Линии задержки

Введение

 

            При решении многих задач техники связи и родственных ей областей возникает необходимость в построении электрической цепи, которая запоминала бы аналоговый сигнал, а затем повторяла бы его на выходе цепи через заданное время. Такие цепи называют линиями задержки. Линия задержки — устройство, предназначенное для задержки электромагнитных сигналов на определённый промежуток времени.

           Линии задержки  широко применяются в разных областях радиоэлектронных технологий — в радиолокации и радионавигации, измерительной технике, вычислительной технике и автоматике, электроакустике (ревербераторы), технике связи, в научных исследованиях. Существуют линии задержки для задержки электрических сигналов (НЧ, ВЧ, СВЧ) и для задержки оптических (световых сигналов). Линии задержки подразделяются также на широкополосные (как правило, с нижней частотой 0 Гц) и узкополосные (для задержки сверхвысокочастотного или оптического сигнала). СВЧ и оптические линии бывают дисперсионными (волновая скорость зависит от частоты) и бездисперсионными.

         Актуальность применения линии задержки связано с широким внедрением в современную радиоэлектронную аппаратуру дискретных и цифровых фильтров, где требуется  задержка электрических сигналов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Электрический  расчет 

 

 Исходные данные:

 время  задержки t_з=0.5 мкс;

длительность  фронта  τ_ф=0.05 мкс;

 волновое  сопротивление  ρ=50 Ом;

температурный коэффициент  не хуже α_tз=10^-3К^-1;

Тип производства – серийное;

Габаритные  размеры не более 25х25 х20,  мм.

 

          1.1 Определяем необходимое число звеньев n по формуле:

 

                                                                                                           (1)

 

                    где  t_з -  время задержки, мкс;

       t_ф - значение длительности фронта, мкс.

Подставив исходные данные в формулу (1) получим:

= 38

 

1.2  Находим расчетное значение индуктивности катушки , Гн согласно выражению:

 

                                                              

                                                                  (2)

 

                   где   t_з -  время задержки, с;

                   - эквивалентное волновое сопротивление, Ом.

Подставив исходные данные в формулу (2) получим:

                                                               или 0,66 мкГн                                          

3. Находим расчетное значение емкости конденсатора , Ф согласно выражению:

 

                                                       

                                                    (3)

 

где   t_з -  время задержки, с;

                   - эквивалентное волновое сопротивление, Ом.

Подставив исходные данные в формулу (3) получим:

 

 или 260 пФ

 

    1.4 Определяем сумму допусков на значение расчетной индуктивностей катушки , % и расчетной емкости конденсаторов , % по формуле:

                                                                                                          (4)

 

где  - допуск на время задержки согласно техническому заданию, %.

Подставив исходные данные в формулу (4) получим:

   

           1.5 Определяем сумму температурных коэффициентов индуктивности катушки , , % и емкости конденсатора ,   по формуле

 

                                       

                                                       (5)

 

где  - температурный коэффициент времени задержки, .

Подставив исходные данные в формулу (5) получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         

           2   Выбор и основание эскизного проекта конструирования

 

         Электрическая  линия задержки представляет некую электрическую схему, реализация которой в конструкцию осуществляется теми же методами, что и реализация других электрических схем, а именно компоновка этой электрической схемы и её трассировка. Компоновка может быть выполнена с помощью объемного монтажа.

         В современных электронных устройствах различного назначения широко используются компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа( SMD - Surface Mount Device). Причем не только  в малогабаритных  изделиях, где их применение практикуется суровой необходимостью, но и в таких устройствах, где место экономить не требуется. Поверхностный монтаж - это закрепление и монтаж электронных компонентов специальной конструкции непосредственно на поверхность монтажной платы. Главная особенность конструкции таких компонентов - отсутствие штырьковых и длинных планарных выводов. На замену им для присоединения к плате используются металлизированные торцы корпусов компонентов, матрица шариковых выводов на нижней поверхности корпуса компонента или настолько миниатюрные планарные выводы, что они лишь в незначительной мере увеличивают площадь платы.

Технику монтажа электронных компонентов  на плоскую поверхность монтажной платы называют четвертой революцией в электронике после открытия электронной лампы, транзистора и интегральной микросхемы. Современная аппаратура отличается большой интеграцией и технологичностью, малым весом и высокой надежностью. Эти достижения в значительной степени обусловлены успехами в области технологии поверхностного монтажа.

     К основным преимуществам данной технологии относятся:

    - повышение плотности монтажа электронных компонентов на плате в 4-6 раз;

- уменьшение габаритов на 60% и  снижение веса в 3-5 раз;

- возможность монтажа электронных  компонентов  с двух сторон платы;

- повышение быстродействия и  улучшение электрических характеристик, связанных с длиной выводов электронных компонентов;

- упрощение автоматизации монтажа электронных компонентов  на плате, увеличение производительности процесса в десятки раз;

- снижение стоимости монтажа  печатных узлов вследствие уменьшения  трудоемкости и использования  меньшего числа простых плат  с меньшими размерами и числом слоев;               - повышение виброустойчивости и вибропрочности печатных узлов в 2 раза;

- повышенная способность отвода  тепла от кристаллов интегральных  схем, что очень важно для безотказной  работы аппаратуры;

- оборудование  для технологий поверхностного  монтажа проще, надежнее, обладает  несравненно большей производительностью  и требует в два раза меньше  производственных площадей по  сравнению с оборудованием для  монтажа в отверстия.       

Главным достоинством технологии поверхностного монтажа электронных компонентов является обеспечение миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры при одновременном росте ее функциональной сложности. Это достоинство отвечает современным требованиям рынка электронных изделий, в том числе и вычислительной техники. Именно поэтому технология поверхностного монтажа будет внедряться в производство новых изделий.

          Недостатки:

 - ниже ремонтопригодность устройства;

-высокие  начальные затраты( связанные  с установкой и настройкой  автоматов, а также с более сложным созданием опытных образцов).

На  печатной плате можем выполнить  монтирование элементов в отверстия  и на поверхность. При серийном производстве элементы монтируются на поверхность, потому что в этом случае весь процесс  идет автоматизировано, что в свою очередь снижает стоимость и  затраты труда.

При компоновке элементов особое внимание  необходимо уделить катушке. Катушки индуктивности массового производства по номенклатуре и объему представлены на рынке существенно в меньшей степени, чем конденсаторы. Поэтому необходимо сначала выбрать  тип  катушки с учетом номинального значения L, допуска на номинальное значение и температурного коэффициента индуктивности , а затем, при прочих равных условиях, выбрать конденсаторы с минимальными размерами и стоимостью с учетом их доступности и других технико-экономических показателей.

 Анализ литературных источников показывает, что номинальные значения SMD катушек индуктивности различных производителей в основном принадлежат ряду Е12, который состоит из следующих значащих чисел: 1,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2,2;.2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; 8,2 и могут иметь допуск на номинальное значение в основном  ± 10 %, реже   ± 5 % и очень редко встречаются катушки с допуском  ± 2 %.

            Расчетное значение индуктивности катушки как правило не совпадает с каким –либо номинальным значением L_н.  В случае незначительной разницы между расчетным и ближайшим номинальным значениями можно использовать катушку с этим номинальным значением как искомую. В нашем случае расчетное значение  индуктивности равняется 0,66 мкГн. Ближайшее номинальное значение индуктивности 0,68 мкГн. Рассчитаем допуск на индуктивность для номинального значения, если допуск на индуктивность для расчетного значения возьмем равный 8%. В этом случае получим интервал попадания в область значений индуктивности 0,66±0,053. Из максимального значения вычтем номинальное, получим 0,713-0,68=0,033. Полученный результат разделим на номинальное значение индуктивности,   и в результате  будем иметь допуск на индуктивность равный 0,05=5%.

            Параллельно ячейки индуктивности ставим емкость. Расчетное значение емкости конденсаторов как правило не совпадает с каким либо номинальным значением С_н.  SMD конденсаторы  по номенклатуре и объему достаточно широко представлены на рынке товаров. В случае незначительной разницы между расчетным и ближайшим номинальным значениями можно использовать конденсатор с этим номинальным значением как искомый. В нашем случае расчетное значение емкости равняется 260 пФ. Ближайшее номинальное значение 261пФ.  Допуск  на емкость будет равняться 2%.

Для обеспечения  электрического контакта нашего изделия  с остальной схемой должны быть предусмотрены  контактные устройства. Выбираем четыре контактных устройств, которые устанавливаются по углам платы.

Предлагается  эксплуатация нашего изделия в герметизированном  корпусе, поэтому не целесообразно  корпусировать проектируемое изделие, а достаточно всего лишь применить  недорогое полимерное покрытие в  виде лаков, и для лучшего эффекта  покрыть в 2-3 слоя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       

 

 

 

 

         3  Конструктивный расчет

 

        В проектируемой линии задержки число звеньев  n=38. Индуктивность одного звена составляет 0,68 мкГн.  Параллельно индуктивностям ставим емкость 261 пФ. Таким образом,  проектируемая линия задержки  представляет собой 38 последовательно соединенных звеньев. В техническом задании размеры печатной платы  не более 25х25х20, мм. Рассчитаем площадь занимаемую элементами  L и C. В качестве индуктивности используем элементы фирмы Viking -  NL05JTR68, размерами 2,4 x 1,71м x 1,45мм, с точностью 5%. В качестве емкости используем изделия фирмы Vishay  - VJ-W1BC X7R, размерами  1,6×0,8×0.9 , с точностью 2 % .

Площадь индуктивности  будет равна:

S_L=2.4×1.71= 4 мм²,

Площадь емкости  в одном звене будет равна:

S_c=0.8×1.6= 1.28 мм²

Занимаемая  площадь одного звена печатной платы  будет равна:

S_св=4+1.28= 5.28 мм²

Общая площадь элементов линии  задержки будет равна:

S_общ=5.28 ×38=200 мм²

Размеры выводов 5×0.2 мм². Всего выводов 4, значит площадь выводов будет равна:

S_вывод=5×2×4=40 мм²

Площадь с выводами будет равна:

S= S_общ +S_вывод=200+4=240 мм²

Общая площадь  элементов линии задержки  с  учетом коэффициента заполнения будет  равна

S= 240×2=480 мм²

Таким образом, рассчитанная площадь удовлетворяет  данному  техническому заданию,  и  выбранная элементная база позволяет  уменьшить размеры печатной платы.

 

 

            

               4 Выбор и обоснование материалов

 

          Электронная линия задержки предназначена для работы при определенных электрических, температурных, механических условиях, материалы должны соответствовать этим условиям.

         Для изготовления печатной платы используется стеклотекстолит, толщиной 1. 5 мм, облицованный с одной стороны медной оксидированной фольгой ГОСТ 10316-78. Основным критерием выбора данного материала послужило то, что он обладает хорошей стабильностью электрических свойств при высокой влажности, высокой механической прочностью. А так же стеклотекстолит широко используется для изготовления печатных плат с поверхностным монтажом компонентов.

          В качестве материала для контакта выбираем латунную проволоку Л63 ГОСТ 12920-67, так как она обладает достаточной прочностью и отлично обрабатывается давлением, применяется для изготовления деталей холодной листовой штамповкой и глубокой вытяжкой. Латунь Л63 используется для изготовления крепежных деталей. Покрываем латунную проволоку материалом О-Ви  ГОСТ 9.073-77, именно это покрытие обеспечивает наилучшую коррозионную стойкость.

         Для защиты поверхности изделия от воздействия внешней среды применяем лак МЛ-92 ГОСТ 15865-70. Для наилучшей защиты изделие покрыть в 2-3 слоя.

         Пайка производится припоем ПОС- 61ГОСТ 21931-76.

 

 

 

 

 

 

          

         5  Методика контроля основных электрических параметров

 

             Контроль  основных электрических параметров производится на двух этапах: на этапе проектирования  и на  этапе производства. На первом этапе проектирования производится контроль измерения времени задержки t_з и длительность фронта  τ_ф. Время задержки должно быть равным 0.5 мкс с допуском  ±10%.