Основы проектирования и конструирования РЭС

Аннотация

Курсовой проект по дисциплине «Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС» предусматривает для студентов возможность самостоятельного проектирования радиоэлектронных устройств и оформления конструкторской документации с использованием современной компьютерной техники.

Пояснительная записка к курсовому проекту включает в себя:

-обоснование выбора проектируемого  устройства;

-моделирование устройства  в приложении Multisim;

-создание библиотеки  компонентов схемы и проектирование  печатной платы в пакете программ  P-CAD;

К пояснительной записке прилагается электронный носитель, содержащий файлы проекта:

-Библиотека;

-Схема электрическая принципиальная;

-Печатная плата;

-Сборочный чертеж;

-Перечень элементов;

-Спецификация;

-Схема проектирования  устройства в  Multisim.

При проектировании устройства, технической документации на него, а также при моделировании устройства использовались следующие приложения:

-пакет программ Microsoft Office;

-САПР P-CAD 2006.

-автотрассировщик Situs;

-Paint;

-Приложение Multisim 11.0.

Содержание

1. Аннотация………………………………………………..….………...2
2. Введение……………………………………………………………....3
3. Анализ схемы детектора……………………………………….…….4
4. Моделирование схемы детектора………………………………....…6
5. Создание посадочных мест компонентов библиотеки…………....8
6. Создание символа элемента…………………………………………13
7. Создание компонента в Library Executive…..……………………...14
8. Создание принципиальной электрической схемы………………..18
9. Трассировка платы…………………………………………………..19
10. Заключение…………………………………………..……………..22
11. Список литературы…………………...………………………..…..23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

При разработке любых радиоэлектронных устройств, проектировщик обязан соблюдать единые стандарты на техническую документацию, технологическую обработку устройства, а также уметь грамотно составлять план действий и излагать свои мысли на техническом языке. Во всем этом любому специалисту может пригодится опыт работы над крупным проектом.

В случае курсового проекта  специалисты  кафедры  Радиоэлектроники ТулГУ научатся работать с основными программами разработчиков радиоэлектронных систем, приобретут навыки оформления конструкторской документации, а также получат опыт разработки системы с нуля.

В данной пояснительной записке проведена поэтапная разработки детектора сигнала сотового телефона. Это устройство является полезным приспособлением, особенно в наше время – эпоху сотовой связи.

Сферы применения детектора самые разнообразные – от использования его в качестве индикатора в охранной системе дома или дачи до простой радиоэлектронной игрушки. Принцип работы устройства, а также расчет параметров печатной платы будут приведены в тексте пояснительной записки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Анализ схемы детектора

Принципиальная электрическая схема детектора представлена на рисунке №1:

Рис. №1 – схема детектора сигнала сотового телефона.

Интегральная микросхема К561ЛА7 представляет собой четыре логических устройства 2И-НЕ. Диапазон температур, при которых микросхема способна нормально функционировать, составляет -10...+70 °С. Входные токи при Un = + 5 В 1 = 3 мА и при Un = + 10 В I = 7 мА. Резисторы МЛТ (ОМЛТ) с металло-электрическим проводящем слоем предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока в качестве элементов навесного монтажа. Относительная влажность воздуха до 98 %. Пониженное атмосферное давление до 133 Па. Диод VD2 КД522Б кремниевый эпитаксиально-планарный. Выпускается в стеклянном корпусе с гибкими выводами. Постоянное прямое напряжение 1,1 В. Постоянный обратный ток 5 мкА. Температура окружающей среды от -55 до +85 °С. Диод VD1 КД514А кремниевый сплавной. Выпускается в стеклянном корпусе с гибкими выводами. Постоянное обратное напряжение 30 В. Постоянный прямой ток 20 мА. Температура окружающей среды от -40 до +70 °С. Конденсаторы С4-С6 типа К10-17 низковольтные, керамические, монолитные, для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного

тока. Они конструктивно выполнены изолированными, отличаются относительно большой реактивной мощностью, низкими потерями, высоким сопротивлением изоляции, стабильностью температурного коэффициента емкости (ТКЕ). Поэтому емкость таких конденсаторов мало зависит от окружающей температуры. Конденсатор С7 типа К50-ЗА - алюминиевый оксидно-электролитический, предназначен для работы в цепях постоянного и пульсирующего тока. Выпускается в цилиндрических металлических корпусах с разнонаправленными проволочными выводами. Номинальное напряжение 16 В. Светоизлучающий диод HL1 типа АЛ307БМ - арсенид-га-лий-аллюминиевый в пластмассовом корпусе красного цвета свечения. Предназначен для визуальной индикации. Постоянное прямое напряжение 2 В. Цвет свечения красный. Температура окружающей среды от -60 до +70 °С. Транзисторы VT1-VT2 типа КТ3102Е - кремниевые эпитаксиально-планарные n-p-n усилительные, высокочастотные транзисторы, маломощные с нормированным коэффициентом шума. Они предназначены для применения в усилительных и генераторных схемах высокой частоты. Прямое напряжение 15 В. Обратный ток 10 мкА. Конденсаторы С1-СЗ типа КМ-4 предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока.

При проектировании некоторые элементы заменяем их аналогами, например, используем только иностранные транзисторы BC549C и BC556. Пьезоэлектрический капсюль заменяем вторым светодиодом для упрощения конструкции и сохранения малых габаритов схемы.

 

 

 

 

 

 

 

Моделирование схемы детектора в приложении Multisim

Анализируя данный рисунок можно заметить, что схемотехнически устройство реализовано на двух вентильных микросхемах. В описании устройства оговаривалось, что при создании реальной схемы следует использовать микросхемы К561ЛА7, представляющие из себя четыре вентиля 2И-НЕ.

На российские микросхемы и другие компоненты порой бывает затруднительно найти техническую документацию. В таком случае поступают следующим образом: находят в таблицах зарубежный аналог устройства и ищут техническую документацию на него. В интернете имеются практически любые документы на любые иностранные компоненты. Справочник помог определить, что для советской микросхемы К561ЛА7 аналогом является CD4011A, изготавливающаяся с теми же техническими характеристиками и в таком же корпусе DIP14. Соответственно, при моделировании схемы нашли ее в библиотеке Multisim. Как и положено, эта микросхема была разделена на четыре вентиля. Нумерация каждого из них при добавлении на рабочее поле производилась автоматически. Для транзисторов и диодов были подобраны соответствующие аналоги. В результате получили следующий вид собранной схемы:

Рис. №2 – схема в Multisim.

Принцип работы устройства заключается в том, что при наличии мобильного телефона в радиусе действия устройства светодиод №1 начинает мигать. Ключ «А» на схеме необходим для того, чтобы симулировать наличие и отсутствие телефона в радиусе видимости.

Рис. №3 – детектирование мобильного телефона (горит лампа).

Второй режим работы – режим ожидания. В этом случае телефон может отсутствовать в поле видимости прибора. Однако, если сигнал был получен – он сохранится в памяти схемы. Узел памяти обеспечивается за счет микросхемы DD2. В любой момент времени мы можем узнать, был ли детектирован сигнал до того, как мы оказались около схемы. Для этого необходимо нажать кнопку на плате (ключ «В» на схеме). При детектировании светодиод №2 загорится. При повторном нажатии кнопки светодиод уже не загорится.

Рис. №4 – считывание детектирования из памяти устройства.

 

 

Создание посадочных мест компонентов библиотеки

Работу над созданием платы я начал именно с создания посадочных мест под компоненты. Принципиальная электрическая схема детектора приведена ниже:

Рис. №5 – детектор излучения сотового телефона.

В схеме содержатся компоненты различных конфигураций: резисторы, транзисторы, конденсаторы электролитические и керамические, микросхемы, разъемы и т.д. Для всех этих компонентов существуют свои стандарты изготовления и типоразмеры, у каждого компонента индивидуальное количество выводов. Поэтому каждый из элементов схемы подвергся индивидуальной обработке. Ниже описано создание посадочного места для обычного МЛТ резистора с рассеиваемой мощностью 125 мВт, остальные посадочные места создаются аналогично.

Посадочное место создается в приложении Pattern Editor. Сначала необходимо произвести конфигурацию программы – настроить рабочее поле (задать шаг сетки и систему измерений). После настройки приступаем к работе – рисуем контур элемента в слое Top Silk. К контуру компонента добавляем две контактных площадки. Параметры площадок рассчитываем следующим образом: для МЛТ-0.125 резистора диаметр выводов 0.6 мм. Разрабатываемая плата третьего класса точности, соответственно, необходимо сделать диаметр сверловки в плате

 

Для прочих компонентов размер отверстий сверловки также зависит от диаметра вывода:

 

 

 

 

 

 

Для микросхем создавалось отдельное посадочное место, взятое из стандартной библиотеки. Стиль контактных площадок претерпел изменения – после редакции их размер составил 3*1.5*0.8 мм (закругленный прямоугольник).

Остальные диаметры сверловки не отличаются от приведенных выше, так как диаметры контактов равны 0.8 мм.

На плате внешний диаметр контактных площадок для всех компонентов (кроме микросхемы, ключа и разъема питания) составляет 2 мм. Этот размер удовлетворяет минимальным технологическим требованиям технологии изготовления и требованиям к контактным площадкам для протекания подобных токов (под любые диаметры выводов). Для ключа контактные площадки выполнены в виде прямоугольника со сторонами 3*1.5 мм. Разъем питания – CWF-2 – закрытое гнездо на печатную плату. Расстояние между выводами 2.5 мм, что очень удобно для нашей схемы.

Минимальную ширину дорожек определяли по формуле

 

Однако, с учетом того, что в схеме детектора текут очень малые токи, создадим печатные проводники с шириной 0.3 мм, в некоторых местах (где позволяет разводка) увеличим толщину дорожек до 1 мм.

 

Для самого длинного проводника посчитаем сопротивление:

 

Удельное сопротивление выбрано для изготовления печатных плат методом химического травления.

Материал платы – двусторонний фольгированный текстолит толщиной 1.5 мм. Марка текстолита – СФ-2-35-1.5.

Теперь рассчитаем площадь печатной платы: каждый из элементов занимает свою площадь, также учитывается площадь, занимаемая контактными площадками.

Составим таблицу для всех элементов:

Таблица №1

Тип компонента	Площадь под компонентом, мм2	Количество компонентов	Общая площадь
Конденсаторы электролитические	78.53	1	78.53
Конденсаторы керамические	10	6	60
Интегральные микросхемы	140.2	2	280.4
Светодиодные индикаторы	28.27	2	56.54
Резисторы	13.8	13	179.4
Переключатели кнопочные	72	1	72
Транзисторы	18.75	4	75
Разъемы	28.5	1	28.5
Антенны	9.61	1	9.61
Общая площадь изделий			839.98

Число контактных площадок 131, в среднем их диаметр 2 мм. Отсюда можем сделать грубый расчет площади, занимаемой под контактные площадки:

 

Так как размер платы составляет 60 на 40 мм, то мы можем посчитать ее площадь, а потом рассчитать коэффициент заполнения:

 

Это довольно хороший показатель, поэтому продолжим создание библиотеки компонентов.

Пример создания посадочного места для компонентов рассмотрим на примере резистора.

Для контактной площадки под резистор создаем особый стиль контактной площадки Round_style. Он включает в себя круглую контактную площадку с внутренним диаметром 0.8 мм и внешним 2.0 мм.

Располагаем две контактные площадки на стандартном расстоянии друг от друга. Далее на слой TopSilk добавляем параметры компонента RefDes и Value. Задаем точку привязки символа в центре первого контакта.