Волоконно-оптические системы передачи данных - Проектирование и выбор конструкции модуля

3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ МОДУЛЯ

В данном дипломном проекте разрабатывается микропроцессорный модуль, который является быстродействующим специализированным электронно-вычислительным средством, построенным по параллельной структуре для обеспечения функционирования системы в реальном масштабе времени. В нём согласно управляющей программе формируются сигналы управления работой системы контроля, осуществляется прием и обработка информации.
В данной части необходимо спроектировать и выбрать конструкцию модуля. При проектировании конструкции модуля мы должны учесть следующие требования ТЗ:
- напряжение питания должно быть 15В;
- должны использоваться самые распространенные электрорадиоэлементы;
- пайка проектируемого устройства должна быть очень надежной, так как проектируемый модуль относится к классу носимых приборов и будет испытывать динамические нагрузки;
- класс точности изготовления печатной платы не ниже 2.
Для защиты модуля от пыли и влаги, а также от механических воздействий, нам необходимо установить собранную печатную плату в специальный корпус, изготовленный из дюралюминия.
Так как проектируемое устройство является перепрограммируемым, то необходимо предусмотреть наличие устройства ввода информации.
Также необходимо предусмотреть наличие устройства индикации вывода обработанной информации (табло цифровых индикаторов).
Форма и габариты модуля передатчика, должны быть удобны пользователю в использовании.
При выборе схемы электрической принципиальной, мы решили остановиться на схемном решении представленном на рис.?? .так как данное схемотехническое решение удовлетворяет нашему ТЗ. А также данная схема имеет ряд преимуществ среди остальных схем. Ниже представлены следующие преимущества:
- возможность перепрограммирования;
- в схеме используются наиболее распространенных ЭРЭ;
- небольшая потребляемая мощность;
- затрата денежных средств на производство данного устройства, наиболее оптимальная по сравнению с остальными;

1. Расчет токоограничительных резисторов

Так как в рассматриваемой схеме применяются ИМС с различными типами логик (ТТЛ и КМОП), а следовательно с различными уровнями входных и выходных сигналов, для их согласования используются резисторы в качестве токоограничигелей.
Произведем расчет их номиналов. Для этого необходимо знать следующие параметры:
- напряжение питания системы Uпит.= 15В.;
- выходные напряжения предыдущего каскада (ИМС после которых устанавливаются резисторы):
- напряжение высокого уровня Uвыс.ур.=13 В.;
- напряжение низкого уровня Uниз.ур. =2В.
- входные напряжения последующего каскада (ИМС перед которыми устанавливаются резисторы):
- напряжение высокого уровня Uвыс.ур.=9 В.;
- напряжение низкого уровня Uниз.ур.=1,6 В.
- токи предыдущих и последующих каскадов:
- ток предыдущего каскада Iпр. =12мА;
- ток последующего каскада Iпосл. =12мА.
Рассчитаем падение напряжения на резисторах по формуле:
Uпад.=Uвыс.ур.пред.+Uвыс.ур.посред.

где Uвыс.ур.пред. - падение напряжения предыдущего каскада;
Uвыс.ур.посред. - падение напряжения последующего каскада.
Uпад.=13-9=5В
Зная падение напряжения на резисторах можно рассчитать значения сопротивления токоограничительных резисторов, следующим образом:

R=Uпад. / Iобщ.

где Uпад. - падение напряжения на резисторах;
Iобщ.- общий ток предыдущего и последующего каскадов (Iобщ.= Iпр.= Iпосл.)
R=4 / 12 =330 Ом
Величина сопротивления токоограничительных резисторов должна составлять 330 Ом.

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

• Анализ конструкции печатной платы

Печатная плата является конструктивной основой типового элемента замены. На ней крепятся все необходимые элементы и детали, соединяемые между собой печатными проводниками.
При конструировании печатной платы определяются ее конфигурация и габаритные размеры, осуществляются рациональное размещение элементов и трассировка соединений между ними, разрабатывается конструкторская документация. При этом следует руководствоваться ГОСТ 10.317-79 «Печатные платы. Основные размеры», ГОСТ 23751-86 «Печатные платы. Основные параметры конструкции». Чертежи на печатные платы должны выполняться по ГОСТ 2.417-78.
Печатные платы рекомендуется конструировать в следующей последовательности:
1) Выбор формы и расчет габаритных размеров печатной платы. Форма печатной платы выбирается, как правило, прямоугольной, кроме плат специальных ЭВМ. Размеры каждой стороны печатной платы должны быть кратными: 2.5 — при длине до 100 мм; 5.0 - при длине до 350мм; 10 - при длине более 350 мм. Максимальный размер любой из сторон должен быть не более 470 мм. Соотношение линейных размеров сторон печатной платы должно быть не более 3:1.
Поле печатной платы делят на два участка: основной, предназначенный для монтажа микросхем, и вспомогательный, располагающийся по краям платы и служащий для монтажа остальных конструктивных элементов и нанесения надписей и маркировки платы.
Основной участок делят на зоны, в каждой из которых находится посадочное место под одну микросхему. Координаты зон задаются числами и буквами, которые вытравливаются на плате вместе с рисунком печатного монтажа или наносятся краской. Горизонтальные и вертикальные размеры зон 1х и 1у выбираются согласно ОСТ4.Г0.010.009 в зависимости от типоразмера корпуса и числа задействованных выводов размещаемых микросхем.

• Определение габаритных размеров печатной платы

Для более подробного анализа выбора размера печатной платы воспользуемся методикой, приведенной в [16].
При конструировании модулей, содержащих однотипные электрорадиоэлементы, используют выражения:

Lx=tx(nx-1)+1x+AX1+AX2; (4.1)
LY=tY(nY-1)+1Y+BY1+BY2; (4.2)
n=nX´nY; (4.3)
tX=lX+dX; (4.4)
tX=lY+dY, (4.5)

где lY, lX - размер устанавливаемого на плату элемента, мм;
tY, tX - шаг установки элементов по осям X, Y соответственно, мм;
nY, nX - число элементов, установленных вдоль осей X, Y соответственно, шт;
n - общее число размещаемых элементов, шт;
AX1, AX2 - расстояние между крайними элементами и границей платы по оси X, мм;
BY1, BY2 - расстояние между крайними элементами и границей платы по оси Y, мм.
Разбив элементную базу блока приемника на группы из однотипных элементов, определим габариты печатной платы. С учетом технологических зон, тепловой совместимости размещаемых на плате элементов, шага установки элементов. В таблице 4.1 представлен расчет размера печатной платы.

Таблица 4.1 - Расчет размера печатной платы

На основании полученных расчетов определим площадь, занимаемую каждой группой элементов:
S=277´88,5+330´63+17´5+23´6,5+6,5´5+9,5´4=35609,5»35610мм2.
С учетом размера краевого поля и обеспечения теплового режима, выбираем размер платы 210´185 мм. Полученные размеры платы не расходятся с размерами, рекомендованными к применению ГОСТ 10.317-79.

• Выбор материала и способа изготовления печатной платы

Исходными данными для разработки конструкции модуля с печатным монтажом является [17]:
- схема электрическая принципиальная;
- перечень ЭРЭ;
- конструкция корпуса;
- условия эксплуатации;

• геометрические размеры печатной платы.

Для изготовления печатной платы необходимо выбрать материал, обладающий следующими свойствами:
- высокими электроизоляционными свойствами в данных условиях эксплуатации;
- высокой электрической прочностью;
- высоким сопротивлением изоляции;
- малыми диэлектрическими потерями;
- химической стойкостью к воздействию растворов используемых при изготовлении печатных плат;
- выдерживать кратковременное воздействие температуры до 240°С (в процессе пайки);
- допускать механическую обработку;
- температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), должен быть близким к ТКЛР фольги (во избежание обрыва узких линий рисунка при температурных перепадах).
Всем этим требованиям в наибольшей степени отвечает стеклотекстолит СФ2-35-1.5 ГОСТ 10316-78, который и выбирается для изготовления печатной платы.
В настоящее время для изготовления печатных плат широко применяют следующие методы (рисунок 4.1) [17]:

Рисунок 4.1- Классификация методов изготовления ПП.
Для изготовления печатной платы блока приемника используем комбинированный позитивный метод. Сущность метода заключается в следующем: производится химическое осаждение меди в отверстиях и защита проводящего рисунка металлом; избирательное травление незащищенных участков фольги. Достоинством данного метода является то, что диэлектрик, защищаемый, в процессе изготовления печатной платы не подвергается действию химикатов.

• Определение конструктивных элементов печатной платы

В соответствии с ГОСТ 10.317-79 основной шаг координатной сетки должен быть равен 2,50 мм. Учитывая схемотехнику и элементную базу блока приемника целесообразно шаг сетки уменьшить до 1,25 мм. Началом координатной сетки считаем левый нижний угол платы с осями, параллельными ее сторонам.
Шаг координатной сетки равен [13]:

Ш=t+d, (4.6)

где t - ширина печатного проводника, мм;
d - расстояние между проводниками, мм.
Ширину печатных проводников и минимальное расстояние между ними определяют с учетом [13]:
- максимальной величины проходящего через проводник тока;
- поверхностного сопротивления;
- пробивного напряжения;
- механических нагрузок, при которых проводники могут отслаиваться от изоляционного основания.
Таким образом, учитывая значение рабочего напряжения и токовую нагрузку, конструкцию выводов электрорадиоэлементов, приняв ширину печатного проводника t=0,45 мм (что соответствует классу точности 2), расстояние между печатными проводниками по ГОСТ 23751-79 будет равно d=0,45 мм [13].
Минимальный диаметр контактной площадки вокруг монтажного отверстия равен [13]:

D=(d+DdB,O)+2bH+DtH,O+2DdTP+(dd2+dp2+dt2HO)0,5, (4.7)

где DdB,O - верхнее предельное отклонение диаметра отверстия, мм;
DtB,O, DtH,O - верхнее и нижнее предельные отклонения ширины проводника соответственно, мм;
DdTP - допуск на подтравливание диэлектрика, мм;
bH - ширина гарантийного пояска на наружном слое, мм;
dd - допуск на расположение отверстий, мм;
dp - допуск на расположение контактных площадок, мм;
В таблице 4.2 приведены диаметры отверстий в печатной плате.

Таблица 4.2 - Диаметры отверстий в печатной плате.

На основании данных таблицы (12.6) [15], произведем расчет минимального диаметра контактной площадки вокруг монтажного отверстия.
При d=0,8 мм:
D1=(0,8+0,1)+2´0,2+0,15+(0,152+0,252+0,102)0,5=1,75 мм.
При d=1,0 мм:
D2=(1,0+0,1)+2´0,2+0,15 +(0,152+0,252+0,102)0,5=1,95 мм.
При (1=1,5 мм:
D3=(1,5+0,15)+2´0,2+0,15 +(0,152+0,252+0,102)0,5=2,50 мм.
Элементы, размещаемые на плате и имеющие штыревые выводы, крепятся за счет пропускания выводов в монтажные отверстия с последующей пайкой.
Трассировка соединений выполнена с использованием системы РСАD 2000. Для разработки чертежа платы использована конвертация в систему AUTOCAD.

• Разработка технических требований на печатную плату как деталь

На основе выше изложенных требований и расчетов представим следующие требования к печатной плате.
- плату изготовить комбинированным позитивным методом;
- плата должна соответствовать требованиям ГОСТ 23752-79, группа жесткости 3 и ГОСТ 23751-86 класс точности 2;
- шаг координатной сетки -1,25 мм;
- * размер для справок;
- форма контактной площадки произвольная. Гарантийный поясок не менее 0,30 мм. Ширина печатных проводников не менее 0,45 мм;
- расстояние между печатными проводниками 0,45 мм;
- Н12, h12, ±IТ12/2;
- все монтажные и переходные отверстия имеют с двух сторон контактные площадки. Металлизированные отверстия и контактные площадки условно изображены одной окружностью;
- допускается замена материала основания печатной платы на СФ2-50Г-1,5 ГОСТ 10316-78;
- маркировать: краска МКЭ4 красная ГОСТ 9188-76, шрифт 2,5 по НО.010.007;
- остальные технические требования по ОСТ 4.070.014.