половине от напряжения питания, т.е. 2,5 В.

Для определения пригодности схемы по температурному дрейфу нужно посчитать, как ведет себя выходное напряжение при отсутствии сигнала, т.е. ∆U = 0 В.

Коэффициент усиления (КУ) фильтра должен быть равен единице. Это сделано по нескольким соображение: во первых, КУ больше единицы будет усиливать вместе с сигналом также и его шумы, что будет сказываться в итоге на выходном цифровом сигнале, во вторых, сигнал с гироскопа приходит достаточно большой по напряжению, и усиливать его нет необходимости. Наоборот, усиления сигнала может превысить допустимый входной ток ОУ, что чревато выводом последнего из строя.

Для того, что бы посчитать коэффициенты усиления плеч, нужно определиться с номиналом и маркой резисторов. По ТЗ, выходной сигнал гироскопа должен подключаться к дифференциальным входам ФНЧ, сопротивление которых не менее 2,5 кОм. Исходя из этого, возьмем резисторы R1 и R3 номиналом 2 кОм. На данном этапе, точное значение номиналов резисторов коэффициента преобразования, не играют существенной роли, т.к. коэффициент преобразования равен единице (R1 = R3) и их номиналы будут приблизительно равны требованиям по ТЗ. Разброс номиналов в ±1000 Ом не повлияет на стабильность коэффициента преобразования. В дальнейшем, расчёты покажут это.

Определившись с номиналом резистора, нужно определить его температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Температурный коэффициент сопротивления равен относительному изменению электрического сопротивления удельного сопротивления вещества при изменении температуры на единицу. Так как все материалы обладают определенным удельным сопротивлением (при температуре 25°С), их сопротивление будет изменяться на определенную величину в зависимости от изменения температуры [12].

Изменение сопротивления от температуры будет влиять на коэффициент усиления, и как следствие – коэффициент может стать как больше единицы, что будет дополнительно усиливать сигнал и шумы, так и меньше, что ведет к ослаблению сигнала и как следствие – ухудшению отношения сигнал шум и неразличимости слабого сигнала гироскопа и шумов.

Зависимость сопротивления от температуры, отличной от нормальной, можно выразить через следующую формулу:

R׳ = R·(1±ТКС×(T-Tк)),     (2.9)

где R׳значение сопротивления при изменении температуры окружающей среды, Ом;

R – номинальное сопротивление резистора, Ом;

ТКС – температурный коэффициент сопротивления, ppm∙10-6C;

Т – температура окружающей среды, °C;

Tк – комнатная температура (25°C).

Вычисление изменения сопротивления надо рассчитывать при наихудшем случае – когда разница температуры окружающей среды и комнатной температуры имеет наибольшее значение. По ТЗ, блок гироскопа должен работать в температурном диапазоне от -40°C до +55°C. Следовательно, наихудший случай – когда температура окружающей среды равна -40°C.

Как видно из расчётов, уменьшение сопротивления прецизионных резисторов, практически не оказывает влияние на изменение коэффициента преобразования.

Дальнейшие расчёты проводятся при значении сопротивления в 2 кОм.

Температурная стабильность коэффициента преобразования или мультипликативная погрешность:

K׳ = (K1+K2).     (2.10)

Рассмотрим несколько вариантов резисторов, выпускаемых разными фирмами, и сравним их ТКС. Параметры резисторов описаны в таблице 2 [13,14,15].

Таблица 2.2 – Сравнительные характеристики резисторов

ТКС, ppm∙10-6/°C

R1׳, Ом

R2׳, Ом

K1

K2

K׳, %

Uвых, мВ

Р1-81

±150 ppm

2019,5

1980,5

1,0397

1,0196

2,7

50,25

Yageo

±50 ppm

2006,5

1993,5

1,013

1,0065

0,97

16,25

Susumu

±0,1 ppm

2000,013

1999,987

1,000026

1,000013

0,19

3,25

По ТЗ, температурная стабильность смещения нуля, приведённая ко входу, не более 0,2 мВ.

Из расчёта, можно сделать вывод, что резисторы всех фирм не удовлетворяют требованиям ТЗ по температурной стабильности смещения нуля, что более важно, чем температурная стабильность коэффициента преобразования, и их применение нежелательно.

По результатам расчётов температурной стабильности коэффициентов преобразования и температурной стабильности смещения нуля, можно сделать вывод: схема ФНЧ на основе вычитающего усилителя не подходит для прецизионных измерений, т.к. имеет большую погрешность даже при использовании прецизионной элементной базы.

Рассмотрим топологию фильтра с многопетлевой обратной связью (МПОС). Для их построения требуется один ОУ, реализующий каскад второго порядка. Использование одного или более каскадов фильтров с МПОС часто обеспечивает необходимый уровень фильтрации, и не требуется использовать фильтры иной топологии. Фильтры с МПОС — одна из немногих топологий хорошо подходящих для построения полностью дифференциальных активных фильтров. Обратная связь с выхода ОУ подается только на инвертирующий вход. Неинвертирующий вход используется для смещения либо от потенциала земли, либо от синфазного напряжения. Базовая топология фильтра с МПОС может использоваться для построения полностью дифференциального фильтра с такой же АЧХ.

 На рисунке 2.7 изображена схема ФНЧ Баттерворта второго порядка на основе ОУ с МПОС.

Рисунок 2.7 – схема ассиметричного ФНЧ Баттерворта второго порядка с МПОС.

Выходной сигнал гироскопа представляет собой дифференциальный аналоговый сигнал. Для того, что бы получить дифференциальный сигнал на выходе фильтра, нужно:

– нарисовать зеркальное отражение ассиметричного ФНЧ.

– соединить заземленные компоненты.

– заменить ассиметричный ОУ и его зеркальное отражение полностью дифференциальным усилителем (ПДУ).

На рисунке 2.8 изображена схема полностью дифференциального ФНЧ с МПОС.

Рисунок 2.8 – Схема дифференциального ФНЧ Баттерворта второго порядка с МПОС.

Схемотехника обоих каналов одинаковая. Поэтому достаточно рассчитать фильтр для одного канала. Номиналы элементов и АЧХ второго канала будут идентичными.

2.2.5 Анализ операционных усилителей для фильтра.

Прежде, чем рассчитывать фильтр, нужно убедиться, что схема выбрана правильно и проходит по требованиям ТЗ.

Коэффициент усиления такой схемы [16]:

K = .      (2.11)

Где, R3 – резистор обратной связи. R1 – резистор на входе фильтра.

Знак минус, показывает, что сигнал на выходе инвертирован по фазе по сравнению с входным сигналом.

Температурная стабильность коэффициента преобразования рассчитывается по формуле:

K = .      (2.12)

Из предыдущих расчётов, видно, что наилучшими показателями теплого дрейфа, обладают резисторы фирмы Susumu. Поэтому при дальнейших расчётах будем использовать именно эти резисторы.

С учетом формулы (9), R3 =2001,3 Ом и R1 =1998,7 Ом.

Тогда температурная стабильность коэффициента преобразования равна 0,13%. По ТЗ максимальное отклонение коэффициента преобразования равна 0,5%.

Температурная стабильность смещения нуля, приведённая ко входу, для этой схемы рассчитывается по формуле:

Uвых = Uсм+Uсмt×∆T×(1+).     (2.13)

где Uвых – напряжение выхода ФНЧ, В;

Uсм – напряжение смещения нуля ОУ, В;

Uсмt – температурный дрейф смещения напряжения В/°C;

T – разность рабочих температур (-40+55), °C;

R3 – сопротивление обратной связи, Ом;

R1 – входное сопротивление ОУ, Ом.

Выбор ОУ для ФНЧ должен основываться на таких параметрах, как низкий шум по напряжению и току, малое напряжение смещение и малый температурный дрейф напряжения смещения. Также ОУ должен быть сдвоенным. Это позволяет уменьшить погрешность преобразования от разброса элементов внутри ОУ. ОУ должен работать в температурном диапазоне от -40 до +55. Приоритетным напряжением питания ОУ должно быть 5 В. Выбор такого напряжение позволит существенно упростить схему питания усилителя и АЦП.

Проведем анализ лучших прецизионных ОУ от фирм ВОСХОД, Texas Instruments (TI) и Analog Devices (AD).

Первым шагом к выбору ОУ будет расчёт температурной стабильности нуля.

Параметры напряжений смещения ОУ показаны в таблице 3.

Таблица 2.3 – Сравнительные характеристики напряжений смещения ОУ.

К157УД4А

AD8656 (AD)

OPA1612 (TI)

ADA4528-2 (AD)

Uсм, мкВ

3000

500

250

2,5

Uсмt, мкВ/°C

50

4

2,3

0,015

Напряжение питания, В

2-18

0-5

±2,25 – ±18

2,2-5,5

К157УД4 – малошумящий операционный усилитель с широким диапазоном напряжений питания. Внутренняя частотная коррекция отсутствует [17].

Рассчитаем температурную стабильность смещения нуля, приведенную ко входу ОУ К157УД4 по формуле (2.13):

Uвых = 0,003+0,00005×15×(1+) = 91,5 мВ

По ТЗ, температурная стабильность смещения нуля, приведённая ко входу равна 0,2 мВ. Расчётное значение превышает допустимое в 458 раз. Следовательно, можно сделать вывод, что отечественный ОУ К157УД4 не подходит для использования в этом устройстве.

AD8656 – сдвоенный ОУ, который имеет один из самых низких уровней шума, среди прецизионных КМОП усилителей. В нем эффективно использована технология Analog Devices DigiTrim для достижения высокой точности постоянного тока. AD8656 обеспечивает низкий уровень шума (2,7 нВ/√Гц при полосе пропускания 10 кГц) Имеет Rail-To-Rail (R2R) выход, что обеспечивают выходное напряжение, практически равное напряжению питания. Это дает практически идентичное напряжение на входе и выходе и позволяет использовать ОУ в качестве буфера аналого-цифровых преобразователей (АЦП) [18].

Рассчитаем температурную стабильность смещения нуля, приведенную ко входу ОУ AD8656 по формуле (2.13):

Uвых = 0,0005+0,000004×15×(1+) = 15,1 мВ

По ТЗ, температурная стабильность смещения нуля, приведённая ко входу равна 0,2 мВ. Расчётное значение превышает допустимое в 79 раз. Следовательно, можно сделать вывод, что ОУ AD8656 не подходит для использования в этом устройстве.

OPA1612 – сдвоенный ОУ с биполярным входом, с низким уровнем шума (1,1 нВ/√Гц в полосе до 1 кГц). ОУ работает в широком диапазоне напряжения питания в пределах ±2,25 В…±18 В [19].

Рассчитаем температурную стабильность смещения нуля, приведенную ко входу ОУ OPA1612 по формуле (2.13):

Uвых = 0,00025+0,0000023×15×(1+) = 7,5 мВ

По ТЗ, температурная стабильность смещения нуля, приведённая ко входу равна 0,2 мВ. Расчётное значение превышает допустимое в 38 раз. Следовательно, можно сделать вывод, что ОУ OPA1612 не подходит для использования в этом устройстве.

ADA4528-2  – ОУ, обладающий сверхнизким шумом и нулевым дрейфом [20].

ADA4528-2 имеет сверхнизкий шум, нулевой дрейф и выход R2R. Напряжение смещения 2,5 мкВ, температурный дрейф напряжения смещения 0,015 мкВ/°С. ADA4528-2 хорошо подходит для применения в прецизионных устройствах, где нужна максимальная точность. ADA4528-2 имеет широкий диапазон напряжения питания – от 2,2 В до 5.5 В, высокий коэффициент усиления, и отличный CMRR (КООС – коэффициент ослабления синфазного сигнала, что делает его идеальным для прецизионного усиления сигналов низкого уровня, таких как различные датчики. Диапазон рабочих температур от -40 °C до +125 °C. 

Рассчитаем температурную стабильность смещения нуля, приведенную ко входу ОУ ADA4528-2 по формуле (2.13):

Uвых = 0,0000025+0,000000015×15×(1+) = 75 мкВ

Согласно ТЗ, температурная стабильность смещения нуля, приведённая ко входу, должна быть не более 0,2 мВ. Температурная стабильность смещения нуля ОУ ADA4528-2 равна 0,075 мВ, что ниже заданного значения в 2,5 раза. Из этого можно сделать вывод, что ОУ ADA4528-2 имеет отличные показатели температурной стабильности и подходит для использования в разрабатываемом блоке.

По итогам расчёта можно сделать вывод, что все рассматриваемые ОУ, кроме ADA4528-2, не подходят для использования в качестве прецизионных ФНЧ или усилителей. Поэтому в дальнейшем, при расчёте шумов схемы, эти ОУ не будут браться в расчёт. Характеристики ADA4528-2 приведены в приложении Г.

2.2.6 расчёт номиналов радиоэлектронных компонентов ФНЧ

Схема ФНЧ Баттерворта второго порядка, построенного по топологии МПОС, показана на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 – схема ФНЧ Баттерворта второго порядка с МПОС.

Для расчёта номиналов элементов ФНЧ воспользуемся методикой упрощения, описанной в [21].

Передаточная функция Hнч ФНЧ второго порядка:

.     (2.14)

Где, K – коэффициент передачи.

Fc – частота среза, Гц.

FSF – масштабный коэффициент частоты.

Q – добротность фильтра.

Идеальная передаточная характеристика с подстановкой сопротивлений и емкостей:

.  (2.15)

Приравняв обе передаточные характеристики, можно выразить добротность, коэффициент передачи, масштабный коэффициент и частоту среза.

Коэффициент передачи К равен:

K = -R3/R1     (2.16)

Произведение масштабного коэффициента и частоты среза fc равно:

.     (2.17)

Добротность фильтра Q равна:

.     (2.18)

Добротности различных фильтров и их масштабные коэффициенты давно рассчитаны и известны и нет необходимости заново их считать. Поэтому воспользуемся данными таблицы [22]. Для второго порядка фильтра Баттерворта добротность равна 0,707. Масштабный коэффициент равен 1.

По ТЗ, входное сопротивление одного плеча должно быть не менее 1250 Ом. Коэффициент усиления фильтра равен единице, т.е. отношения входного резистора R1 к резистору обратной связи R3 равно единице. Следовательно, резистор R3 равен резистору R1 и равен.

При выборе номинала входного резистора нужно обратить внимание на максимальный допустимый входной ток ОУ. Максимальное значение входного тока ОУ ADA4528-2 равно 10 мА. Однако не надо вводить ОУ в критический режим. Поэтому, примем, что максимальный входной ток ОУ равен 5 мА. Вычислить ограничивающий резистор нам поможет закон Ома:

R=U/I.     (2.19)

Где, I – максимальный входной ток, 5 мА

U – максимальное входное напряжение, которое равно 6,13 В (максимальное выходное напряжение сигнала гироскопа).

Подставив значения тока и напряжение в (2.14), минимальное входное сопротивление должно быть не менее 1226 Ом.

Примем входное сопротивление, равное 1370 Ом. При таком сопротивление максимальный входной ток не будет превышать 4,5 мА. Такой ток не вводит ОУ в критический режим.

Примем резисторы R1 и R3 равными 1370 Ом.

Определившись с номиналом входного резистора, можно приступать к расчёту остальных элементов.

Для коэффициента усиления, равного минус единице, выражения, определяющие номиналы компонентов будут равны: R1,R3=R, R2=mR, C2=C, C1=nC, K = -1.

В результате, получим выражения для определения частоты среза:

.    (2.20)

Для добротности ФНЧ Баттерворта второго порядка, равной 0,707, коэффициенты m и n будут равны 0,222 и 4,7 соответственно [21]. Это можно проверить, подставив в формулу (2.17) вместо сопротивлений и емкостей, коэффициенты m и n:

.      (2.21)

Подставив в формулу (2.21) значение коэффициентов m и n, получим значение добротности. Оно равно 0,707.

Частота среза ФНЧ равна 50 Гц. Масштабный коэффициент равен единице.

Зная значение масштабного коэффициента, частоты среза, коэффициентов m, n и значение R, вычислить значение C из формулы (2.20):

.    (2.22)

Значение емкости, рассчитанной по формуле (2.21) равно 2,2 мкФ. Это значение из стандартного ряда емкостей Е96, поэтому оставим его таким.

Рассчитав емкость C и определившись с сопротивлением R, можно посчитать номиналы элементов ФНЧ.

R1 = R3 =R = 1370 Ом. Примем резисторы R1, R3 равные 1370 Ом.

R2 = m×R = 304,14 Ом. Примем резистор R2, равный 330 Ом.

C2 = C = 2,2 мкФ. Примем конденсатор С2, равный 2,2 мкФ.

С1 = n×C = 10,34 мкФ. Примем конденсатор C1, равный 10 мкФ.

Зная схему фильтра и номиналы его элементов, можно смоделировать фильтр в программе MicroCap (MC). MC – это SPISE-подобная программа для аналогового и цифрового моделирования электрических и электронных цепей с интегрированным визуальным редактором. Она позволяет строить АЧХ и ФЧХ и анализировать полученные результаты. АЧХ и ФЧХ схемы ФНЧ Баттерворта с МПОС показана в приложении Д.

Как видно из графика, частота среза находится на уровне 50,5 Гц. Коэффициент ослабления на частоте 50,5 Гц равен -3,1 дБ. Это полностью удовлетворяет требованиям к фильтру. Следовательно, можно сделать вывод, что номиналы сопротивлений и емкостей выбраны верно.

2.2.7 Расчёт шумов схемы ФНЧ

В любой электрической схеме всегда присутствуют шумы. Они порождены неидеальностью компонентов схемы и физическими эффектами, которые обычно не принимаются в расчёт при описании электрических процессов [23].

Чтобы шумы не влияли на значение выходного цифрового кода АЦП, значение шумов схемы должно быть меньше значения шума входного сигнала гироскопа хотя бы на порядок. Если значение шумов схемы будет сравнимо со значением шумов гироскопа, слабый сигнал гироскопа будет просто неотличим от шумов схемы, что в итоге скажется на выходных значениях цифрового кода.

Шумы можно представить в виде источника тока и напряжения, выходным сигналом которых является случайная величина с известным среднеквадратичным значением и спектральной плотностью.

Спектральная плотность выражается в  или , а среднеквадратичное значение является результатом умножения спектральной плотности на квадратный корень полосы пропускания .

Среднеквадратичная величина собственного шума схемы при неблагоприятных обстоятельствах может достигать нескольких десятков микровольт. К нему следует прибавить шум источника сигнала, в нашем случае – гироскопа. Отсюда следует, что при измерении микровольтовых сигналов, необходимо проводить проверочный расчёт с целью определения величины шума.

Шумы в электрических схемах, в зависимости от причины их возникновения, можно разделить на следующие виды:

– дробовой шум;

– тепловой шум;

– фликкер-шум, или шум 1/f;

– импульсный шум;

– шум лавинного пробоя.

Дробовые шумы (также иногда называемые квантовыми шумами) вызываются случайными флуктуациями в движении носителей зарядов в проводниках. Другими словами, течение электрического тока является неоднородным. Электрический ток создается электронами, движущимися под воздействием разности потенциалов. Когда на пути своего движения электроны встречают барьер (например, p-n- переход), потенциальная энергия накапливаемого заряда возрастает до тех пор, пока еѐ не станет достаточно для пересечения этого барьера. Для электронов, которые преодолели барьер, потенциальная энергия преобразуется в кинетическую. Пересечение электронами барьера определяется вероятностными законами, т.е. лишь какая-то их часть в тот или иной период времени пересекает барьер. По этой причине число электронов, пересекающих барьер за единицу времени, оказывается непостоянным. Совокупный эффект от неравномерного по времени пересечения барьера электронами и создает дробовой шум. Дробовой шум проявляется при протекании тока через любой проводник, а не только через полупроводник. В проводниках барьеры образуются за счет любых примесей и неоднородностей, которые всегда присутствуют в металлах. Уровень дробового шума при этом, однако, очень мал из-за малой относительной величины барьеров в проводниках и огромного числа электронов, которые участвуют в протекании тока. В полупроводниках дробовой шум выражен намного сильнее.

Значение тока дробового шума ish, определяется следующим образом:

.     (2.23)

Где, q – заряд электрона 1,6∙10-19, Кл;

I – ток, протекающий в цепи, равный 4 мА.

Значение тока дробового шума равно 2,8∙10-11 А.

С помощью закона Ома можно рассчитать динамическое сопротивление p-n-перехода[24]:

.     (2.24)

Где, rd – динамическое сопротивление p-n-перехода, Ом;

Где, k – постоянная Больцмана, равная 1,38∙10-23 Дж/К;

T – температура в градусах Кельвина, равная 328 K.

По расчётам формулы (2.23), значение динамического сопротивления p-n-перехода равно 7 Ом.

Тогда напряжение дробового шума равно:

.     (2.25)

По расчётам формулы (2.25), напряжение дробового шума равно 1,7∙10-9 нВ√Гц.

Тепловой шум, или шум Джонсона, порожден тепловыми колебаниями электронов в проводнике и прекращается лишь при охлаждении проводника до абсолютного нуля. При частоте ниже 100 МГц спектральная плотность теплового шума Eth определяется как:

.     (2.26)

Где, k – постоянная Больцмана, равная 1,38∙10-23 Дж/К;

T – температура в градусах Кельвина, равная 328 K;

Rs – величина сопротивления резистора, генерирующего шум, Ом.

Для того, что бы определить общее сопротивление, приведенное ко входу ОУ, нужно представить эквивалентную схему сопротивлений, приведенных ко входу ОУ.

На рисунке 2.10 изображена эквивалентная схема сопротивлений, приведенных ко входу ОУ.

Рисунок 2.10 – эквивалентная схема сопротивлений на входе ОУ.

Rи – выходное сопротивление гироскопа, равное 82 Ом. Rs – общее сопротивление между входом ОУ и землей. По схеме, изображенной на рисунке 2.18, Rs равно:

.    (2.27)

В результате расчёта формулы (2.27), Rs равно 1035 Ом.

Происхождение фликкер-шума, также называемого розовым шумом, до настоящего времени неизвестно. Он присутствует и в активных, и в пассивных компонентах. Возможно, он вызван несовершенством кристальной структуры, т.к. усовершенствование технологического процесса приводит к уменьшению шума. Фликкер-шум порожден несовершенством компонентов схемы и может быть уменьшен только за счет улучшения технологических процессов производства.

Розовый шум возрастает при уменьшении частоты, поэтому он доминирует на низких частотах.

На рисунке 2.11 показано распределение фликкер-шума на примере усилителя, который не имеет технологии нулевого дрейфа[25].

Рисунок 2.11 – фликкер-шум усилителя, не имеющего технологии нулевого дрейфа.

Из рисунка 2.18 видно, что фликкер-шум особенно сильно проявляется на частотах до 1 кГц. После 1 кГц уже доминирует белый шум, спектральная плотность которого равномерно распределена на всей полосе частот. На частоте 50 Гц, фликкер-шум может достигать величины 30 нВ/√Гц. Это достаточно большая величина. Однако, если использовать ОУ с технологией нулевого дрейфа, фликкер шум будет иметь малые значения, по сравнению, например с тепловым шумом. На рисунке 2.12 показано распределение фликкер-шума с использованием ОУ с технологией нулевого дрейфа:

Рисунок 2.12 – фликкер-шум усилителя с технологией нулевого дрефа.

Из рисунка видно, что значение фликкер-шума на частоте 50 Гц равно 6 нВ/√Гц, что сравнимо со значением спектральной плотностью шумов по напряжению ОУ ADA4528-2. Фликкер-шум ОУ ADA4528-2 равен 6 нВ/√Гц.

Импульсный шум, как и фликкер-шум, порожден несовершенством полупроводников. Скважность импульсов может варьироваться в широких пределах, но амплитуда остается постоянной. Уменьшение импульсного шума достигается за счет улучшения технологического процесса. Его в расчёт принимать не будем.

Шум лавинного пробоя проявляется, когда к p-n переходу прикладывается обратное напряжение, поэтому он наиболее велик при использовании стабилитронов. Наилучшим решением этой проблемы является проектирование схемы, исключающей стабилитроны. В разрабатываемом блоке гироскопа стабилитроны отсутствуют. Поэтому шум лавинного пробоя тоже не принимаем в расчёт.

При расчёте шумов схемы, будем полагать, что корреляция различных видов шумов отсутствует. В этом случае, шумы складываются по правилу суммирования случайных величин:

.    (2.28)

Где, E – суммарный шум схемы, а  шумы компонентов схемы.

Суммарный шум схемы состоит из шумов ОУ, теплого шума резисторов, дробового шума ОУ и фликкер-шума ОУ.

Шумы ОУ складываются из шума входного напряжения ОУ, шума входного тока усилителя и теплового шума резисторов на входе. Значения шума напряжения и тока ОУ указаны в техническом описании ОУ. Значение теплового шума резисторов рассчитано выше. Для выбранного ОУ ADA4528-2, шум тока и напряжения равны соответственно: ish – 0,5 пА/√Гц и esh – 5,9 нВ/√Гц. Шум ОУ равен:

.    (2.29)

По результатам расчёта формулы (2.28), значение шума ОУ ADA4528-2, приведенного ко входу, равно 6,9 нВ.

Суммарный шум схемы будет равен:

    (2.30)

По расчётам формулы (2.29), суммарный шум схемы равен 14,6 нВ. Среднеквадратичный шум схемы для полосы 50 Гц будет равен 102,2 нВ. Суммарный шум схемы ФНЧ на порядок ниже выходного шума гироскопа.

Можно сделать вывод, что ОУ ADA4528-2 удовлетворяет всем требованиям ТЗ. Его собственные шумы и тепловые шумы резисторов не будут влиять на работу блока.

2.2.8 Выбор элементной базы ФНЧ

Определившись с номиналами элементов, можно переходить к их конкретному выбору исходя из требований к точности, мощности, напряжению и т.д.

Для резисторов нужно посчитать их мощности рассеивания, т.к. неправильно выбранная мощность резистора может привести к выводу его из строя.

Мощность рассеивания резистора при известном сопротивлении и напряжении, рассчитывается по формуле:

.     (2.31)

Где, P – рассеиваемая мощность резистора, Вт.

R – сопротивление резистора, Ом.

U – напряжение, приложенное к резистору, В.

Максимальное напряжение на резисторе равно максимальному выходному напряжению сигнала и равно 6,13 В. При сопротивлении 1370 Ом, расчётная рассеиваемая мощность резистора равна 0,026 Вт.

Резисторы выберем марки Susumu, тепловой расчёт которых был проведен ранее. Это точные чип-резисторы в корпусе 0805(2012 в метрической системе) со сверхмалым температурным дрейфом и допуском в 0,02% (ряд Е192). Такая величина допуска обеспечивает отклонение от сопротивления в обе стороны всего на 0,27 Ом.

Выбор резистора основан на минимально возможном конструктивном исполнении при требуемых параметрах [26].

Параметры резисторов, входящих в состав ФНЧ, сведены в таблицу 2.4.

Таблица 2.4 – резисторы, входящие в состав ФНЧ.

Компонент

R1, R3

R2

Марка

Susumu Co LTD RG2012N-1371-P-T1

Susumu Co LTD RG2012N-331-P-T1

Номинал, Ом

1370

330

Допуск, %

±0,02

±0,02

Мощность, Вт

0,125

0,125

Типоразмер (SMD)

0805(2012 м)

0805(2012 м)

Для конденсаторов, помимо его емкости, нужно определится с таким важным параметром, как его номинальное напряжение. Номинальное напряжение конденсатора — это значение напряжения, при котором конденсатор может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах. Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального.

Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается, что связано с увеличением тепловой скорости движения носителей заряда и, соответственно, снижению требований для образования электрического пробоя. Поэтому номинальное напряжение конденсатора надо выбирать с запасом, на случай внезапных скачков напряжения, или резкого повышения температуры [27].

Максимальное напряжение, проходящее через конденсатор равно максимальному выходному напряжению гироскопа и равно 6,13 В.

Конденсаторы возьмем марки Murata из ряда Е12 на 25 В. Это точные ЧИП конденсаторы с отклонением в 10% и температурным коэффициентом емкости (ТКЕ), ±15%. Конструктивное исполнение – 0805 (2012 в метрической системе).

Параметры конденсаторов ФНЧ, сведены в таблицу 2.5.

Таблица 2.5 – конденсаторы, входящие в состав ФНЧ.

Компонент

C1

C2

Марка

GRM21BR61C106KE15L

GRM21BR71C225KA12L

Емкость, мкФ

10

2,2

Допуск, %

±10

±10

Напряжение, В

16

16

ТКЕ

±15

±15

Типоразмер (SMD)

0805(2012 м)

0805(2012 м)

Рабочая температура, °С

от -55 до +85

от -55 до +125


2.3 Расчёт АЦП

2.3.1 Виды АЦП

Основные способы построения электронных АЦП [28]:

– АЦП прямого преобразования;

– АЦП последовательного приближения;

– АЦП дифференциального кодирования;

– АЦП сравнения с пилообразным сигналом;

Сигма-дельта-АЦП (АЦП с балансировкой заряда).

АЦП прямого преобразования делятся на последовательные АЦП, параллельные АЦП и параллельно-последовательные АЦП. Все они характеризуются очень высоким быстродействием, но имеют ограничение по разрядности из-за технологической сложности изготовления. Обычно разрядность таких АЦП не превышает 8 бит. По ТЗ, разрядность АЦП должна быть не менее 18 бит. Следовательно, дальше АЦП прямого преобразования в качестве АЦП для разрабатываемого устройства, рассматриваться не будут.

АЦП последовательного приближения характеризуются высокой скоростью и большим разрешением, однако не имеют в своем составе устройства выборки хранения, что ведет за собой большие погрешности. Следовательно, АЦП последовательного приближения рассматриваться не будут.

АЦП дифференциального кодирования содержат реверсивный счётчик, код с которого поступает на вспомогательный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Входной сигнал и сигнал со вспомогательного ЦАП сравниваются на компараторе. Благодаря отрицательной обратной связи с компаратора на счётчик код на счётчике постоянно меняется так, чтобы сигнал со вспомогательного ЦАП как можно меньше отличался от входного сигнала. По прошествии некоторого времени разница сигналов становится меньше, чем младший значащий разряд, при этом код счётчика считывается как выходной цифровой сигнал АЦП. АЦП этого типа имеют очень большой диапазон входного сигнала и высокое разрешение, но время преобразования зависит от входного сигнала. АЦП дифференциального кодирования обычно являются хорошим выбором для оцифровки сигналов реального мира, так как большинство сигналов в физических системах не склонны к скачкообразным изменениям. Однако в нашем случае, сигнал гироскопа может меняться скачками.

АЦП сравнения с пилообразным сигналом является наиболее простым

по структуре и содержит минимальное число элементов. Вместе с тем простейшие АЦП этого типа обладают довольно низкой точностью и чувствительны к температуре и другим внешним параметрам. Такой вид АЦП нам точно не подходит.

Дельта-сигма АЦП отличаются тем, что производит аналого-цифровое преобразование с частотой дискретизации, во много раз превышающей требуемую и путём фильтрации оставляет в сигнале только нужную спектральную полосу. Это позволяет улучшить отношение сигнал/шум. Таким образом можно достичь эффективного разрешения большего, чем разрядность АЦП [29].

На рисунке 2.13 изображена структурная схема дельта-сигма АЦП.

Рисунок 2.13 – Структурная схема дельта-сигма АЦП первого порядка.

Принцип действия данного АЦП несколько более сложен, чем у других типов АЦП. Его суть в том, что входное напряжение сравнивается со значением напряжения, накопленным интегратором. На вход интегратора подаются импульсы положительной или отрицательной полярности, в зависимости от результата сравнения. Таким образом, данный АЦП представляет собой простую следящую систему: напряжение на выходе интегратора «отслеживает» входное напряжение (рисунок 2.14). Результатом работы данной схемы является поток нулей и единиц на выходе компаратора, который затем пропускается через цифровой ФНЧ, в результате получается N-битный результат. Цифровой ФНЧ, изображенный на рисунке 2.13, объединен с «дециматором», устройством, снижающим частоту следования отсчетов путём их «прореживания».

Рисунок 2.14 – Сигма-дельта АЦП как следящая система.

На рисунке 2.15 изображена диаграмма сигналов сигма-дельта АЦП при нулевом уровне на входе и при уровне половины опорного напряжения.

Рисунок 2.15 – Сигналы в сигма-дельта АЦП при разных уровнях сигнала на входе.

Еще одной отличительной особенностью сигма-дельта АЦП является его очень низкий уровень собственных шумов.

На рисунке 2.16 изображена структурная схема сигма-дельта модулятора.

Рисунок 2.16 – Структурная схема сигма-дельта модулятора.

Здесь компаратор представлен как сумматор, который суммирует непрерывный полезный сигнал и шум квантования. Пусть интегратор имеет передаточную функцию 1/s. Тогда, представив полезный сигнал как X(s), выход сигма-дельта модулятора как Y(s), а шум квантования как E(s), получаем передаточную функцию АЦП:Y(s) = X(s)/(s+1) + E(s)s/(s+1)То есть, фактически сигма-дельта модулятор является фильтром низких частот (1/(s+1)) для полезного сигнала, и фильтром высоких частот (s/(s+1)) для шума, причем оба фильтра имеют одинаковую частоту среза. Шум, сосредоточенный в высокочастотной области спектра, легко удаляется цифровым ФНЧ, который стоит после модулятора.

На рисунке 2.17 изображен график «вытеснения» шума в высокочастотную часть спектра.

Рисунок 2.17 – Вытеснение шума в высокочастотную часть спектра.

Из сказанного выше, можно сделать вывод, что основным достоинством сигма-дельта АЦП является высокая точность, обусловленная крайне низким уровнем собственного шума. Однако для достижения высокой точности нужно, чтобы частота среза цифрового фильтра была как можно ниже, во много раз меньше частоты работы сигма-дельта модулятора. Поэтому сигма-дельта АЦП имеют низкую скорость преобразования. По ТЗ, скорость преобразования АЦП должна быть не менее 7 кГц, что является достаточно малой частотой.

Из написанного выше, можно сделать вывод, что в качестве АЦП для разрабатываемого устройства предпочтительно использовать АЦП сигма-дельта типа.

На рисунке 2.18 изображен сравнительный график зависимости быстродействия и точности различных типов АЦП.

Рисунок 2.18 – Быстродействие и точность различных типов АЦП.

Разобравшись в типах АЦП, перейдем непосредственно к практическому применению для нашего устройства и определению необходимых требований к АЦП.

2.3.2 Требования к АЦП

Сначала определим минимальную разрядность АЦП.

Динамический диапазон (SNR) – разница между максимальным и минимальным сигналами, которые может измерить преобразователь [30]. В качестве максимального сигнала принимается максимальный выходной сигнал гироскопа. В качестве минимально различимого сигнала берется среднеквадратичное напряжение шума на входе АЦП в отсутствие сигнала. Важно понимать, что динамический диапазон – величина, относящаяся к какой-либо частотной полосе. В нашем случае, динамический диапазон сигнала, приведенного ко входу АЦП для полосы 50 Гц равен 93,5 дБ.

Отношение максимального входного напряжения АЦП к минимальному равно 47519. Следовательно, АЦП должен иметь разрешение, обеспечивающие количество уровней квантования, равное отношению напряжений на входе АЦП. Однако, разрешение и точность – параметры, которые часто путают, когда речь идет о производительности АЦП. Разрешение – это количество разрядов, используемых при оцифровке входного сигнала. Например, 18-разрядный АЦП разбивает шкалу на 262144 позиций выходного кода. Минимальный сигнал, который устройство может измерить, равен 1 разряду (МЗР – младший значащий разряд) или 1/262144 доле напряжения. В нашем случае младший значащий разряд равен 23 мкВ.

Точность АЦП характеризует, насколько близко фактический выходной код совпадает с теоретическим для данного входного аналогового сигнала. Другими словами, это количество разрядов выходного кода, которые несут полезную информацию о входном сигнале. Точность АЦП может оказаться намного ниже, чем разрешение, из-за внутренних и внешних источников шума. Динамический диапазон АЦП должен соответствовать максимальной амплитуде преобразуемого сигнала, чтобы точность преобразования была наибольшей.

Таким образом, нельзя выбирать разрядность АЦП исходя из минимального количества уровней квантования, т.к. какое-то количество разрядов будет неточно преобразовывать сигнал.

Для того, что бы минимизировать потерю точности, важно согласовать динамический диапазон АЦП и максимальную амплитуду сигнала.

По ТЗ, минимальная разрядность должна быть не меньше 18, однако, исходя из вышеописанного, для достижения наибольшей точности преобразования следует выбирать максимальную разрядность АЦП.

Другое важное требование к АЦП – частота дискретизации. Согласно ТЗ, частота дискретизации должна быть не меньше 7 кГц, что намного превышает частоту сигнала гироскопа. Такая частота преобразования АЦП выбрана для того, что бы получить эффект, названный передискретизацией. Как правило, сигналы оцифровываются с минимально необходимой частотой дискретизации из соображений экономии, при этом шум квантования является белым, то есть его спектральная плотность мощности равномерно распределена во всей полосе. Если же оцифровать сигнал с частотой дискретизации, гораздо большей, чем по теореме Котельникова— Шеннона, а затем подвергнуть цифровой фильтрации для подавления спектра вне частотной полосы исходного сигнала, то отношение сигнал/шум, будет лучше, чем при использовании всей полосы. Таким образом можно достичь эффективного разрешения большего, чем разрядность АЦП.

Передискретизация (англ. oversampling) используется в сигма-дельта АЦП для достижения большего количества эффективных разрядов.

В мире АЦП существует компромисс между скоростью и точностью. И нам, как будущим инженерам надо его найти.

Ещё одним важным параметром АЦП является его цифровой интерфейс. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения АЦП к приемнику выходного кода, в нашем случае к микропроцессору, расположенному в другом блоке. Свойства цифрового интерфейса непосредственно влияют на уровень верхней границы частоты преобразования АЦП.

Рассмотрим типы интерфейсов АЦП.

В общем случае они делятся на последовательный и параллельные.

В ТЗ указано, что обмен данными между АЦП и микропроцессором должен осуществляться по интерфейсу SPI. Поэтому мы не будем подробно останавливаться на описании других интерфейсов и сразу перейдем к описанию интерфейса SPI.

SPI — последовательный синхронный стандарт передачи данных в режиме полного дуплекса, т.е. устройство может в любой момент времени и передавать, и принимать информацию. Передача и прием ведутся устройством одновременно по двум физически разделенным каналам связи. SPI разработан компанией Motorola для обеспечения простого и недорогого сопряжения микроконтроллеров и периферии. SPI также иногда называют четырёхпроводным интерфейсом. Интерфейс SPI, наряду с I2C, относится к самым широко-используемым интерфейсам для соединения микросхем.

В отличие от стандартного последовательного порта, SPI является синхронным интерфейсом, в котором любая передача синхронизирована с общим тактовым сигналом, генерируемым ведущим устройством (процессором). Принимающая (ведомая) периферия синхронизирует получение битовой последовательности с тактовым сигналом. К одному последовательному периферийному интерфейсу ведущего устройства-микросхемы может присоединяться несколько микросхем. Ведущее устройство выбирает ведомое для передачи, активируя сигнал «выбор кристалла» на ведомой микросхеме. Периферия, не выбранная процессором, не принимает участия в передаче по SPI.

Протокол передачи по интерфейсу SPI предельно прост и, по сути, идентичен логике работы сдвигового регистра, которая заключается в выполнении операции сдвига и, соответственно, побитного ввода и вывода данных по определенным фронтам сигнала синхронизации. Установка данных при передаче и выборка при приеме всегда выполняются по противоположным фронтам синхронизации. Это необходимо для гарантирования выборки данных после надёжного их установления. Если к этому учесть, что в качестве первого фронта в цикле передачи может выступать нарастающий или падающий фронт, то всего возможно четыре варианта логики работы интерфейса SPI. Эти варианты получили название режимов SPI и описываются двумя параметрами [31]:

CPOL – исходный уровень сигнала синхронизации (если CPOL=0, то линия синхронизации до начала цикла передачи и после его окончания имеет низкий уровень (т.е. первый фронт нарастающий, а последний – падающий), иначе, если CPOL=1, – высокий (т.е. первый фронт падающий, а последний - нарастающий));

CPHA – фаза синхронизации; от этого параметра зависит, в какой последовательности выполняется установка и выборка данных (если CPHA=0, то по переднему фронту в цикле синхронизации будет выполняться выборка данных, а затем, по заднему фронту, – установка данных; если же CPHA=1, то установка данных будет выполняться по переднему фронту в цикле синхронизации, а выборка – по заднему

Ведущая и подчиненная микросхемы, работающие в различных режимах SPI, являются несовместимыми, поэтому, перед выбором подчиненных микросхем важно уточнить, какие режимы поддерживаются ведущим шины. Аппаратные модули SPI, интегрированные в микроконтроллеры, в большинстве случаев поддерживают возможность выбора любого режима SPI и, поэтому, к ним возможно подключение любых подчиненных SPI-микросхем (относится только к независимому варианту подключения). Кроме того, протокол SPI в любом из режимов легко реализуется программно.

На рисунке 2.19 изображено простейшее подключение шины SPI.

Рисунок 2.19 – Простейшее подключение SPI.

Интерфейс SPI используют четыре цифровых сигнала:

– MOSI (DO, SDO, DOUT) — выход ведущего, вход ведомого (англ. Master Out Slave In). Служит для передачи данных от ведущего устройства ведомому.

– MISO (DI, SDI, DIN) — вход ведущего, выход ведомого (англ. Master In Slave Out). Служит для передачи данных от ведомого устройства ведущему.

– SCLK (DCLOCK, CLK, SCK) — последовательный тактовый сигнал (англ. Serial Clock). Служит для передачи тактового сигнала для ведомых устройств.

– CS или SS — выбор микросхемы, выбор ведомого (англ.Chip Select, Slave Select).

В таблице 2.6 показаны режимы работы SPI.

Таблица 2.6 – Режимы работы SPI.

Режим SPI

0

1

2

3

CPOL

0

1

0

1

Продолжение таблицы 2.6

CPHA

0

0

1

1

Временная диаграмма первого цикла синхрониза-ции

Разобравшись с основными параметрами и характеристиками АЦП можно переходить к выбору конкретной модели АЦП.

Проведем обзор доступных АЦП от фирм Analog Devices, Texas Instruments и отечественной фирмы Восход.

Выбор АЦП осуществляться из следующих принципов: минимальный шум при требуемой частоте выборок и разрядности, печатный монтаж, напряжение питания 5 В аналоговой части и 1,8 В цифровой и выходной интерфейс SPI.

Проанализировав рынок отечественных АЦП, можно сделать вывод, что доступных для гражданского применения 18-разрядных АЦП нет.

Рассмотрим представителей фирмы Analog Devices. Выбираем АЦП из следующих соображений – разрешение не ниже 18 бит при частоте выборок не ниже 7 кГц, напряжение питания аналоговой части – не более 5 В, наличие двух каналов для дифференциального подключения гироскопа.

Проанализировав техническую информацию на АЦП фирмы Analog Devices, можно прийти к выводу, что лучшим (на данный момент) АЦП удовлетворяющим нашим требованиям является AD7738 [32].

AD7738 – высокоточный высокоскоростной внешний аналоговый интерфейс для оборудования управления производственными процессами, PLC и DCS. 16 битное разрешение без искажений аналоговых сигналов диапазона р-р при времени преобразования 117 мкс (частота опроса каналов 8,5 кГц) делает этот прибор идеальным для применения в мультиплексируемых системах с высоким разрешением. Прибор может быть сконфигурирован через простой цифровой интерфейс, позволяя сбалансировать шумовые характеристики, снижая частоту дискретизации от 15,4 кГц.

Аналоговый внешний интерфейс может быть сконфигурирован как четыре полностью дифференциальных или восемь несимметричных входов с униполярными/двухполярными динамическими диапазонами 0,625 В, 0,125 В или 2,5 В и возможностью подачи на общий вход напряжения от 200 мВ до AVDD 300 мВ. Мультиплексируемый вывод AD7738 снабжен защелкой с внешним разрешением для обеспечения возможности управляемого выбора сигнала при работе прибора.

Дифференциальный вход опорного напряжения имеет возможность определения отсутствия опорного напряжения. AD7738 поддерживает опцию калибровки отдельно каждого канала в системе.

Цифровой последовательный интерфейс может быть конфигурирован для работы в трехпроводном режиме и совместим с микроконтроллерами и DSP. Все входы интерфейса содержат триггеры Шмитта.

Прибор имеет расширенный температурный диапазон от -40°С до +105°C.

Рассмотрим АЦП фирмы Texas Instruments.

Проанализировав техническую информацию на АЦП фирмы Texas Instruments, можно прийти к выводу, что лучшим (на данный момент) АЦП, удовлетворяющим нашим требованиям является ADS1255 [33].

Последние модели семейства ADS1255 обладают значительно лучшими параметрами по сравнению с AD7738. При максимальной частоте дискретизации 30 кГц потребляемая мощность не превышает 35 мВт. Особенностью данных АЦП является использование программируемого цифрового ФНЧ, благодаря которому удается достичь чрезвычайно низкого уровня шумов и высокой эффективной разрядности. Например, при коэффициенте усиления PGA 64 и частоте дискретизации 30 кГц среднеквадратичное напряжение шумов, приведенное ко входу, составляет 1,2 мкВ, а значение эффективной разрядности равно 17. Возможна работа АЦП в режиме однократного преобразования с последующим переходом в экономичный режим Standby с энергопотреблением 0,4 мВт. Дополнительно в состав ИМС входит детектор состояния входного датчика, отключаемый входной буферный усилитель, входной мультиплексор на 2 дифференциальных входа у ADS1255, усилитель PGA и встроенный тактовый генератор, способный работать в режиме внешней синхронизации или с подключаемым к специальным выводам ИМС кварцевым резонатором. Кроме последовательного интерфейса ADS1255 имеет два ввода/вывода общего назначения (GPIO), параметры которых устанавливаются записью соответствующих управляющих битов в регистр ввода/вывода АЦП. GPIO остаются активными и в режимах Standby и Power Down и автоматически переходят в режим ввода после перехода ИМС в активный режим. Если данные выводы не используются, для экономии энергии изготовитель ИМС рекомендует установить их как линии вывода и оставить свободными или установить как линии ввода и соединить с общим проводом. Для питания цифровой части АЦП ADS1255 необходим источник напряжением от 1,8 до 3,6 В (рекомендуемое значение 3,3 В).

Сравнительные характеристики двух рассматриваемых АЦП представлены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 – сравнительные характеристики АЦП AD7738 и ADS1255.

Наименование

AD7738

ADS1255

Разрешающая способность, бит

24

24

Частота дискретизации, кГц

15

30

Количество входных дифференциальных каналов

2

2

Интерфейс

SPI

SPI

Входное напряжение, В

5

5

Нелинейность, %

0,003

0,001

Потребляемая мощность, мВт

100

35

Среднеквадратичный шум на частоте 7 кГц, мкВ/

120

7,2

Температурный коэффициент смещения нуля, мкВ/°С

25

0,1

Отношение сигнал/шум, дБ

110

140

В результате сравнительного анализа двух АЦП, можно сделать вывод, что лучшими показателями обладает АЦП фирмы Texas Instruments ADS1255.

Определившись с микросхемой АЦП, нужно разобраться с её схемой подключения.

2.3.3 Описание ADS1255

Рассмотрим структурную схему ADS1255, изображенную на рисунке 2.20.

Рисунок 2.20 – Структурная схема ADS1255 [33].

Как видно из рисунка, входной дифференциальный сигнал гироскопа попадает на мультиплексор, входной буфер и встроенный программируемый усилитель. Затем сигнал сравнивается с опорным напряжением и проходит через цифровой фильтр. После всех преобразований с выхода АЦП поступает цифровой код.

Преобразователь состоит из дельта-сигма модулятора четвертого порядка и программируемого цифрового фильтра. Входной мультиплексор обрабатывает дифференциальные или несимметричные сигналы и включает в себя схему для проверки целостности внешнего датчика , подключенного ко входам. Входной буфер значительно увеличивает входное сопротивление и  обладает низким уровнем шума и программируемым коэффициентом усиления усилитель (PGA). Программируемый фильтр позволяет получить разрешение до 23 бит без шумов на частоте 30 кГц.

На рисунке 2.21 показано расположение выводов микросхемы ADS1255.

Рисунок 2.21 – выводы микросхемы ADS1255.

Выводы AVDD и AGND предназначены для подключения питания аналоговой части. Напряжение питание аналоговой части у ADS1255 лежит в диапазоне -0,3…6 В.

Выводы VREFN и VREFP предназначены для подключения опорного напряжения отрицательной, и положительной полярности соответственно.

Опорное напряжение АЦП задает диапазон входного напряжения, в котором производится преобразование. В АЦП входное напряжение сравнивается с опорным и на основании этой разницы формируется соответствующий цифровой сигнал на выходе. Чем ближе входное напряжение сигнала к опорному, тем лучше. Это значит, что используется вся шкала разрядности АЦП.

На контакт AINCOM в нашем случае подается нулевой потенциал сигнала. Выводы AIN0 и AIN1 принимают сигнал гироскопа.

Вывод SYNC/POWER служит для синхронизации и подачи команды включения АЦП. В нашем случае команду включения задает подача напряжения питания цифровой части АЦП.

Вывод RESET служит для команды сброса, поступающей с другого блока. При удержании на входе низкого логического уровня в течении 50 нс выполняется сброс АЦП.

Выводы DVDD и DGND предназначены для подачи напряжения питания цифровой части АЦП. В случае ADS1255 напряжение питания цифровой части лежит в диапазоне -0,3…3,6 В.

Вывод XTAL1/CLKIN предназначены для подключения тактового генератора или внешний генератора частот. В нашем случае, тактирующий сигнал посылает процессорный блок.

Выводы DRDY, SCLK, DIN, DOUT и CS входят в группу выводов интерфейса SPI. Как он работает расписано выше. Единственным отличием является наличие вывода DRDY. На рисунке 2.22 изображена диаграмма времени установления рабочего режима.

Рисунок 2.22 – Восстановление данных после подачи команды синхронизации

Выводы SYNC/PDWN управляют работой преобразования. Для начала работы преобразователя нужно подать команду синхронизации, т.е. подать на SYNC/PDWN высокий уровень. Как только на выводе SYNC/PDWN появляется низкий логический уровень, с вывода DRDY на блок процессорный поступает высокий уровень и остается высоким во время преобразования. После времени установления, DRDY выдает низкий уровень, указывая, что идет поток данных.

Диаграммы работы интерфейса SPI АЦП ADS1255 показаны в приложении Е.

Выводы D1 и D0/CLKOUT предназначены – это цифровые выводы общего назначения. В нашем случае на них будут подаваться сигналы готовности и исправности гироскопа. После их подачи на АЦП, сигналы поступают на процессор, расположенный на другом блоке.

2.3.4 Подключение ADS1255 в схему

На рисунке 2.23 изображена схема включения АЦП ADS1255 под разрабатываемое устройство. Так как гироскоп обрабатывается по двум осям, соответственно таких схем в устройстве будет две.

Рисунок 2.23 – Схема включения ADS1255

На входы 20 и 19 подаются сигналы готовности и исправности гироскопа B1 и F1 (для второго канала будет соответственно B2 и F2).

Конденсаторы C33 и C36 – стандартные фильтры сигнальной цепи 0,47 мкФ и 100 пФ, выполняющие роль ФНЧ. Они фильтруют наводки, которые могут поступать извне, всплески источника питания а также высокочастотный шум ОУ.

Конденсаторы C43 и C45 100 нФ и 10 мкФ – стандартные конденсаторы, фильтрующие питание.

Можно заметить, что на схеме присутствует три вида земель – AGND, AGND2 и DGND. AGND и AGND2 – аналоговые земли питания и сигнала соответственно. Их нужно разделять, что бы избежать влияние помех. Земли соединяются в общей точке через специальные разделительные фильтры. Об этом будет подробнее расписано ниже. Цифровая земля DGND обязательно должна быть развязана от аналоговой, что бы избежать влияния «грязной» цифровой земли на аналоговую.

На рисунке 2.24 изображены так называемые pull-up, или «подтягивающие» резисторы.

Рисунок 2.24 – Pull-up резисторы для управляющих сигналов АЦП

Подтягивающий резистор нужен, чтобы гарантировать на логическом входе, с которым соединен проводник, высокий  уровень в случаях, если проводник не соединён с логическим выходом.

Их номинал выбран с тем условием, что бы обеспечить глушение «дребезга» при переключении сигнала, образую RC-фильтр с емкостью цифрового сигнала.

На рисунке 2.25 изображена схема подключения тактирующего сигнала CLK.

Рисунок 2.25 – Подключение сигнала CLK к АЦП.

Источник тактирующего сигнала находится в блоке процессорном, т.е. на другой плате, поэтому сигнал CLK у АЦП может «просесть». Что бы этого не допустить, нужно поставить буфер перед АЦП. Резистор R29 образует RC цепь, которая заглушает «дребезг», образующийся при переключение ключей источника сигнала.

В качестве буфера выберем микросхему высокоскоростного инвертора NC7SZ04M5X.

На рисунке 2.26 изображена схема включения сигналов гироскопа готовности и исправности

Рисунок 2.26 – Подключение сигналов готовности и исправности гироскопа к общим цифровым входам АЦП.

После подключения питания и начального запуска в гироскопе INL-CVG-G200 запускается две программы BIST, работающие во время эксплуатации.

Функция BIST – это TTL вывод напряжения постоянного тока, который помогает определить 80% поломок оборудования. Высокое напряжение (+2,4 В к +5 V DC входного напряжения) показывает, что гироскоп INL-CVG-G200 работает и выходные данные доступны. Если BIST выдаёт низкое напряжение (0…+0,4В), тогда выходные данные гироскопа INL-CVG-G200 недоступны.
Пользователь имеет возможность проверить пригодность гироскопа INL-CVG-G200 с п
омощью двух управляемых тестов (FILT).

Функция FILT – это входной TTL сигнал постоянного тока, подаваемый пользователем. Этот сигнал вызывает выходной сигнал с выбранной оси, что позволяет контролировать всю электромеханическую передаточную функцию гироскопа INL-CVG-G200, а также его пригодность.

Благодаря объединению функций BIST и FILT обнаруживается 95% поломок гироскопа INL-CVG-G200. Если пользователь подает входное напряжение в диапазоне от + 2,4В до + 5В на контакт FILT, соответствующий выходной сигнал INL-CVG-G200 с контактов 17 или 10 уменьшится до -3В…-2В, или увеличится до +2В…+3В в случае контактов 8 или 15 разъема подключения гироскопа. В случае если входное напряжение на FILT равно нулю, или изначально не  подсоединено, то выходной сигнал гироскопа INL-CVG-G200 – номинальный.

Как видно из описания гироскопа, выходные сигналы исправности имеют сигнал TTL напряжением до 5В. АЦП же работает с КМОП сигналами, напряжение которых составляет 1,8В. Поэтому сигналы гироскопа надо привести к одному уровню с сигналами АЦП. Для этого воспользуемся микросхемой ADUM3482BRSZ. Её схема включения для преобразования сигнала показана на рисунке 2.26

Рисунок 2.27 – схема включения микросхемы ADUM3482BRSZ.

Уровень выходного сигнала задается напряжением 1,8В. 3,3В и GYRO3,3 – напряжение питания микросхемы.


2.4 Расчёт питания схемы

2.4.1 Расчёт источника опорного напряжения ацп

АЦП измеряет напряжение сигнала, поступающего на дифференциальный вход, путём вычитания напряжения входов VIN = (AINP - AINN), и VREF = (VREFP - VREFN). Подаваемое напряжение опорное напряжение масштабируется внутри АЦП в два раза. Таким образом, для того, чтобы обеспечить динамический диапазон сигнала в 5В, нужно подать опорное напряжение 2,5В. Динамический диапазон опорного напряжение в 5В обусловлен тем, что входное напряжение сигнала не превышает 5В, т.к. используется ОУ с технологией Rail-to-Rail, т.е. максимальное выходное напряжение ОУ равно напряжению питания.

Шум опорного напряжения является очень важной характеристикой и может внести дополнительную погрешность в работу АЦП, если не уделить проектированию ИОН должного внимания. Первым шагом к снижения шумов в системе является использование источника опорного напряжения (ИОН) на стабилитроне, а не транзисторного источника опорного напряжения, величина которого определяется шириной запрещённой зоны используемого полупроводника. Использование стабилитрона помогает свести к шум к минимуму, потому что опорное напряжение на стабилитроне имеют шум на выходе порядка 100 нВ√Гц на 10 В. Однако, даже плотность шумов 100нВ√Гц может быть достаточно велика при работе с АЦП с большим разрешением. Особенно с АЦП 16 и более битов в полномасштабных диапазонах 5В или меньше. Например, шум в 100 нВ√Гц в 20-килогерцовой полосе при усилении -3 дБ в результате дает среднеквадратичное значение в 17,7 мкВ (100 мкВ от пика до пика), в то время, как один младший бит 16-разрядного АЦП в масштабной системы 5 В составляет около 76 мкВ. Такое напряжение шумов нежелательно, если надо получить высокоточный результат преобразования. Поэтому, в данном проекте нельзя использовать ИОН на стабилитроне [34].

Цепь опорного напряжения, оптимизированная для переменного и постоянного тока и выдает опорное напряжения со сверхнизким уровнем шума изображена на рисунке 2.28.

Рисунок 2.28 – Схема источника опорного напряжения [34].

Плотность выходного шума у этой схемы ниже, чем 1,5 нВ по опорному напряжению от +2,5 В до +10 В с током нагрузки 20 мА и более. D1 это 5-вольтовый транзисторный ИОН, который устанавливает базовое опорное напряжение схемы 2,5 В. В качестве микросхемы базового опорного напряжения используется LTC6655BHMS8-2.5#PBF. Её напряжение питания лежит в диапазоне от 3 В до 13,2 В, имеет низкий уровень шума 60 нВ√Гц на частоте до 100 Гц, нелинейность 0,025% и температурный дрейф 2ppmC.

С выхода D1 подается стабильное выходное напряжение 2,5 В ±500 мкВ на ФНЧ, состоящей из R1, C3 и C4. Особенностью этого ФНЧ является использование электролитических конденсаторов для достижения низкой частоты пропускания. Конденсатор С4 допускает утечку, производя небольшое падение постоянного тока через R2. Через конденсатор С1 проходит ток из-за небольшого падение напряжения на резисторе R2 в качестве эффективного потенциала смещения, которое порядков меньше приложенного значения 2,5 В. В результате, существует незначительное падение напряжение на резисторе R1 из-за утечки конденсатора и схема имеет низкую ошибку постоянного тока в качестве фильтра. Для значений R1 1 кОм, C3, C4 100 мкФ, усиление -3 дБ приходится на частоту 1,7 Гц, а фильтр уменьшает шум на частоте 100 Гц почти на 40 дБ.

Микросхема D2 выполняет функцию повторителя, построенного на операционном усилителе ADA4528, который мы рассмотрели ранее. Что бы сохранить низкий шум схемы, резисторы для D2 желательно брать с минимальным сопротивлением. Резисторы обратной связи R16, R17 служат для компенсации смещения резисторов R1 и R7, шунтирования по переменному току и устранения теплого шума. Резистор R18 ограничивает всплеск тока входного каскада D2.

2.4.2 Расчёт напряжения питания гироскопа

Следующим шагом будет обеспечение напряжением питания гироскоп. Напряжение питания гироскопа составляет ±5 В и +3,3 В. Уровень шумов по всем напряжениям питания не должен превышать 5 мВ в полосе до 10 кГц.

Что бы получить ±5 В и +3,3 В воспользуемся напряжением ±7 В, приходящим с блока процессорного. На рисунке 2.38 изображена схема преобразования и стабилизации напряжений ±5 В и +3,3 В из ±7 В.

В качестве преобразователя напряжения ±5 В применяется микросхема LT3032MPDE#PBF, а 3,3 В – ADM7150ARDZ-3,3.

Уровень шумов микросхемы LT3032 не превышает 20 мкВ в полосе до 100 кГц, что удовлетворяет требованиям к уровню шумов напряжения питания гироскопа.

Уровень шумов микросхемы ADM7150ARDZ-3,3 не превышает 10 нВ в полосе до 10 кГц, что удовлетворяет требованиям к уровню шумов напряжения питания гироскопа.

На рисунке 2.29 изображена схема включения преобразователя.

Рисунок 2.29 – Формирование напряжения питания гироскопа.

Схема преобразователя построена по технологии, описанной в технической документации на микросхемы. Единственным добавлением является добавление входных дросселей L1, L2 и катушки L5, которые выполняют функцию подавления помех и сглаживания пульсаций. Дроссель выбирается из принципа обеспечения максимальной индуктивности и минимального размера.

2.4.3 Расчёт напряжения питания АЦП и ОУ

АЦП ADS1255 имеет напряжение питания аналоговой части 5 В и напряжение цифровой части 1,8 В. Хотя, цифровую часть АЦП можно питать напряжением 3,3 В, но производитель рекомендует выбирать напряжение питания 1,8 В, т.к. в таком случае шумы будут минимально влиять на точность преобразования [33].

Операционный усилитель ADA4528-2 имеет напряжение питания 2,5…5В. Для обеспечения прохождения полного диапазона сигнала гироскопа и использования технологии Rail-to-Rail, ОУ должен иметь напряжение питания 5 В.

Для преобразования нужных нам напряжений, воспользуемся напряжением 7 В, которое поступает с блока процессорного.

На рисунке 2.30 изображена схема преобразования напряжение 7 В в 5В и 1,8 В.

Рисунок 2.30 – формирование напряжений 5 В и 1,8 В.

Микросхема D16 ADM7150ARDZ-5,0, является преобразователем входного напряжения 7 В в стабилизированное напряжение 5 В. Вся «обвязка» берется из технической документации на микросхему. Единственным добавлением является добавление входных дросселей L6, L7 и катушки L9, которые выполняют функцию подавления помех и сглаживания пульсаций.

Микросхема D17 ADM7150ARDZ-1,8 является таким же преобразователем, как и микросхема D16, только выходное напряжение у неё 1,8 В.

Особенностью данной схемы является формирование нулевого потенциала AGND и DGND. Резисторы R37 и R38 формируют делитель напряжения из 5 В в 2,5 В. ОУ D2B включен как повторитель напряжения, формировать высокое сопротивление на входе и низкое на выходе. В качестве ОУ используется ADA4528-2.

Формирование нулевого потенциала AGND требуется по следующим причинам. Гироскопа формирует выходное напряжение сигнала ±5 В относительно своей общей точки AGND. Использовать этот потенциал в качестве земли для АЦП, напряжение питания которого лежит в диапазоне 0…5 В нельзя, т.к. нельзя подавать отрицательное напряжение питания на АЦП. Поэтому в качестве общей точки для гироскопа используется потенциал AGND, а АЦП AGND2.

Формирование потенциала DGND требуется для того, что бы развязать сигналы аналоговой формы и цифровой.

2.4.4 Расчёт схемы согласование сигналов

Для согласования выходного сигнала АЦП и микропроцессора, расположенного на блоке процессорном нужно применить специальную микросхему согласования уровней, т.к. микропроцессор «понимает» сигналы напряжение которых 3,3 В. На рисунке 2.30 изображена схема согласования сигналов АЦП и микропроцессора.

Рисунок 2.30 – схема согласования сигналов АЦП и микропроцессора.

D13 – микросхема SN74LVC1T45, которая представляет собой одноразрядный преобразователь сигнала. Напряжение 3,3 В и +1,8 В являются напряжение питания микросхемы задают уровни выходных сигналов. Напряжение 3,3 В поступает с блока процессорного. Напряжение 1,8 В формируется в разрабатываемом модуле гироскопа.

Аналогичные схемы используются для сигналов DRDY каждого канала гироскопа.


2.5 Расчет конструкции модуля гироскопа

2.5.1 Конструктивное исполнение модуля гироскопа

Модуль гироскопа входит в состав блока управления гироскопом вместе с процессорным модулем. Общий вид модуля управления гироскопа представлен на чертеже общего вида в графической части.

Плата модуля гироскопа соединяется с платой процессорного модуля через четыре стойки диаметром 3,4 мм. К модулю гироскопа припаивается экран, изготовленный из материала, не пропускающего ЭМИ. Это сделано для предотвращения попадания помехи на проводящие участки платы, что может повлиять на входной и выходной сигнал модуля. Экран крепится к плате модуля гироскопа посредством припаивания к специальным участкам на плате. В экране есть отверстие под шлейф разъема XP2, который соединяет гироскоп, и плату модуля гироскопа.

Высота печатного узла не превышает 15,5 мм. Элементы устанавливаются с одной стороны. На второй стороне печатной платы расположен только разъем ХP1, который соединяет плату модуля гироскопа с платой процессорного модуля.

На плате присутствует скос со стороны разъема XP1. Это обусловлено конструктивными требованиями ко всему изделию ППНК.

 

2.5.2 Конструктивное исполнение платы 

Печатная плата изготавливается из стеклотекстолита Kingboard Laminates 0,7 0,15 A N. Толщина фольги – 18 мкм. Препрег FR4 Kingboard Laminates.

Препрег – это композиционный материал-полуфабрикат. Используется для связи ламинированных слоев и образования жесткой многослойной платы [35].

Плата модуля гироскопа имеет 4 слоя:

Top – слой проводников с верхней стороны платы.

Bottom – слой проводников с нижней стороны платы.

GND – «земляной» полигон для аналоговой части.

GND1 – «земляной» полигон для аналоговой части.

Такое количество слоев обусловлено потребностью полностью «развязать» цифровые и аналоговые земли в модуле гироскопа.

Каждая печатная плата в системе должна иметь хотя бы один слой, полностью отведенный под заземляющую поверхность. В идеале двусторонняя плата должна иметь одну сторону, полностью отведенную под заземление и вторую - для различных соединений. На практике это невозможно, т.к. частично заземляющая поверхность, разумеется, должна быть удалена для отведения места под дорожки питания и сигналов, межслойные переходы и сквозные монтажные отверстия. Тем не менее как можно больше площади заземляющей поверхности должно быть сохранено, хотя бы 75 % необходимо оставить. После окончания предварительной разводки платы поверхность заземления должна быть тщательно проверена для того, чтобы убедиться, что не осталось изолированных островков заземления, т.к. выводы заземления микросхем, расположенные на таких островках, не будут иметь связи с заземляющей поверхностью

Системы, в которых интегральные микросхемы для поверхностного монтажа расположены тесно, будут иметь большое число соединений, поэтому здесь нужно использовать многослойные платы.

Расположение питающей и заземляющей поверхностей в соседних слоях обеспечивает дополнительную межповерхностную емкость, которая способствует высокочастотной развязке тока питания [36].


3 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Расчет потребляемой мощности

 

Целью расчета потребляемой мощности является обоснование выбора марок интегральных стабилизаторов схемы питания и мощности резисторов и расчет потребляемой мощности устройством.

Потребляемая мощность по одному питающему напряжению [36]:

,     (3.1)

где U – напряжение питания цепи,

– потребляемый ток k-ым элементом схемы.

Расчет потребления тока по питанию ±7 В, представлен в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Потребляемый ток элементами, по питанию ±7 В.

№ п/п

Наименование элемента схемы

Количество N, шт.

Потребляемый ток одним  элементом, Iki, А

Потребляемый ток,

, А

1

LT3032MPDE#PBF

1

0,01

0,01

2

ADM7150ARDZ-3,3

1

0,01

0,01

0,02

Потребляемая мощность по питанию ±7 В.

Вт.

Расчет потребления тока по питанию 7 В, представлен в таблице 3.2.

Таблица 3.2 – Потребляемый ток элементами, по питанию 7 В.

№ п/п

Наименование элемента схемы

Количество N, шт.

Потребляемый ток одним  элементом, Iki, А

Потребляемый ток,

, А

1

ADM7150ARDZ-5,0

1

0,01

0,01

2

ADM7150ARDZ-1,8

1

0,01

0,01

0,02

Потребляемая мощность по питанию 7 В.

Вт.

Расчет потребления тока по питанию 5 В, представлен в таблице 3.3.

Таблица 3.3 – Потребляемый ток элементами, по питанию 5 В.

№ п/п

Наименование элемента схемы

Количество N, шт.

Потребляемый ток одним  элементом, Iki, А

Потребляемый ток,

, А

1

ADA4528-2

3

0,002

0,006

2

INL-CVG-G200

2

0,01

0,02

3

ADS1255

2

0,007

0,014

4

LTC6655BHMS8-2.5

1

0,005

0,005

0,045

Потребляемая мощность по питанию 5 В

Вт.

Расчет потребления тока по питанию 3,3 В, представлен в таблице 3.4.

Таблица 3.4 – Потребляемый ток элементами, по питанию 3,3 В.

№ п/п

Наименование элемента схемы

Количество N, шт.

Потребляемый ток одним  элементом, Iki, А

Потребляемый ток,

, А

1

SN74LVC1T45DBVT

3

0,000004

0,000012

2

ADUM3482BRSZ

1

0,012

0,012

0,012012

Потребляемая мощность по питанию 3,3 В

Вт.

Рассчитаем потребляемую мощность устройством (без учета потребляемой мощности двигателем).

        (3.2)

   Вт.

Согласно ТЗ, потребляемая мощность модуля гироскопа не должна превышать 2 Вт.

3.2 Тепловой расчет стабилизаторов напряжения 

Целью расчета является обоснование выбора радиаторов для интегральных стабилизаторов [37].

Рассчитаем рассеиваемую мощность стабилизатора LT3032MPDE.

.   (3.3)

где UINMAX – максимальное значение входного напряжения,

UOUT – максимальное значение выходного напряжения,

– максимальный выходной ток,

–ток стекаемый в общую точку, равный 1,5 мА.

В результате расчетов формулы (3.3), значение рассеиваемой мощности равно 0,5 Вт.

Нагрев корпуса микросхемы в градусах Цельсия рассчитывается по формуле:

TJ = TA + PSIDE • θJA.    (3.4)

Где, TA – максимальная температуры окружающей среды,

 PSIDE – мощность рассеивания корпуса микросхемы,

θJA – тепловое сопротивление корпуса, равное 33 °С/Вт.

В результате расчетов формулы (3.4), максимальный нагрев корпуса микросхемы составляет 63,4 °C. Максимально допустимая температура корпуса DFN составляет 125 °C. Следовательно, для микросхемы LT3032MPDE нет необходимости в применении радиатора.

Рассчитаем рассеиваемую мощность стабилизатора 3,3 В

.     (3.5)

где Uрас – падение напряжение на стабилизаторе,

– потребляемый ток k-ым элементом схемы.

    Вт.

Мощность рассеивания корпуса SOIC составляет 0,5 Вт. Следовательно, радиатор для стабилизатора ADM7150ARDZ-3,3 не требуется.

Рассчитаем рассеиваемую мощность стабилизатора 5 В

    Вт.

Мощность рассеивания корпуса SOIC составляет 0,5 Вт. Следовательно, радиатор для стабилизатора ADM7150ARDZ-5,0 не требуется.

Рассчитаем рассеиваемую мощность стабилизатора 1,8 В

    Вт.

Мощность рассеивания корпуса SOIC составляет 0,5 Вт. Следовательно, радиатор для стабилизатора ADM7150ARDZ-5,0 не требуется.


3.3 Расчет компоновки блока управления

Все элементы модуля гироскопа размещены на одной печатной плате.

Произведем расчет площади печатной платы [17].

Исходными данными для расчета площади печатной платы являются габаритные размеры и установочные площади ЭРЭ и ИС, входящих в него (таблица 3.5).

Таблица 3.5 – Габаритные размеры и установочные площади ЭРЭ и ИС

Наименование

Тип, серия элементов

Кол-во элем-ов

Установочные размеры элементов, мм

Установочная площадь одного элемента, мм2

ИС

ADA4528-2

ADS1255

LTC6655BHMS8-2.5

LT3032MPDE

ADM7150ARDZ-3,3

NC7SZ04M5X

SN74LVC1G04MDBVREP

ADUM3482BRSZ

ADM7150ARDZ-5,0

ADM7150ARDZ-1,8

SN74LVC1T45DBVT

3

2

1

1

1

1

2

1

1

1

3

3×5

7,5×8,2

3×5

3×4

5×6,2

1,25×2

3×3

7,5×8,2

5×6,2

5×6,2

3×3

15

61,5

15

12

31

2,5

9

61,5

31

31

9

Конденсаторы

GRM21BR71E155KA88L

GRM21BR71E335KA73L

GRM31CR61A476ME15L

GRM219R71C474KA01D

К10-17в 50В 100пФ ±5% 1 В

К10-17в Н90 0,01мкФ 1 В

К10-17в Н90 0,1мкФ 3 В

К53-68 "B"-16В-10мкФ±5%

К53-68 "B"-16В-10мкФ±10%

К53-68 "C"-10В-100мкФ±10%

4

8

25

3

5

2

30

9

2

14

2×1,25

2×1,25

3,2×1,6

2×1,25

1,5×1,3

4×2,9

4×2,9

3,5×2,8

3,5×2,8

6×3,2

2,5

2,5

5,12

2,5

1,95

11,6

11,6

9,8

9,8

19,2

Изделия соединительные

Розетка FH28-40S-0.5SH(98)

Вилка СНП346-36ВП21-2

Розетка U.FL-R-SMT(01)

1

1

10

24,5×6,7

46×5,3

3×3

164,15

243,8

9

Резисторы

RG2012N-1371-P-T1-ND

RG2012N-331-P-T1-ND

RG2012N-103-P-T1-ND

Р1-12-0,1 - 33 Ом ±5% - Т

Р1-12-0,1 - 49,9 Ом ±1% - Т

Р1-12-0,1 - 100 Ом ±5% - Т

Р1-12-0,1 - 1 кОм ±1% - Т

Р1-12-0,1 - 3,24 кОм ±1% - М

Р1-12-0,1 - 10кОм ±1% - М

Р1-12-0,1 - 47 кОм ±5% - М

8

4

2

1

7

3

4

2

1

6

2×1,2

2×1,2

2×1,2

2×1,25

2×1,25

2×1,25

2×1,25

2×1,25

2×1,25

2×1,25

2,4

2,4

2,4

2,5

2,5

2,5

2,5

2,5

2,5

2,5

Продолжение таблицы 3.5

Наименование

Тип, серия элементов

Кол-во элем-ов

Установочные размеры элементов, мм

Установочная площадь одного элемента, мм2

Индуктивности

CTX100-3-R

LQH66SN220M03L

4

5

15×15

6,3×6,3

225

39,7

ΣSiN, мм2

3010,1

Определение суммарной площади установки ЭРЭ и ИС на плате

.      (3.6)

где Si – установочная площадь i-ого элемента,

N – количество однотипных элементов,

К - коэффициент, учитывающий шаг установки ЭРЭ и ИС на печатную плату. Так как почти все элементы поверхностного монтажа и на плате будет большое количество связей, то значение коэффициента принимается К=4

S = 4∙3010,1= 12040,4 мм2.

Согласно конструкторскому ТЗ, плата модуля гироскопа должна быть одинакового размера с платой модуля процессорного и должна иметь размеры 138×128.

Площадь выбранной платы

   Sп = 138∙128 = 17664 мм2.

Размер платы выбран правильно, согласно условию Sп>S.

Крепление платы в корпусе производится на четырех стойках высотой 3,4 мм.


3.4 Расчет собственной частоты колебаний печатного узла блока управления

Проведем расчет собственных колебаний ПП, по следующим формулам [38]:

.    (3.7)

где а – размер между винтами крепления по большей стороне платы, 0,108 м;

bразмер между винтами крепления по меньшей стороне платы, 0,108 м;

ρ – плотность платы, 2·103 кг/м3;

М – масса платы с элементами, 0,2 кг.

     (3.8)

где mПЛ – масса платы;

mэл-тов- масса элементов.

,     (3.9)

где A, B – длинна и ширина платы. A=0,138 м, B=0,128 м.

mпл = 0,138∙0,128∙0,0015∙2000 = 0,053 кг.

M=0,057+0,143=0,2 кг.

D – цилиндрическая жесткость платы, она вычисляется по формуле:

,      (3.10)

где h – толщина платы, h=0,0015 м;

E – модуль упругости, 3·1010 Н/м2;

υ – коэффициент Пуассона, υ =0,22.

(Н·м).

(Гц).

Необходимо, чтобы собственная частота колебаний была не менее чем на октаву выше максимальной частоты возмущающих колебаний, т. е. необходимо выполнение условия: f0/f > 2, где f – частота внешних воздействий. Изделие ППНК, в которое входит разрабатываемой модуль гироскопа находится в верхней части танка. Из этого условия примем, что частота внешних колебаний не будет превышать 55 Гц. Тогда, согласно правилу октавы, отношение собственной частоты платы к частоте внешнего воздействия равно 2,036. Это означает, что резонансные колебания будут полностью устранены.

Собственная частота вибрации превосходит частоту внешних воздействий – условие вибропрочности выполнено. Рассчитанная частота собственных колебаний свидетельствует о жестком закреплении печатного узла


3.5 Расчет параметров электрического соединения элементов печатного монтажа

Выбор метода изготовления ПП определяет не только их конструктивно-технологические параметры, но и электрические характеристики проводящего рисунка. При расчете параметров проводников печатного монтажа учитывается плотность монтажа ПП. По полученной предварительно трассировке определяем, что приблизительная минимально допустимая ширина печатного проводника 0,15 мм, минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка в узком месте 0,15мм. Плата соответствует группе жесткости 3, класс точности 3 по ГОСТ 23751-86.

Выбираем материал платы: Стеклотекстолит FR4 Kingboard Laminates 0,7 0,15 A N, Препрег FR4 Kingboard Laminates 138х128х0,06.

Исходные данные:

1. Метод изготовления – металлизация сквозных отверстий;

2. Способ нанесения рисунка – фотоэлектрохимический;

3.5.1 Расчет минимального диаметра металлизированного отверстия 

Минимальный диаметр металлизированного отверстия определяется по формуле:

dmin = Нγ.      (3.11) 

где Н – толщина печатной платы, Н = 1,5 мм.

– отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине печатной платы, для 4-ого класса плотности печатного монтажа = 0,45.

Подставляя численные значения в формулу 3.11, получим:

dmin =1,5∙0,45 = 0,675 мм.

3.5.2 Расчет диаметра контактных площадок

Для ПП, изготовленных комбинированным позитивным методом при фотохимическом способе получения рисунка минимальный диаметр контактных площадок вычисляется по формуле:

.    (3.12)

где hпм – толщина слоя предварительно осаждённой меди (0,005 мм);

hр – толщина слоя металлического резиста (0,02 мм);

D1min – минимальный эффективный диаметр контактной площадки, мм;

hф – толщина фольги (0,050 мм).

D1min рассчитывается по формуле:

.    (3.13)

где bм – расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки (0,025 мм);

dmax – максимальный диаметр просверленного отверстия, мм;

δотв – погрешность расположения отверстий;

δкп – погрешность расположения контактной площадки.

Максимальный диаметр просверленного отверстия находится по формуле:

.     (3.14)

где dсв – диаметр сверла, мм;

Δd – погрешность диаметра отверстия (0,01 мм).

С учетом толщины металлизации в отверстии и усадки диэлектрического материала принимают:

.     (3.15)

где dм.отв – диаметр металлизированного отверстия (0,6 мм).

dсв= 0,25+0,1 = 0,26(мм);

dmax= 0,26+0,02 = 0,28(мм).

Погрешность расположения отверстия γотв определяется следующим образом:

.     (3.16)

где δо – погрешность расположения отверстий относительно координатной сетки (0,02 мм);

δо – погрешность базирования плат на сверлильном станке (0,02 мм).

(мм).

Погрешность δкп определяется по формуле:

.     (3.17)

где δш – погрешность расположения относительно координатной сетки на фотошаблоне контактной площадки (0,02 мм);

δэ – погрешность расположения печатных элементов при экспонировании на слое (0,01 мм);

δп – погрешность расположения базовых отверстий в фотошаблоне (0,01 мм);

δз – погрешность расположения базовых отверстий на заготовке (0,02 мм).

Подставляя численные значения получим:

(мм);

(мм);

(мм).

Минимальный и максимальный диаметры окна фотошаблона для контактной площадки соответственно определяются по формулам:

;     (3.18)

.     (3.19)

где ΔDш – погрешность изготовления окна фотошаблона (0,03 мм).

Подставляя численные значения получим:

(мм),

(мм).

Максимальный диаметр контактной площадки определяется следующим образом:

.     (3.20)

где ΔЭ – погрешность диаметра контактной площадки фотокопии при экспонировании рисунка (0,03 мм);

hр – толщина слоя металлического резиста (0,02 мм).

   (мм).

3.5.3 Расчет ширины печатных проводников

Расчет минимальной ширины проводников проводится по формуле:

.    (3.21)

где,t1nmin минимальная эффективная ширина проводника, экспериментально принимают равным 0,18 мм.

(мм).

Минимальная ширина на фотошаблоне определяется по формуле:

;      (3.22)

(мм).

Максимальная ширина линий на фотошаблоне:

.     (3.23)

где  – погрешность изготовления линий фотошаблона (= 0,06 мм);

(мм).

Максимальная ширина проводника при комбинированном позитивном методе при получении рисунка фотоспособом определяется по формуле:

.     (3.24)

Подставляя численные значения, получим:

(мм).

3.5.4 Расчет расстояний между элементами проводящего рисунка

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой определяется по формуле:

.    (3.25)

Где, L0 расстояние между центрами рассматриваемых элементов

(L0 = 1 мм);

погрешность расположения относительно координатной сетки на фотошаблоне проводника

(= 0,03 мм).

Подставляя численные значения, получим:

= 0,42 (мм).

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками определяется по формуле:

;     (3.26)

(мм).

Минимальное расстояние между двумя проводниками определяется по формуле:

;     (3.27)

= 0,59 (мм).

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой на фотошаблоне определяется по формуле:

;    (3.28)

0,47 (мм).

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками на фотошаблоне определяется по формуле:

;     (3.29)

= 0,3 (мм).

Минимальное расстояние между двумя проводниками на фотошаблоне определяется:

;     (3.30)

0,64 (мм).

3.5.5 Расчет минимального расстояния между элементами проводящего рисунка

Минимальное расстояние для прокладки проводников между двумя контактными площадками металлизированных отверстий определяется но формуле:

;  (3.31)

Где, D1max, D2max – максимальные диаметры контактных площадок металлизированных отверстий;

nn – количество проводников;

Smin – расстояние между проводниками, контактными площадками, проводником и контактной площадкой, проводником и металлизированным отверстием.

(мм).

Минимальное расстояние для прокладки проводников между двумя металлизированными отверстиями:

. (3.32)

Где,d1max, d2max максимальные диаметры металлизированных отверстий;

а расстояние от края платы до элемента печатного монтажа (а = 2 мм).

0,77мм.

Минимальное расстояние для прокладки проводников между контактной площадкой металлизированного отверстия и краем платы:

;   (3.33)

3,206мм.

Минимальное расстояние для прокладки проводников между не металлизированным отверстием и краем платы определяется по формуле:

;   (3.34)

4,59.

Согласно выше изложенному параметры печатного монтажа отвечают требованиям, предъявляемым к платам 3-го класса плотности.


3.6 Расчет помехозащищенности печатного монтажа

Для обеспечения надежности функционирования электрических схем актуальным является определение параметров линий связи печатных проводников и степени влияния их друг на друга [39].

Для оценки помехоустойчивости изделия ЭВС на печатной плате определяют емкостную и индуктивную составляющие паразитной связи, которые зависят соответственно от паразитной емкости между печатными проводниками и паразитной взаимоиндукции между ними. Выбираем на плате наиболее протяженный участок проводников, расположенных параллельно друг другу, на минимальном расстоянии. Считаем паразитные параметры для этого участка т.к. для него они будут максимальными.

Исходные данные для расчета:

S – минимальное расстояние между краями соседних проводников, 0,2 мм;

l1    длина взаимного перекрытия проводников, 5,6 мм;

tl    – ширина печатных проводников, 0,3 мм;

Lo – расстояние между центрами двух соседних проводников, 1 мм.

3.6.1 Расчет паразитной емкости

Паразитную емкость между двумя печатными проводниками можно определить по формуле:

.      (3.35)

где Спог погонная емкость между двумя проводниками печатного рисунка:

.      (3.36)

Кn коэффициент пропорциональности, зависит от S1/t1 или Нм/t1 и

выбирается по графику в соответствии ОСT 4.ГО.10.009 (0,1 пФ/см);

диэлектрическая проницаемость среды между проводниками:

.     (3.37)

, – диэлектрические проницаемости соответственно материала диэлектрика платы и лака покрытия печатной платы (=6 для стеклотекстолита, =4 для лака типа ЭП Э114).

Подставляя численные значения, получим:

;

(пФ/см);

(пФ).

3.6.2 Расчет паразитной взаимоиндукции и индуктивности

Паразитная взаимоиндукция между печатными проводниками М, нГн, определяется но формуле:

;      (3.38)

(нГн).

Индуктивность печатного проводника L1, мкГн, определяется по формуле:

.      (3.39)

где Lпог – погонная индуктивность печатного проводника, мкГн/см, определяется по графику в соответствии с ОСТ 4.ГО.010.009 (Lпог=0,017 мкГн/см).

(мкГн).

3.6.3 Расчет сопротивления изоляции цепей печатных проводников

Определение сопротивления изоляции печатных цепей, расположенных на поверхности печатной платы, можно произвести по формуле:

.      (3.40)

где Rs – сопротивление изоляции разобщенных печатных цепей;

– удельное поверхностное сопротивление изоляционного основания;

 S ширина изоляционного зазора печатных проводников;

1 длина изоляционного зазора печатных проводников.

(МОм).

Между рядом расположенными проводниками существует электрическая связь через сопротивление изоляции RS, взаимную емкость С и индуктивность M, которая приводит к появлению на пассивной линии связи напряжения перекрестной помехи от активной линии.

3.6.4 Расчет величины помехи

Активная составляющая может оказывать существенное влияние на работу устройства на высоких частотах. Надежная работа цифровых электронных схем будет обеспечена, если напряжение помехи не превысит помехоустойчивости логических схем. При проведении измерений с точностью АЦП – 24 бит, период следования управляющих процессом преобразования сигналов не менее времени интегрирования 224 мкс. Таким образом, учитывая невысокие значения паразитных емкости и взаимной индуктивности и низкую частоту следования сигналов, активной составляющей помехи можем пренебречь.

Тогда определим напряжение помехи как:

.     (3.41)

где Imaxмаксимальный ток через проводник;

 Rш – сопротивление проводников:

.      (3.42)

  удельное сопротивление;

 l – максимальная длина проводника (l = 110 мм);

 w – толщина фольги.

Подставляя численные данные, получим:

;

(мВ).

Помехоустойчивость превышает рассчитанное напряжение помехи.

Следовательно при рассчитанных параметрах печатного монтажа будет обеспечена надежная работа цифровых электронных схем.


3.7 Расчет надежности

Расчет проводится в соответствии с автоматизированной справочно-информационной системе по расчёту надежности (АСРН) РЭА.

При расчете принимаются следующие допущения:

– расчет проводится для периода нормальной эксплуатации изделия (периоды приработки и старения не учитываются);

– отказы в изделии являются событиями случайными и независимыми;

– поток отказов простейший;

– время безотказной работы распределено по экспоненциальному закону.

Расчет проводится исходя из условия относительной равнонадежности электрических и оптико-механических элементов (деталей).

По требованиям технического задания средняя наработка на отказ должна составлять не менее 1000 ч. С точки зрения надежности схема устройства представляет собой последовательное соединение элементов и таким образом, отказ любого из них приводит к отказу устройства в целом.

Вероятность безотказной работы в течение времени [40]:

.      (3.43)

где: lS – суммарная интенсивность отказов всех элементов устройства.

Средняя наработка на отказ:

.      (3.44)

Интенсивность отказов каждого элемента можно определить, как:

.  (3.45)

где: li0 – номинальная интенсивность отказов элемента;

 К1, К2 – поправочные коэффициенты, зависящие от воздействия механических факторов;

 К3 – поправочный коэффициент, зависящий от уровня влажности и температуры окружающей среды;

 К4 – поправочный коэффициент, зависящий от давления воздуха;

 ai – поправочный коэффициент, зависящий от нагрузки и от температуры поверхности элемента.

Условия эксплуатации системы идентификации рассматриваются как лабораторные, таким образом:

К1234 = 1.

.    (3.46)

Интенсивность отказов li0 всех радиоэлементов, примененных в устройстве, представлена в таблице 3.6.

Поправочный коэффициент ai, зависящий от степени нагрузки на данный радиоэлемент в схеме, приведенный к среднему значению по всему устройству в целом, так же представлен в таблице 3.6.

Таблица 3.6 – Интенсивность отказов радиоэлементов.

Наименование

Тип, серия элементов

Кол-во элем-ов

li0 ´ 10-6, 1/ч элементов, мм

ai

lSi0´ 10-6, 1/ч

ИС

ADA4528-2

ADS1255

LTC6655BHMS8-2.5

LT3032MPDE

ADM7150ARDZ-3,3

NC7SZ04M5X

SN74LVC1G04MDBVREP

ADUM3482BRSZ

ADM7150ARDZ-5,0

ADM7150ARDZ-1,8

SN74LVC1T45DBVT

3

2

1

1

1

1

2

1

1

1

3

0,419796

0,419796

0,419796

0,423432

0,532735

0,110612

0,110612

0,206987

0,419796

0,419796

0,110612

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1,259388

0,839592

0,419796

0,846863

0,532735

0,110612

0,221224

0,206987

0,419796

0,419796

0,331836

Конденсаторы

GRM21BR71E155KA88L

GRM21BR71E335KA73L

GRM31CR61A476ME15L

GRM219R71C474KA01D

К10-17в 50В 100пФ ±5% 1 В

К10-17в Н90 0,01мкФ 1 В

К10-17в Н90 0,1мкФ 3 В

К53-68 "B"-16В-10мкФ±5%

К53-68 "B"-16В-10мкФ±10%

К53-68 "C"-10В-100мкФ±10%

4

8

25

3

5

2

30

9

2

14

1,436341

2,173990

1,594472

1,711729

2,173990

0,046705

0,081165

0,106996

0,157699

0,157699

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

5,745364

8,69596

39,8618

5,135187

10,86995

0,186822

2,434951

0,962964

0,315398

2,365485

Изделия соединительные

Розетка FH28-40S-0.5SH(98)

Вилка СНП346-36ВП21-2

Розетка U.FL-R-SMT(01)

1

1

10

1,433974

0,002537

0,013865

1

1

1

1,433974

0,002537

0,13865

Продолжение таблицы 3.6

Наименование

Тип, серия элементов

Кол-во элем-ов

li0 ´ 10-6, 1/ч элементов, мм

ai

lSi0´ 10-6, 1/ч

Резисторы

RG2012N-1371-P-T1-ND

RG2012N-331-P-T1-ND

RG2012N-103-P-T1-ND

Р1-12-0,1 - 33 Ом ±5% - Т

Р1-12-0,1 - 49,9 Ом ±1% - Т

Р1-12-0,1 - 100 Ом ±5% - Т

Р1-12-0,1 - 1 кОм ±1% - Т

Р1-12-0,1 - 3,24 кОм ±1% - М

Р1-12-0,1 - 10кОм ±1% - М

Р1-12-0,1 - 47 кОм ±5% - М

8

4

2

1

7

3

4

2

1

6

0,180508

0,180508

0,180508

0,318871

0,318871

0,318871

0,223210

0,223210

0,223210

0,223210

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

1,444064

0,722032

0,361016

0,318871

2,232095

0,956612

0,89284

0,446419

0,223210

1,116048

Индуктивности

CTX100-3-R

LQH66SN220M03L

4

5

0,001523

0,001523

1

1

0,006092

0,007615

Пайки ЭРИ

412

0,000280

1

0,11536

Плата печатная

0,7

1

1

0,7

Суммарная интенсивность отказов:

lS = 75´10-6 1/ч.

Средняя наработка на отказ:

    Т = 1/(75 ´ 10-6) = 14000= 1,4∙105 ч.

Вероятность безотказной работы устройства в течение 1000 часов:

   Р = 2,718 – 75 ´ ´ 1000 = 2,718 – 0,075 = 0,93.

Рассчитанная наработка на отказ системы идентификации составляет 1,34∙105 часа и удовлетворяет требования технического задания.

 


4 Технологическая часть

4.1 Анализ технического задания и конструктивно-технологических особенностей изделия

При выборе метода изготовления печатных плат (ПП) необходимо учитывать плотность печатного монтажа, тип производства, а также элементную базу и условия эксплуатации. Кроме того, ТП должен обеспечить высокую производительность, высокие экономические показатели и необходимый уровень надежности [41].

Для изготовления модуля применяется двусторонняя печатная плата (ДПП) размером 138 128 мм. Электрическая связь слоев печатного монтажа осуществляется с помощью металлизации монтажных отверстий, что обеспечивает более надежное крепление компонентов на ПП и лучший электрический контакт. Для повышения технологичности и надежности компоненты расположены на одной стороне ДПП.

Основные параметры печатного рисунка ПП:

– минимальная ширина проводника, 0,3 мм.

– минимальное расстояние между проводниками, 0,82 мм.

– минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой, 0,2 мм.

– диаметр металлизированного отверстия, 0,8 мм.

– минимальный диаметр контактной площадки, 1 мм.

– количество монтажных отверстий – 320.

По ГОСТ 23751 указанные выше параметры рисунка ПП соответствуют третьему классу точности ПП. Следовательно, для изготовления ПП необходимо оборудование, обеспечивающее достаточно высокую точность воспроизведения печатного рисунка.

4.2 Выбор метода, технологического оборудования и оснастки изготовления ПП

Различают три группы методов изготовления ПП: субтракивный, аддитивный и полуаддитвный.

Субтрактивные методы основаны на удалении медного покрытия с участков платы, не являющихся проводящим рисунком печатного монтажа (с пробельных мест). Аддитивные методы основаны на избирательном осаждении токопроводящего покрытия рисунка ПП на диэлектрическое основание. Комбинированный метод является сочетанием субтрактивного и аддитивного.

Широко применяются следующие методы:

  1.  Аддитивный химический метод состоит в химическом осаждении меди в зоне токопроводящих участков на нефольгированный диэлектрик. Изготавливаются ПП 2–5 классов точности.

Достоинства метода: дешевый исходный материал; исключение операции травление меди; высокие однородность структуры и чистота осаждения меди; высокий выход годных плат; малый диаметр металлизированных отверстий; возможность исправить дефектную плату путем стравливания и повторного нанесения проводников.

Недостатки метода: низкая скорость осаждения меди; высокая стоимость химических реактивов; интенсивное воздействие электролитов на диэлектрик; трудность получения металлических покрытий с хорошей адгезией; сложность контроля и поддержания стабильности параметров ТП при наращивании металла.

  1.  Полуаддитивный метод с химической металлизацией поверхности состоит в предварительном химическом меднение отверстий и поверхности нефольгированного диэлектрика, гальваническое наращивании токопроводящих участков и химическом травление слоя предварительного меднения с пробельных мест. Изготавливаются ПП 2–5 классов точности.

Достоинства метода: дешевый исходный материал; возможность исправить дефектную плату путем стравливания и повторного нанесения проводников;

Недостатки метода: необходимость активации и частичной металлизации; большой диаметр металлизированных отверстий; неравномерное осаждение металла в гальванической ванне.

  1.  Субтрактивный химический метод состоит в избирательным травлением фольгированного диэлектрика. Изготавливаются ПП 1 и 2 класса точности.

Достоинства метода: отработанность в промышленных условиях; исключение операции металлизации; наличие оснащения для всех видов производства; высокая адгезия и пластичность проводников.

Недостатки метода: невозможность создания металлизированных отверстий; большой расход меди (60–90 %) и травителей; боковое подтравливание проводников; невозможность повторного использования ПП при обнаружении брака металлизации; большой диаметр отверстий.

4) Комбинированный метод состоит в металлизации отверстий химико-гальваническим методом и формировании проводящего рисунка избирательным травлением фольгированного диэлектрика. Изготавливаются ПП 1–3 класса точности.

Достоинства метода: отработанность в промышленных условиях; наличие оснащения для всех видов производства; высокая адгезия и пластичность проводников; создание металлизированных отверстий.

Недостатки метода: большой расход меди (60–90 %) и травителей; боковое подтравливание проводников; невозможность повторного использования ПП при обнаружении брака металлизации; неравномерное осаждение металла; большой диаметр металлизированных отверстий.

Из перечисленных выше методов для заданной ПП невозможно использовать субтрактивный метод из-за низких классов точности ПП и невозможности металлизации отверстий. Полуаддитивный и аддитивный методы имеют высокую себестоимость, малую производительность, интенсивное воздействие электролитов на диэлектрик, трудность получения металлических покрытий с хорошей адгезией, что снижает надежность изготавливаемых ПП. Таким образом, для изготовления заданной ПП выбираем комбинированный метод, для которого в качестве конструкционного материала применяют фольгированные слоистые диэлектрики Kingboard Laminates 0,7 0,15 A N.

Для получения рисунка печатного монтажа используем фотохимический метод, т. к. сеточно-химический метод не позволяет изготавливать платы выше второго класса точности, а метод офсетной печати мало распространен, более дорогой и используется в основном в массовом производстве с большими объемами выпуска. Для уменьшения затрат на производство и получения плат достаточно высокого качества используем отработанный типовой ТП. Для увеличения надежности ПП заменим в типовом ТП операцию оплавления сплава олово-свинец на операцию горячего лужения. Эта операция подвергает ДПП значительному термическому воздействию, что приводит к проявлению скрытых дефектов.

Таким образом, горячее лужение является стопроцентным технологическим испытанием, обеспечивающий отбор плат с повышенной надежностью и эксплуатационной стойкостью. Т. к. операции изготовления отверстий производятся на одном оборудовании, то их объединяем в одну операцию сверления отверстий. Наиболее эффективным является нанесение маркировки в виде металлизированных символов, выполняемых одновременно с рисунком схемы, то из ТП исключается операция маркировки ТП.

На рисунке 4.1 показан технологический процесс изготовления печатной платы.

Рисунок 4.1 – Технологический процесс изготовления печатной платы

Краткое описание каждой операции:

  1.  Входной контроль фольгированного диэлектрика заключается в проверке размеров листа, состояния поверхности диэлектрика, влияния на диэлектрик технологических факторов (повышенных температур, припоя, гальванических и химических растворов, механической обработки и др.) Визуально устанавливается наличие трещин, царапин, пузырей, проколов и других дефектов. Погружением в расплав припоя оценивается способность материала к короблению, межслоевому разрушению. Способность материала к сверлению определяется пробной обработкой. После сверления оценивают наличие в отверстиях прожигания, оплавления, торчащих волокон, затрудняющих металлизацию. Материал должен быть стойким к воздействию технологических факторов, после испытаний поверхность должна быть ровной, не иметь недопустимых дефектов, диэлектрик должен соответствовать ГОСТ 10316 и ГОСТ 26246.0.
  2.  Получение заготовок производится резкой листов диэлектрика. Лист стеклотекстолита разрезается на полосы, а затем полосы разрезают на заготовки. Резка листа производится гильотинными ножницами, которые должны обеспечивать возможность разрезки материалов толщиной до 3 мм с точностью 0,2 мм. Зазор между режущими кромками ножей должен быть в пределах 0,02–0,03 мм; при большем зазоре образуются трещины, сколы, происходит расслоение материала. Т. к. резанию подвергается стеклотекстолит, режущие кромки ножей должны быть изготовлены из твердых сплавов.

Заготовки диэлектрика для ДПП подвергают рихтовке, если их деформация составляет более 1 мм на 100 мм длины. Рихтовка заготовок осуществляется посредством их продвижения между вращающимися стальными валками, зазор между которыми регулируется прижимным устройством.

  1.  Сверление отверстий производят на станках с ЧПУ, что повышает производительность, точность и качество сверления. Перед сверлением монтажных отверстий сверлят базовые отверстия.

Сверление необходимо производить твердосплавными комбинированными сверлами для сверления ПП (ГОСТ 20686) с углом при вершине 122–130º. Это позволяет одновременно выполнять и сверление и зенковку отверстий, что повышает производительность ТП в целом, снижает время технологических перерывов. Перпендикулярность поверхности, предельные отклонения расстояний между центрами просверленных отверстий (согласно ГОСТ 23662 не более ±0,1 мм) и отклонения центров отверстий относительно узлов координатной сетки (согласно ГОСТ 23662 не более ±0,2 мм) должны обеспечиваться точностью позиционирования станка.

После операции производится контроль наличия всех отверстий, правильности и точности их расположения путем совмещения контролируемой платы с трафарет–платой по технологическим отверстиям. Контроль производится визуально на просвет. Проверка размеров отверстий осуществляется с помощью двусторонних калибр–пробок со вставками. Отклонение расстояний между центрами отверстий проверяется с помощью эталонной сетки-шаблона. При проверке качества отверстий контролируется ширина поверхностных сколов, ореолов на заготовке вокруг отверстий (согласно ГОСТ 23662 не более 0,35 мм). Поверхность перед замером промывают спиртом для удаления пылевидной стружки. Контроль осуществляется выборочно на 10 % заготовок из каждой партии, причем на каждой ПП контролируется не менее 10 отверстий. Для очистки поверхности платы (фольги) и отверстий используется установка гидроабразивной зачистки отверстий.

  1.  Предварительная химическая и электрохимическая (гальваническая) металлизация отверстий производятся на единой автоматизированной линии, т. к. химически осажденная медь легко окисляется на воздухе, поэтому наносить основной слой меди гальваническим способом следует непосредственно после операции химического меднения.

Предварительное химическое осаждение тонкого (толщиной 0,2–0,5 мкм) токопроводящего подслоя меди необходимо, чтобы улучшить адгезию в отверстиях и создать требуемого для осаждаемого электролитическим способом основного слоя меди (толщиной 25–40 мкм) замкнутого контура проводящих покрытий на ПП.

Химическое меднение заключается в восстановлении на активированных поверхностях из раствора. Наиболее распространенным и дешевым является раствор следующего состава: сульфат меди (II) CuSO4 – 10–15 г/л; виннокислый калий-натрий KNaC4H4O6 – 50–60 г/л; гидроксид натрия NaOH — 10–15 г/л; карбонат натрия Na2CO3 – 2–4 г/л; хлорид никеля NiCl2 — 2–4 г/л; формалин (33 %) HCOH – 10–20 мл/л; тиосульфат натрия Na2S2O3 — 0,001–0,002 г/л; трилон Б – 0,017 кг/м2. Время осаждения меди толщиной 0,25–0,5 мкм составляет 15–20 мин. Процесс ведется в ваннах с плавным покачиванием плат, что необходимо для удаления выделяющегося водорода во время реакции с поверхности диэлектрика. Этой же цели способствует подогрев раствора до 40–70 °С. Слой химически осажденной меди должен быть сплошным, без разрывов и царапин, светло-розового цвета, с полным покрытием стенок отверстий, мелкозернистым. После меднения подвески с платами выдерживают 30 с над ванной для стекания раствора и исключения его потерь.

Основной слой металлизации формируется электролитическим способом, требующего замкнутого контура проводящих покрытий, который осуществляется с помощью технологических проводников, специальных рамок, прошивкой отверстий медной проволокой. Плату зажимают в металлической рамке и подвешивают на шине (катод), подключаемой к отрицательному полюсу источника тока. Электроды из электролитической меди, погруженные в раствор ванны, подключаются к положительному полюсу (аноду).

Для гальванического меднения используют сернокислый электролит следующего состава: сульфат меди (II) CuSO4 – 200–220 мг/л; серная кислота H2SO4 – 50–60 г/л; хлорид натрия NaCl – 30–60 мг/л; добавка ЛСИ или БЭСМ – 1–3 мл/л. Для лучшей обработки поверхности отверстий рамку покачивают. Электролитическое осаждение осуществляется при напряжении 6 В, плотности тока 1,5–5 А/дм2, скорости 0,5–1 мкм/мин.

Качество покрытия проверяется визуально для 10 % ПП. Слой осажденной меди, как и при химическом меднении, должен быть сплошным, без разрывов и царапин, светло-розового цвета, с полным покрытием стенок отверстий, мелкозернистым. Толщину слоя контролируют при помощи металлографических шлифов по ГОСТ 23752 с помощью микроскопа.

  1.  Подготовка поверхности заготовок заключается в химической очистке, которая подготавливает поверхность ПП для нанесения резистивной маски. Очистка заключается в обработке заготовок в специальном очистителе следующего состава: серная кислота H2SO4 – 25–30 г/л; метановая кислота HCOOH – 10–15 г/л; препарат ОС-20 – 26–30 г/л. Качество подготовки поверхности проверяется визуально для 10 % заготовок. Перед нанесением фоторезиста заготовку необходимо выдержать в сушильном шкафу при температуре 75 ±5 °С в течение 60 мин.
  2.  Получение рисунка в фоторезисте (получение защитной маски требуемой конфигурации) необходимо для создания проводящего рисунка. В целях обеспечения требуемой точности и качества воспроизведения печатного рисунка и обеспечения требуемой производительности защитную маску будем получать методом фотопечати. Этот метод основан на изменении свойств фоторезиста, наносимого на поверхность ПП, за счет экспонирования через специальный фотошаблон, изготовленный на прозрачной лавсановой основе. После экспонирования рисунок проявляют, в результате чего образуется защитная маска из фоторезиста, через которую формируется рисунок проводников ПП.

Рисунок печатной платы можно получить с использованием сухих пленочных фоторезистов (СПФ). Применение СПФ упрощает ТП (исключаются операции сушки, дубления, упрощается операция нанесения фоторезиста), он легко поддается автоматизации, обеспечивает равномерное нанесение защитного слоя.

Сухой фоторезист накатывается при повышенной температуре на основу автоматом с накатывающим валиком. Защитная пленка удаляется, а полимер приклеивается к медной фольге, выдерживается при неактиничном освещении в течение 30 мин при температуре 18 ±2 °С для снятия внутренних напряжений в пленке. Далее заготовку экспонируют в установке экспонирования, выдерживают в течение 20–30 мин в затемненном месте для завершения процесса полимеризации тех участков фоторезиста, на которых воздействовал свет. После экспонирования заготовки с нее удаляют оптически прозрачную пленку и проявляют заготовку в установке проявления, потом промывают в холодной проточной воде в течение 1–2 мин при температуре 20 ±2 °С, декапируют в 20 %-ном растворе серной кислоты в течение 1 мин при температуре 20 ±2 °С, снова промывают в холодной проточной воде в течение 1–2 мин при той же температуре, сушат сжатым воздухом.

Качество рисунка в СПФ контролируют визуально для 100 % заготовок. Защитный слой фоторезиста должен быть глянцевым, сплошным, без повреждений, рисунокчетким. Фоторезист должен быть полностью удален с пробельных мест и из отверстий. Не допускается наличие белого налета на пробельных участках.

  1.  Нанесение металлического резиста из сплава олово-свинец необходимо для предохранения проводящего рисунка при операции травления меди и обеспечения пайки навесных компонентов на плату. Осаждение сплава олово-свинец осуществляется электрохимическим методом в борфтористоводородном электролите состава [8]: фторборат олова Sn(BF4)2 – 12–15 г/л; фторборат свинца Pb(BF4)2 – 7–9 г/л; борфтористоводородная кислота HBF4 – 250–280 г/л; борная кислота H3BO3 – 20–30 г/л; клей – 4–6 г/л. Электролит применяют с добавками, улучшающими качество и скорость нанесения покрытия.

Процесс аналогичен гальваническому меднению с другими режимами процесса [8]: при напряжении 1–1,5 В, плотности тока 1–2 А/дм2, температуре электролита 18–25 °С, скорость осаждения 30 мкм/ч.

Толщина нанесенного сплава должна быть порядка 10–20 мкм. Полученное покрытие должно быть равномерным, однородным, без включений, трещин.

  1.  Удаление СПФ производится при одновременном растворении и прохождении химикатов (5–10 % раствор гидроксида натрия NaOH) через структуру резиста, в результате которого он набухает и отслаивается от поверхности плат. Конвейерные установки аналогичны установкам проявления, но в них обработка заготовок происходит при более высоком давлении струи жидкости на последнем этапе, они должны быть оборудованы фильтрующей системой для улавливания пленок фоторезиста).

После операции производится визуальный контроль 10 % заготовок.

  1.  Травление меди с пробельных мест ПП, непокрытых защитным слоем сплава олово-свинец производится в специальных растворах на основе хлорной меди следующего состава [8]: хлорид меди (II) CuCl2 – 60–70 г/л; карбонат аммония (NH4)2CO3 — 210–230 г/л; хлорид аммония NH4Cl – 100–120 г/л. Такой раствор имеет высокую стабильность параметров, низкую стоимость, прост в изготовлении, разработаны методы регенерации меди из отработанного травителя. Растворы на основе хлорного железа невозможно применять из-за их реакции со сплавом олово-свинец, а на основе персульфата аммония – из-за малой стабильности параметров травления, большого бокового подтрава и низкого качества получаемых краев проводников. После травления платы промывают в 5–10 %-ном растворе аммиака для удаления травителя.

В результате применения щелочных растворов травления покрытие олово-свинец частично растворяется и образующиеся продукты в виде темного шлама обволакивают поверхность покрытия и препятствуют выполнению последующих операций. Для удаления травильного шлама с поверхности платы погружают на 1 мин в раствор осветления состава [8]: тиомочевина CS(NH2)2 – 90 г/л; соляная кислота HCl – 50–60 мл/л; этанол C2H5OH – 5 мл/л; синтанол ДС-10 – 1 г/л.

Операция травления осуществляется в конвейерных модульных установках, в которых на платы сверху и снизу направляются струи травильного или промывочного раствора. Струйный метод травления является наиболее эффективным, так как обеспечивает требуемую скорость процесса при незначительном боковом травлении. В крупносерийном производстве оборудование для травления должно содержать модули травления, регенерации, промывки, сушки, которые объединяются транспортной системой.

  1.  Горячее лужение проводящего рисунка ПП проводится для улучшения паяемости путем нанесения припоя ПОС-61. Вначале осуществляется сушка плат в сушильном шкафу. Нанесение припоя производят на автоматизированных установках способом погружения или волной расплава. Способ предусматривает нанесение на плату припоя в избыточном количестве, выравнивание его слоя по поверхности проводящего рисунка и съем излишков металла. Выравнивание покрытия и удаления излишков осуществляется непосредственно после нанесения припоя, пока он не успел затвердеть, с помощью центрифуг, валков, ракелей, вакуумным отсосом, струями нагретого воздуха. Поверхность проводящего рисунка не должна иметь необлуженных мест, наплывов и посторонних вкраплений.
  2.  Механическая обработка по контуру осуществляется методом фрезерования на специализированных фрезерных станках с ЧПУ. Режущим инструментом являются алмазные дисковые фрезы или твердосплавные концевые фрезы диаметром 3–8 мм. Платы собирают в пакет с прокладками из кабельной бумаги.
  3.  Выходной контроль предназначен для определения качества изготовления изделий: степень их соответствия требованиям чертежа, техническим условиям, отраслевым и государственным стандартам. К основным видам выходного контроля ПП относят: контроль внешнего вида; инструментальный контроль геометрических параметров и оценка точности выполнения отдельных элементов; определение целостности токопроводящих цепей и сопротивления изоляции, проверка качества отмывки. Выходному контролю подвергаются 100 % изготовленных плат.

Качество отмывки проверяют измерением изоляции. Для получения сопоставимых результатов независимо от конфигурации изоляционных промежутков между проводниками целесообразно контролировать чистоту отмывки измерением сопротивления между электродами-«гребенками», расположенными на технологическом поле ПП.

  1.  Финишная подготовка ПП включает в себя подготовку их поверхностей для консервации, контроль качества подготовки и упаковку для межоперационного или длительного хранения.

Целью подготовки поверхности является удаление с плат всевозможных загрязнений на диэлектрике и удаления окислов с металлического покрытия для сохранения его паяемости. На платы наносят ацетоно-канифольный или спирто-канифольный флюс, распределяя его по поверхности и в отверстия.

Контроль качества подготовки поверхности производят в камере влажности, при этом сопротивление изоляции диэлектрика должно быть не менее 1 ГОм.

ПП упаковывают в полиэтиленовые пакеты (несколько штук в одном пакете) на автоматической установке.

Хранение плат осуществляется в складских помещениях, при температуре 5–40 °C и относительной влажности до 70 %. Срок хранения плат – 6 месяцев со дня изготовления, после чего следует проводить повторный контроль на отсутствие коррозии, повреждений, сохранение электрических параметров и паяемости.

Оборудование для изготовления ПП приведено в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Технологическое оборудование

Операция (название инструмента)

Оборудование

Марка, ГОСТ, ОСТ, ТУ

Производительность

Кол-во

1

2

3

4

Получение заготовок

Ю1.015.01.00.000 ТУ

720 шт./ч

1

Сверление отверстий

СФ-4 ЯМ1.053.001 ТУ

4 отв./с

1

Очистка

АРСМ3.190.001 ТУ

180 плат/ч

1

Продолжение таблицы 4.1

1

2

3

4

Металлизация, нанесение сплава олово-свинец

АГ-44 ГГМ1.211.036 ТУ

9,5 м2

1

Подготовка поверхности

ПИЖМ 44.14.16.005 ТУ

8,0 м2

1

Нанесение СПФ

АРМСЗ.289.006 ТУ

14 м2

1

Экспонирование СПФ

АРСМЗ.258.000 ТУ

24 м2

1

Проявление СПФ

ГГМ1.250.001 ТУ

14 м2

1

Снятие СПФ

ГГМ1.254.001 ТУ

10 м2

1

Травление меди

КМ-1 ДМУМ1.240.001 ТУ

14 м2

1

Сушка

УС-3 АУБ.39.00.00.000 ТУ

1

Горячее лужение

КПМ1.219.001 ТУ

14 м2

1

Обработка по контуру

675П

2000 плат/ч

1

Финишная промывка

ВЫМ1.240.006 ТУ

14 м2

1

Упаковка

М-АП-2С ТУ 27-08-2069-77

1

Измерительные приборы

Калибр-пробка

ГОСТ 21401-75

Штангенциркуль

ГОСТ 166-80

1

Линейка поверочная

ГОСТ 8026-75

1

Микроскоп универсальный

УИМ 200Э ГОСТ 14968-69

1

Микроскоп стереоскопический

МБС 9 ТУ33.1210-78

1

Установка автоматизированного контроля

АМЦ 1466

1

4.3 Выбор метода, технологического оборудования и оснастки для сборки модуля

Сборка представляет собой совокупность технологических операций механического и электрического соединения деталей и ЭРЭ в изделии, выполненных в определенной последовательности для обеспечения заданного их расположения и взаимодействия.

В настоящее время нашли применение два метода сборки: поточный и позиционный. Поточный метод применяют в массовом и крупносерийном производстве. Он характеризуется использование специализированного оборудования при выполнении сборочных операций. Позиционный метод применяют в мелкосерийном производстве и выполняют сборку на универсальном оборудовании. В виду того, что технологический процесс сборки будет производиться для мелкосерийного производства, сборка будет осуществляться на универсальном оборудовании позиционным способом.

Существуют две общеизвестные схемы сборки: схема сборки с базовой деталью и схема сборки веерного типа. В нашем случае все навесные элементы устанавливаются на печатную плату, поэтому логично выбрать схему сборки с базовой деталью. Базовой деталью является печатная плата.

Разрабатываемый технологический процесс может основываться на базе:

– индивидуальных техпроцессов, разработанных ранее;

– типовых и групповых техпроцессов.

В условиях серийного производства целесообразно использовать метод типовых и групповых техпроцессов, что позволяет более рационально осуществлять не только проектирование технологического процесса, но и организовать производство изделия.

Технологический процесс сборки можно характеризовать с точки зрения использования в нем средств механизации и автоматизации.

При мелкосерийном производстве наибольшее применение находит ручная сборка, так как автоматическое специализированное оборудование имеет высокую цену и не окупается в условиях данного производства.

Краткое описание каждой операции:

1) Входной контроль – это технологический процесс проверки поступающих ЭРЭ, ИМС и печатных плат по параметрам, определяющим их работоспособность и надежность перед включением этих элементов в производство.

Входной контроль можно разделить на визуальный и контрольно– параметрический. Визуальному контролю подвергаются все поступающие комплектующие, элементы, печатные платы. Параметрический контроль обычно проводят выборочно. Обычно на практике выборочному контролю подвергаются 5 % изделий из партии комплектующих. Параметрический контроль основных технических характеристик цифровых

2) Подготовка ЭРЭ и ИМС включает распаковку компонентов, рихтовку, зачистку, формовку, обрезку и лужение выводов, размещение элементов в технологической таре. В качестве тары может выступать липкая лента и специальные кассеты. Так как сборка ведется ручным способом, то правку, формовку и обрезку вывод элементов необходимо производить на универсальных технологических приспособлениях, которые изготовлены в инструментальном цехе предприятия-изготовителя. Варианты формовки выводов должны соответствовать ГОСТ 29137-91 для соответствующего варианта установки элемента на печатную плату.

3) Подготовка ПП включает: расконсервацию и лужение ПП, установку электромонтажных контактов (штырей) на печатные платы, установку деталей механического крепления ЭРЭ на печатные платы, установку изоляционных прокладок, теплоотводящих шин и металлических оснований.

Лужение ПП производится с дозированием припоя на контактные площадки для пайки компонентов с поверхностным монтажом. Эта операция производится с помощью установки АП-4 ГГ-1621.

4) Установка ЭРЭ и других деталей производится ручным способом с применением монтажного инструмента. Порядок установки элементов должен соответствовать схеме сборки (рисунок .1).

5) Оплавление пасты производится в печи АРС 3.009.000.

6) При групповой пайке плат с односторонним расположением навесных элементов применяется пайка погружением, пайка волной припоя, избирательная пайка. В виду того, что избирательная пайка более трудоемкая, чем остальные методы пайки, а для пайки погружением необходимо изготовление и нанесение защитной маски, наиболее удобным для выполнения этой операции является пайка волной припоя. Типовые технологические операции пайки электромонтажных соединений приведены в ГОСТ 3.1407-86. Установка пайки АП-4 ГГ-1621 предназначена для групповой пайки волной припоя электромонтажных соединений ячеек ЭРЭ со штырьковыми выводами (в том числе МС и микросборок), лужения выводов ЭРЭ, установленных в специальные кассеты, а также для горячего лужения печатной платы с дозированием припоя на контактных площадках.

Установка имеет следующие технические характеристики: производительность не менее 150 ячеек/час; размеры паяемых ячеек: максимальные 380 × 220 мм, минимальные 75 × 75 мм; пределы регулирования температуры от 200 до 300 0С; время разогрева припоя до температуры 250 0С от 85 до 90 мин.

7) После проведения операции пайки волной припоя необходимо очистить печатную плату от остатков флюса. Для этого используется линия механизированной отмывки ячеек РЭА от флюса ВЫМ 1.240.001. Производительность линии не менее 100 ячеек/ч. Сушка отмытых плат осуществляется в сушильной печи АРС 3.009.000.

8) Операция контроля монтажа необходима для обнаружения дефектов автоматической пайки волной. Так как объем выпуска данного изделия невелик, операция контроля производится визуально без использования специализированных приборов. Оценка качества монтажа производится при помощи лупы или микроскопа.

9) Электрические соединители устанавливаются на печатную плату после установки всех элементов и деталей печатного узла. Пайка электрических соединителей осуществляется электропаяльником ЭПСН-10/220 ГОСТ 7219-83.

10) Влагозащита производиться в соответствии с требованиями ГОСТ 23592-96. На печатный узел после предварительного обезжиривания наносится 3 слоя лака УР-1 ТУ6-10-863-84. После нанесения каждого слоя лака производится сушка в сушильном шкафу КШ-2 ГГ-2394. Нанесение лака на ТЭЗ осуществляется в окрасочной камере ОК-3-ГГ-2103 при помощи краскораспылителя КА-1 ТУ6-10-603-74.

4.4 Оценка технического уровня технологии 

В соответствии с ГОСТ 14.205-78 под технологичностью изделия понимается совокупность технических и других характеристик изделия, определяющих их приспособленность к достижению минимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте. Количественная оценка технологичности производится с помощь показателя технологичности [9]. Основным показателем для оценки технологичности является комплексный показатель технологичности Кт.

Кт=(к11)+(к22)+...(кnn)/(1+2+...n).   (4.1)

Где, кi–базовый показатель технологичности конструкции;

i–коэффициент значимости базового показателя;

Технологичности;

n–число базовых показателей.

Коэффициент i зависит от порядкового номера i основных показателей технологичности, ранжированная последовательность которых устанавливается экспертным путем:

i=i/(2i–1).      (4.2)

В данном случае для определения технологичности, в комплексный показатель технологичности целесообразно включить следующие показатели представленные в ранжированном порядке:

– коэффициент применяемости деталей (Кпд)

– коэффициент применяемости ЭРЭ (Кпрэрэ)

– коэффициент применяемости микросхем в изделии (Кпр.ис)

– коэффициент автоматизации и механизации подготовки ЭРЭ к монтажу (Кмп)

– коэффициент автоматизации и механизации монтажа (Кам)

– Коэффициент применяемости деталей:

Kпд = 1 – Nт.ор/Nт.     (4.3)

Где, Nт.ор – число оригинальных деталей в изделии;

Nт – общее число деталей.

Подставляя численные данные, Кпд = 1 – 0/210 = 1

Коэффициент применяемости ЭРЭ:

Kпрэрэ = 1 – Nт.ор.эрэ/Nт.эрэ.   (4.4)

Где, Nт.ор.эрэ – число оригинальных ЭРЭ в изделии;

Nт.эрэ – общее число ЭРЭ;

Коэффициент применяемости МКС:

Кпр.ис=Nсх.ис/(Nсх.ис+Nэрэ).   (4.5)

Где, Nсх.ис – число МКС в схеме;

Nэрэ – число ЭРЭ в схеме;

Подставив численные данные, получим: Кпр.ис = 23/(23+210)=0,10

Коэффициент автоматизации и механизации ЭРЭ и ИС к монтажу:

Кмп = Nмп.эрэ./Nэрэ.    (4.6)

Где, Nмп.эрэ.–число ЭРЭ, подготовка к монтажу которых может осуществляться механизированным или автоматизированным способами Кмп=200/200=1

Коэффициент автоматизации и механизации монтажа:

Кам=Nам/Nм.     (4.7)

Где, Nм – общее число соединений в устройстве

Nам – число соединений, которые могут получить механизированным или автоматизированным способом

Кам = 758/758 = 1

Зная значение всех коэффициентов, можно сложить их и посчитать коэффициент технологичности:

Кт = (1*1+1*1+0,1*0,75+1*0,5+1*0,3)/(1+1+0,75+0,5+0,3)= 0,77

Рассчитанный коэффициент технологичности показывает, что изделие технологично.


5 ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

5.1 Общие сведения о разрабатываемом изделии

Организационно-экономический раздел дипломного проекта является важной частью дипломного проектирования. Он позволяет на основе полученных значений предполагаемых затрат на проектирование, изготовление, эксплуатацию изделия, а также на основе определения интегрального показателя конкурентоспособности изделия сделать вывод об экономической целесообразности внедрения его в производство.

Техническая подготовка производства изделия представляет собой комплекс технических мероприятий, связанных с освоением новых и совершенствованием ранее выпускаемых изделий.

Техническая подготовка производства изделия делится на конструкторскую и технологическую и включает:

– проектирование новых изделий и совершенствование конструкции ранее выпускаемых изделий, обеспечение их производства техническими условиями, чертежами, спецификациями и прочей конструкторской документацией;

– разработку новых и улучшение действующих технологических процессов, обеспечение производства технологической документацией;

– проектирование и изготовление технологической оснастки;

– отладку технологических процессов.

Проектируемым изделием является система управления литьевой машины (пресса). Исходные данные для проектирования [41]:

1) Группа новизны конструкции – Д (новая машина);

2) Группа конструктивной сложности VI (машины и устройства, имеющие систему автоматического регулирования режимов работы).

Затраты времени на разработку технического задания определяются на основе исходных данных:

Тоб=.     (5.1)

Где Т1 – затраты времени на соответствующую стадию проектирования, нч;

Т0 – время изготовления опытного образца, нч;

m – количество стадий КПП.

5.2 Конструкторская разработка производства

Трудоемкость конструкторской подготовки производства включает затраты времени на разработку:

– технического задания;

– рабочей документации.

Затраты времени на разработку технического задания определяются в зависимости от группы новизны и конструктивной сложности изделия и составляют 1001,0 часов.

Время на согласование и утверждение технического задания принимаем 80 часов.

Затраты времени на разработку, согласование и утверждение технического задания составляют: 1001,0 + 80 = 1081,0 часов

Затраты времени на разработку рабочей документации определяются в зависимости от группы новизны, конструктивной сложности изделия и количества листов фактического формата по заданной таблице.

Время на согласование и утверждение рабочего проекта – 15 % от суммы этих затрат.

Расчет трудоемкости разработки рабочей документации сводим в таблицу 5.1.

Таблица 5.1 – Трудоемкость разработки рабочей документации.

Наименование

документа

Формат

Норма времени,нч

Фактический формат

Поправочный коэффициент

Кол-во листов фактич.

формата

Фактическая трудоемкость, нч

Чертеж общего вида

А1

22,6

А1

1

1

22,6

Электрическая схема

А2

56,8

А1

1,8

1

102,2

Продолжение таблицы 4.1

Наименование

документа

Формат

Норма времени,нч

Фактический формат

Поправочный коэффициент

Кол-во листов фактич.

формата

Фактическая трудоемкость, нч

Чертеж детали

A4

1,6

А1

6,48

3

31,1

Ведомость покупных изделий

А4

1,0

А4

1

4

4

Пояснительная записка

А4

1,0

А4

1

50

50

Спецификация

А4

0,8

А4

1

10

8

Расчеты

А4

4,1

А4

1

70

287

Нормоконтроль текстовой документации

А4

0,2

А4

1

1

0,2

Нормоконтроль чертежа

А4

0,2

А1

5,8

5

5,8

Технологический контроль

А4

0,2

А1

5,8

5

5,8

ИТОГО:

514,3

Согласование и утверждение рабочего проекта

107,9

ВСЕГО:

622,2

5.3 Затраты времени на разработку технического проекта

Затраты времени на разработку технического проекта определяются также в зависимости от исходных данных и количества листов фактического формата.

Количество листов форматов чертежей деталей определяется по количеству типоразмеров оригинальных деталей.

Трудоемкость нормоконтроля текстовых документов определяется по формуле (5.2):

Тт.д.=Qт.д.*tт.д.      (5.2)

где Qт.д. – количество листов текстовых документов;

tт.д. – норма времени на проверку одного формата текстового документа.

Трудоемкость нормоконтроля чертежа определяется по формуле (3):

Тч=(nдет.*k1 +*k2)*tч.     (5.3)

где nдет. – количество чертежей деталей;

nфакт. – количество листов фактического формата по каждому виду документации;

n – количество наименований видов конструкторской документации;

k1 и k2 – поправочные коэффициенты фактического формата чертежей в формат А4;

tч – норма времени на проверку чертежа формата А4.

Трудоемкость технологического контроля чертежей определяется по формуле (5.4):

Ттк=( nдет.*k1 +*k2)*tт.к.   (5.4)

где tт.к. – норма времени на технологическую проверку чертежа формата А4.

Расчет трудоемкости разработки технического проекта сведен в таблицу 5.2.

Таблица 5.2 – Трудоемкость разработки технического проекта.

Наименование

документа

Формат

Норма времени,нч

Фактический формат

Поправочный коэффициент

Кол-во листов фактич.

Формата

Фактическая трудоемкость, нч

1

2

3

4

5

6

7=3*5*6

Чертеж общего вида

А1

36,3

А1

1

1

36,3

Чертеж детали

А4

0,8

А1

6,48

3

15,5

Электрическая схема

А2

23,4

А1

1,8

1

42,1

Ведомость покупных изделий

А4

1,0

А4

1

4

4

Пояснительная записка

А4

4,1

А4

1

50

205

Спецификация

А4

0,8

А4

1

10

8

Расчеты

А4

2,0

А4

1

70

140

Нормоконтроль текстовой документации

А4

0,2

А4

1

1

0,2

Нормоконтроль чертежа

А4

0,2

А1

5,8

5

5,8

Технологический контроль

А4

0,2

А1

5,8

5

5,8

ИТОГО:

462,7

Согласование и утверждение технического проекта

80

ВСЕГО:

542,7

5.4 Определение трудоемкости изготовления изделия

Трудоемкость изготовления проектируемого изделия определяется по методу аналогов, который заключается в том, что изделие, находящееся в стадии разработки, сопоставляется с выпускаемым изделием-аналогом по конструкторско-технологическим характеристикам.

Трудоемкость нового изделия определяется по формуле (5):

Т=Тбаз.*kм*kсл*kн*kу     (5.5)

где Тбаз. – общая трудоемкость изготовления базового изделия, нч;

kм – коэффициент, учитывающий различия в массах сравниваемых изделий;

kсл. – коэффициент сложности конструкции;

kн – коэффициент новизны конструкции;

kу – коэффициент унификации.

Трудоемкость будет равна: Т=50*1*1,4*1,2*1=84 нч.

Где Тбаз=1000; kн=1,4; kсл=1,2, kм=1, kу=1.

5.5 Трудоемкость технической подготовки производства

Результаты расчетов трудоемкости сводим в таблицу 5.3.

Таблица 5.3 – Сводная таблица трудоемкости технической подготовки производства (ТПП).

Наименование стадий ТПП

Трудоемкость, нч

Примечания

1 Конструкторская подготовка:

А) разработка технического задания

1081,0

П. 4.2

Б) разработка технического проекта

542,7

Табл. 4.2

В) разработка рабочей документации

622,2

Табл. 4.1

Итого:

2245,9

Г) изготовление изделия

84

П. 4.4

Всего:

4690

5.6 Расчет затрат на всех стадиях жизненного цикла изделия

5.6.1 Смета затрат на техническую подготовку производства

Таблица 5.4 – Затраты на проектирование изделия

Вид работ

Трудоемкость, нч

Оплата 1 нч, руб.

Затраты на оплату труда, руб.

гр.2*гр.3

Страховые выплаты, руб.

30%*гр.4

Всего, руб.

гр.4+гр.5

1

2

3

4

5

6

Проектирование изделия

2245,9

60

134754

40426,2

175180,2

5.6.2 Расчет себестоимости и цены изделия

Себестоимость продукции – это выраженные в денежной форме текущие затраты предприятия на производство и реализацию продукции.

Система расчетов, с помощью которой определяется себестоимость изделия называется калькулированием. Калькулирование необходимо для определения цены единицы продукции.

Для определения себестоимости нового изделия составим калькуляцию по всем текущим и предстоящим расходам.

Таблица 5.5 – Калькуляция себестоимости проектируемого изделия

Статьи затрат

Сумма, руб.

Примечание

1

2

3

1 Основные материалы

2376,64

От 100% - до 250%*ст.5

2 Комплектующие изделия

85379

Табл. 4.6

Итого материальные затраты:

87755,64

3 Тарифная заработная плата производственных рабочих

134400

З=Топ.обр.*Счас.

Где Топ.обр.=1680нч, Счас.=50-80 руб.

4 Доплаты к тарифу

30272

30%*ст.3

5 Основная заработная плата

148512

Ст.3+ст.4

6 Дополнительная заработная плата

14851

10%*ст.5

Итого расходы на оплату труда:

163363

Ст.5+ст.6

7 Страховые выплаты

42474

30%*(ст.5+ст.6)

8 Расходы на техническую подготовку производства

175180,2

Табл.4.4

9 Общепроизводственные расходы

222768

150%*ст.5

10 Общехозяйственные расходы

148512

100%*ст.5

Продолжение таблицы 5.5

Статьи затрат

Сумма, руб.

Примечание

Итого: производственная себестоимость

984564,84

ст.1,2,5,6,7,8,9,10

11 Коммерческие расходы

19691,29

2%*производ.себестоимости

ИТОГО: полная себестоимость

1004256

ст. 1,2,5,6,7,8,9,10,11

Таблица 5.6 – Покупные комплектующие изделия

Наименование

Цена, руб.

Количество, шт.

Сумма, руб.

1 Микросхемы АЦП

1860

2

3720

2 Микросхемы ОУ

600

3

1800

3 Стабилизаторы напряжения

1500

4

6000

4 Логические инверторы и изоляторы

600

4

2400

5 Плата

10000

1

10000

6 Остальные компоненты

60259

Всего:

85379

Расчет цены проектируемого изделия производится по методу «Средние издержки плюс прибыль». Суть данного метода сводится к суммированию всех затрат на производство и реализацию продукции и добавлению к полученной сумме планируемого норматива рентабельности, то есть процента прибыли.

Таблица 5.7 – Цена проектируемого изделия

Статьи затрат

Сумма, руб.

Примечание

1 Полная себестоимость

1004256

Табл. 4.5

2 Полная себестоимость без материальных затрат

916500

Табл. 4.5

3 Норматив рентабельности

30%

(10-50)%

4 Прибыль

301276

Ст.1*ст.3/100

5 Отпускная цена

1305532

Ст.1+ст.4

6 НДС

219199

18%*(ст.2+ст.4)

7 Отпускная цена с НДС

1524732

Ст.5+ст.6

Построение графика безубыточности и расчет прибыли [42].

Y1=P. P=ПИ*N, где: ПИ – постоянные затраты; N - планируемый годовой объем изделия в шт.

У1=(175180,2+222768+148512+19691,29)∙N = 56615000

Y2=V*N+Р, где: V – переменные затраты на единицу изделия в год

У2=У1+(87755,64+163363+42474)∙N = 85974264

Y3=Ц*N, где: Ц – цена единицы изделия (без НДС)

У3=1305532∙N = 130553200

Точка А – точка безубыточности, т.е. объем производства, при котором затраты на его производство будут равны выручке от его реализации, т.е. Y2 = Y3 или V*N+P=Ц*N.

Na = P/(Ц-V). Дальнейшее увеличение объемов реализации приведет к появлению прибыли П: П=У3-У2.

График безубыточности и расчета прибыли показан на рисунке 5.1

Рисунок 5.1 – график безубыточности и расчет прибыли.

 

Точка безубыточности наступает, когда уровень производства достигает 56 шт.

5.7 Определение затрат у потребителя проектируемого изделия

Годовые текущие затраты представляют собой совокупность изменяющихся элементов затрат, связанных с эксплуатацией проектируемого изделия, и, как правило, включают в себя следующие элементы затрат:

Гз=Зобс.+Р+А+Э       (5.6)

Где, Зобс. – расходы на оплату труда обслуживающего персонала с отчислениями на социальные нужды, руб.

Р – затраты на текущий ремонт и обслуживание оборудования, руб.

А – затраты на амортизацию оборудования, руб.

Э – затраты на электроэнергию, руб.

Расходы на оплату труда обслуживающего персонала в нашем случае рассчитываться не будут, т.к. оборудование не требует обслуживания.

Затраты на текущий ремонт составят:

Р=Цотп.*в/100% .      (5.7)

Где, Цотп. – отпускная цена оборудования (с НДС), руб.

в – затраты на ремонт и обслуживания оборудования, %.

Затраты на ремонт составят: Р=1524732,8/10%/100=152473 руб.

Затраты на амортизация оборудования рассчитываются по формуле:

А=Цотп.*На/100%.      (5.8)

Где, На = норма амортизации.

Амортизационные затраты составят: А=1626092*20%/100%=304946 руб.

Затраты на электроэнергию рассчитываются по формуле (5.9):

Э=W*Фд.*Ц      (5.9)

где W – потребляемая мощность оборудования, кВт;

Фд – действительный годовой фонд работы оборудования, ч;

Ц – стоимость 1 кВт*ч, руб. (Ц=4,3 руб./кВт)

Затраты на электроэнергию составят: Э= 14*4224*4,3=71555 руб.

Годовые текущие затраты потребителя сведены в таблицу 5.8.

Таблица 5.8 – Годовые текущие затраты потребителя

Затраты

Сумма, руб.

1 Расходы на оплату труда обслуживающего персонала

0

2 Затраты на текущий ремонт и обслуживание оборудования

152473

3 Затраты на амортизацию оборудования

304946

4 Затраты на электроэнергию

71555

Итого:

528774

5.8 Технико-экономические показатели проекта

Таблица 5.9 – Технико-экономические показатели проекта

Показатели

Единица

измерения

Значения

Показателя

Примечание

1

2

3

4

1 Объем продаж

Шт.

1

Исх.данные

2 Дохода от реализации изделия

Руб.

1305532

Цизд (б/НДС)*п.1

3 Затраты на производство изделия

Руб.

1004256

Спол.*п.1

4 Прибыль от реализации продукции

Руб.

301276

П.2-п.3

5 Уровень рентабельности производства изделия

%

30

Табл.4.6

6 Трудоемкость технической подготовки производства

нч

6285,9

Табл.4.3

7 Затраты на техническую подготовку производства

Руб.

175180,2

Табл.4.4

8 Снижение технологической себестоимости изделия

Руб.

-111982

Табл.4.8

9 Снижение технологической себестоимости изделия

%

85%

Талб.4.8

10 Отпускная цена единицы изделия (с НДС)

Руб.

1524732

Табл.4.6

В результате проведенных расчетов приходим к заключению, что внедрение данного прибора в производство перспективно.

Вышеперечисленные показатели говорят о том, что изделие с финансовой точки зрения выгодно для потребителя и приносит прибыль производителю.


6 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

6.1 Анализ опасных и вредных факторов

Основной задачей раздела БЖД является выявление опасных и вредных факторов при производстве и эксплуатации изделия, разработка мер по их устранению, а также проведение мероприятий по охране окружающей среды.

Разрабатываемое устройство предназначено для формирования напряжений питания гироскопа, АЦП и активного фильтра, входящих в модуль гироскопа, а также оцифровки аналоговых сигналов гироскопа, и передачу этой информации процессорному модулю. Модуль входит в состав системы стабилизации и наведения прибора панорамного изделия ППНК.

Модуль гироскопа относится к изделиям всех категорий по ГОСТ 15150-69, т.к. изделие ППНК входит в состав новейшей системы управления огнем танка Т-72 [1].

Электропитание изделия осуществляется от источника постоянного тока с номинальным напряжением ±7 В, 7 В и 3,3 В. Напряжение питания незначительно и имеет гальваническую развязку от источника первичного питания 27 В. Следовательно, специальные меры защиты от возможности поражения электрическим током во время работы не предусматриваются.

При эксплуатации модуля гироскопа, взаимодействие человека с изделием ППНК осуществляется только в процессе регистрации органами зрения человека и звуковых сообщений, выдаваемых СУО. Другие возможные взаимодействия человека с конструкцией сведены к минимуму, так как изделие не требует эксплуатационного обслуживания.

Модуль предназначен для функционирования в корпусе изделия с регулируемым микроклиматом. В связи с этим возникла необходимость в анализе опасных и вредных факторов, воздействующих на обслуживающий персонал и окружающую среду при эксплуатации.

Конструкция модуля обеспечивает экологическую безопасность и не оказывает вредного воздействия на окружающую среду.


6.1.1 Анализ вредных и опасных производственных факторов

При производстве любого изделия, в общем, и проектируемого изделия в частности возникает достаточно большой спектр опасных и вредных факторов, зависящий о технологии, организации, применяемых материалов и т.д. Однако при правильной организации производства и контроле за состоянием окружающей среды количество возникающих опасных и вредных факторов уменьшается. Весь технологический процесс должен быть построен в соответствии с ГОСТ 12.3.002-75 «Процессы производственные. Общие требования безопасности». Технологический процесс изготовления модуля гироскопа заключается в сборке (монтаже ЭРЭ на ПП).

При изготовлении устройства производственные рабочие подвергаются воздействию множества опасных и вредных факторов. Специфика зависит от конкретного вида выполняемых операций. Классификация опасных и вредных производственных факторов приведена в ГОСТ 12.0.003-74 «Опасные и вредные производственные факторы. Классификация» [43].

6.1.2 Сборочно-монтажные работы

При пайке возможен термический ожег расплавленным припоем, содержащим свинец, кроме того, возникает опасность повышенной концентрации паров свинца и флюса. При монтаже применяется электроинструмент и механические приспособления, поэтому возможны механические травмы и поражения электрическим током.

На производстве, для каждого рабочего места составляется карта условий труда по аттестации рабочего места, где отражены нормативные и реальные величины характерных вредных и опасных факторов.

В таблице 6.1 сведены фактические состояния условий труда по факторам производственной среды и трудового процесса.

Таблица 6.1 – Фактическое состояние условий труда по факторам производственной среды и трудового процесса

N

п/п

Наименование фактора производственной среды и трудового процесса,

ед. измерения

ПДК, ПДУ, допустимый уровень

Фактический уровень фактора производственной среды и трудового процесса

Примечание

1

Химический

Олово фторид (по фтору)

0,2

0

Соответствует

Свинец и его неорганические соединения (по свинцу), мг/м3

0,05

0

Соответствует

Этанол

1000

100

Соответствует

Бензин, мг/м3

100

20

Соответствует

Пропан-2-он (ацетон), мг/м3

200

33

Соответствует

(Хлорметил) оксиран+; Эпилхлоргидрин; 1-Хлор-2, 3-эпоксипропан, мг/м3

1

0,3

Соответствует

Комбинация веществ(Олово фторид (по фтору),  мг/м3; Свинец и его неорганические соединения (по свинцу), мг/м3; Этанол, мг/м3; Бензин, мг/м3; Пропан-2-он (ацетон), мг/м3; (Хлорметил) оксиран+; Эпилхлоргидрин; 1-Хлор-2, 3-эпоксипропан, мг/м3

1

1,2

Не соответствует

2

Шум

Эквивалентный уровень звука, дБА

80

40-45

Соответствует

Уровень звука, дБА (Производственный участок)

Соответствует

3

Микроклимат (холодный период)

Температура воздуха, гр.С

15-22

20-25

Не соответствует

Скорость движения воздуха, м/с

0-0,2

0,1

Соответствует

Влажность вождуха, %

15-75

45-55

Соответствует

4

Микроклимат (тёплый период)

Температура воздуха, гр.С

16-27

25-28

Соответствует

Скорость движения воздуха, м/с

0-0,5

0,2

Соответствует

Влажность вождуха, %

15-75

50

Соответствует

5

Световая среда

КЕО, %

0,5

0,5

Соответствует

Освещение рабочей поверхности (общая), лк

400

1500-1800

Соответствует

Коэффициент пульсации, %

15

10-12

Соответствует

Таким образом, из анализа опасных и вредных факторов установлено, что необходимо провести следующие мероприятия по охране труда:

– Оценить условия труда монтажника РЭА по степени тяжести и напряженности трудового процесса.

– Сборочный участок должен быть заземлён.

– Помещение должно быть оборудовано системой пожаротушения.

6.2 Мероприятия по обеспечению БЖД

6.2.1 Расчет защитного заземления

При эксплуатации электронного оборудования из всех средств коллективной защиты наибольшее распространение получили: защитное заземление, защитное зануление и защитное отключение [44].

Защитное заземление предназначено для защиты человека и электрооборудования от возможных пробоев питающего напряжения на корпус оборудования, а также для отвода этого напряжения от защищаемого объекта.

Защитное заземление заключается в соединении нетоковедущих металлических частей электроустановок с землей. Основным элементом защитного заземления является заземляющее устройство.

В связи с вышесказанным рассчитаем защитное заземление.

Исходные данные:

– вид электрода, стержень;

– длина вертикальных электродов, 3 м;

– диаметр электрода, 0,048м;

– расстояние между электродами, 3 м;

– расстояние от поверхности земли до верхнего конца вертикальных электродов, 0,8 м;

– ширина металлической шины, 0,03м;

– удельное сопротивление грунта, 60 Ом;

– соединение электродов по контуру.

В соответствии с ПУЭ сопротивление заземляющего устройства Rз должно быть не более 4 Ом.

Защитное заземление состоит из металлических труб (стержней, уголков и др.) вбитых в землю и соединённых между собой металлической шиной (полоса, уголок и т.п.) большого сечения. Соединительная шина соединяется с заземляемым оборудованием с помощью той же металлической полосы или медным проводом большого сечения.

Определим величину электрического сопротивления растекания тока.

.       (6.1)

.      (6.2)

Где, ρ0-удельное сопротивление грунта;

кв=2,4 ,кг=1,2 – коэффициенты сезонности для вертикального и горизонтального электродов соответственно [xx];

Подставив численные данные, получим:

(Омм);     

(Омм).     

Сопротивление вертикального заземлителя Rв, Ом,

.                            (6.3)

Где, t0–расстояние от поверхности земли до верхнего конца вертикальных электродов;

l – длина заземлителя;

d – диаметр заземлителя.

≈40 Ом.

Определим количество заземлителей.

Для определения количества заземлителей предварительно находим произведение коэффициента использования вертикальных электродов ηв на их количество n.

.      (6.4)

Подставив численные данные, получим:

По таблице 8.16 [хх] определяется количество вертикальных электродов n = 21шт, ηв = 0,46.

Определим длину соединительной полосы.

L = 1,05na                                                   .(6.5)

Где, a – расстояние между заземлителями.

Подставив численные данные, получим:

L = 1,0521 3=66,15 м.

Определим величину сопротивления растекания электрического тока по земле через соединительную полосу.

.      (6.6)

Где, b – ширина полосы;

t – расстояние от поверхности земли до соединительной полосы;

ρ – удельное сопротивление грунта.

Подставив численные данные, получим:

=1,9 Ом.

Определим величину результирующего сопротивления, искусственного группового заземлителя.

.      (6.7)

Где, ηг – коэффициент использования горизонтального полосового электрода.

Коэффициент ηг = 0,27 – определяется по таблице 8.17 [45].

=2,26 Ом.

В результате вычислений, сопротивление искусственного группового заземлителя равно 2,26 Ом, что меньше максимально допустимого сопротивления в 4 Ом, полученная конфигурация заземлителя соответствует правилам устройства электроустановок.

6.2.2 Оценка условия труда монтажника РЭА по степени тяжести и напряженности трудового процесса.

Согласно классификатору групп производственных процессов [46], монтажник РЭА относится к группе 3б, что включает в себя:

1). Производственные факторы, определяющие санитарную характеристику трудового процесса, такие как: Загрязнение тела и спецодежды. Свинцово-кадмиевый припой (1 класс опасности). Канифоль (3 класс опасности). Углерода оксид (4 класс опасности).

2). Другие вредные факторы производственного процесса, такие как: ЭМИ радиочастотного диапазона. Напряженность трудового процесса.

Для соблюдения требований охраны труда необходимо:

– При монтаже должны выполняться требования ГОСТ 12.1.004, ГОСТ 12.1.010, ГОСТ 12.2.007.0 и ГОСТ 12.4.021.

– Для предупреждения поражения электрическим током при монтаже необходимо надежно заземлять корпуса питающих трансформаторов, вентиляторов, вентиляционных систем и электроинструментов.

– Электропроводка должна иметь качественную изоляцию. При монтаже следует применять электропаяльники и розетки закрытого типа с рабочим напряжением не более 36 В. На розетках должно быть указано значение напряжения.

– Для предотвращения пожара при монтаже следует предусмотреть следующие меры: помещения для хранения и разлива легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) должны быть изолированными и оборудованными вентиляцией, для хранения и транспортирования ЛВЖ или обтирочных материалов, загрязненных ЛВЖ, должна применяться тара из небьющегося и необразующего искр материала, с плотно закрывающимися крышками, на которой нанесены надписи «Огнеопасно» и название жидкости, рабочие участки должны быть снабжены противопожарным инвентарем (асбестовые одеяла, песок, огнетушители и т.д.).

– Для соблюдения требований безопасности при монтаже необходимо выполнять правила защиты от статического электричества.

– Для предупреждения тепловых ожогов при монтаже необходимо производить предварительную сушку ИЭТ и инструмента перед погружением в расплавленный припой. Рабочее место необходимо оборудовать теплоизолирующими экранами и специальными подставками для электропаяльников.

– Для предупреждения травм от механических факторов необходимо использовать специальную тару для деталей и материалов, обеспечивающую безопасность при их транспортировании. Движущие части механизмов должны быть ограждены.

– Для предупреждения отравления в процессе монтажа при выполнении работ с применением припоев, содержащих свинец, лаков и клеев рабочие места должны быть оборудованы вытяжными установками, обеспечивающими удаление вредных паров до нормы, не превышающей предельно допустимой концентрации в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.005.

Следует также выполнить [47].

– Освещенность рабочих мест должна соответствовать [48].

– Требования безопасности, не установленные настоящим стандартом, должны соответствовать требованиям системы стандартов безопасности труда.

Тяжесть труда – характеризует трудовой процесс, отражая преимущественную нагрузку на опорно-двигательный аппарат и функциональные системы организма (сердечно-сосудистую, дыхательную и др.), обеспечивающие его деятельность.

Напряженность труда – характеризует трудовой процесс, отражающая нагрузку преимущественно на центральную нервную систему, органы чувств, эмоциональную сферу работника. Напряженность труда характеризует эмоциональную нагрузку на организм при умственном труде.

Тяжесть трудового процесса (труда) оценивают независимо от индивидуальных особенностей человека по следующим показателям: физическая динамическая нагрузка; масса поднимаемого и перемещаемого груза вручную; стереотипные рабочие движения; статическая нагрузка; рабочая поза; наклоны корпуса; перемещение в пространстве.

Краткое описание выполняемой работы: сборка РЭА (Подъем, перемещение деталей, массой до 1 кг на расстояние до 1м (деталь перемещается дважды).  Сменное задание 100 шт. Нахождение в позе сидя). Совершает перемещения по территории цеха до 1,5 км.

Показатели тяжести трудового процесса сведены в таблицу 6.2

Таблица 6.2 – показатели тяжести трудового процесса.

Показатель тяжести трудового процесса

Нормативное

значение

Фактическое

значение

Класс

условий

Опти-мальное

Допустимое

труда

1

2

3

4

5

  1.  Физическая динамическая нагрузка ( единицы внешней механической работы за смену, кгм)

1.1. При региональной нагрузке (с участием преимущественно мышц рук и плечевого пояса) при перемещении груза на расстояние до 1м

- для мужчин

до 2500

до 5000

до 400

1

- для женщин

до 1500

до 3000

1.2.При общей нагрузке (с участием мышц рук, корпуса, ног):

1.2.1. При перемещении груза на расстояние от 1 до 5 м

- для мужчин

до12500

до25000

отсутствует

1

- для женщин

до 7500

до 15000

1.2.2.При перемещении груза на расстояние более 5 м

- для мужчин

до24000

до46000

отсутствует

1

- для женщин

до14000

до 28000

2. Масса поднимаемого и перемещаемого груза вручную, кг

2.1.Подъём и перемещение (разовое) тяжестей при чередовании с другой работой (до 2р. в час)

- для мужчин

до 15

до 30

отсутствует

1

- для женщин

до 5

до 10

2.2. Подъём и перемещение тяжестей постоянно в теч. рабочей смены

- для мужчин

до 5

до 15

до 1

1

- для женщин

до 3

до 7

2.3. Суммарная масса грузов, перемещаемых  в течение каждого часа смены:  

2.3.1. С рабочей поверхности

- для мужчин

до 250

до 870

до 25

1

- для женщин

до 100

до 350

2.3.2. С пола

- для мужчин

до 100

до 435

отсутствует

1

- для женщин

до 50

до 175

3. Стереотипные рабочие движения (количество за смену)

3.1. При локальной нагрузке (с участием мышц кистей и пальцев рук)

до 20000

до 40000

3.2. При региональной нагрузке (при работе с преимущественным участием мышц рук и плечевого пояса)

до 10000

до 20000

до 3120

1

4. Статическая нагрузка

Величина статической нагрузки  за смену при удержании груза, приложении усилий, кгс

4.1. Одной рукой:

- для мужчин

до18000

до 36000

отсутствует

1

- для женщин

до11000

до 22000

4.2. Двумя руками:

- для мужчин

до 36000

до 70000

До1600

1

- для женщин

до 22000

до 42000

4.3. С участием мышц корпуса и ног:

- для мужчин

до 43000

до100000

отсутствует

1

- для женщин

до 26000

до 60000

5. Рабочая поза

5. Рабочая поза

Свободная удобная поза, нахождение стоя до 40%

Периодическое, до 25% времени смены, нахождение в неудобной позе, нахождение  стоя  до 60%

Нахождение в позе стоя до 60% времени смены