Курсовая работа: Проектирование электронной аппаратуры

Содержание

• Введение
• 1. Описание проектируемого устройства
• 2. Электрическая принципиальная схема
• 3. Выбор габаритных размеров печатной платы
• 4. Проектирование печатной платы в программе KiCad
• 4.1 Размещение радиокомпонентов на печатной плате
• 4.2 Трассировка печатной платы
• Заключения
• Список используемых источников
• Приложение
• Введение
• В настоящее время при проектировании электронной аппаратуры важную роль приобретает использование систем автоматизированного проектирования на базе новых информационных технологий. На сегодняшний день основными проблемами при проектировании печатных плат являются их повышенная сложность и резкое сокращение сроков проектирования при постоянно возрастающем требовании к их качеству. Это приводит к необходимости использования различных систем автоматизированного проектирования. Важным этапом проектирования любого электронного изделия является превращение схемы в печатную плату, данный процесс называют трассировкой печатной платы или иногда разводкой печатной платы. В процессе разводки печатной платы у разработчика имеется ряд программ помощников, которые существенно облегчают, как сам процесс трассировки, так и внесение исправлений в уже существующие проекты. Одним из таких помощников является программный продукт Kicad. KiCad - это кроссплатформенный комплекс программ с открытым исходным кодом, предназначенный для разработки электрических принципиальных схем и автоматизированной разводки печатных плат. В настоящее время KiCad можно считать достаточно зрелым комплексом программ, чтобы использовать для успешной разработки и сопровождения сложных печатных плат. KiCad не накладывает ограничений на размер платы, с его помощью можно разрабатывать платы, содержащие до 32 медных слоёв (слоёв металлизации), до 14 технических слоёв и до 4 вспомогательных слоёв. В сквозном цикле проектирования KiCad позволяет создать все файлы, необходимые для производства печатных плат: Gerber-файлы для фотоплоттеров, файлы для сверления отверстий в платах, установки на них компонентов и другие.
• 1. Описание проектируемого устройства

Усилитель - это устройство, предназначенное для увеличения мощности входного сигнала за счёт потребления энергии от внешнего источника питания. Термин усилитель в своём первичном значении относится к преобразованию одной из характеристик исходного входного сигнала , при этом вид сигнала остаётся неизменным.

Электронный усилитель - усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках.

Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок в составе какой-либо аппаратуры - радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т. д. Электронный усилитель можно рассматривать как четырёхполюсник, который имеет пару входных зажимов, к которым подключается источник входного сигнала , и пару выходных зажимов для подключения нагрузки как это изображено на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Пример электрического усилителя

Обязательным узлом усилителя является источник питания ИП С информационной точки зрения усилитель с помощью активных элементов преобразует входной сигнал в выходной: форма выходного сигнала обычно не должна сильно отличаться от формы входного сигнала.

Усилители относятся к аналоговым устройствам. С энергетической точки зрения усилитель преобразует мощность, потребляемую от источника питания, в мощность выходного сигнала, а источник входного сигнала управляет процессом преобразования.

Электронные усилители обычно состоят из двух или трех каскадов, соединяемых так, что выход одного каскада соединяется со входом следующего каскада.

Каскад - это элементарная ячейка усилителя, обладающая усилительными свойствами, дальнейшее расчленение которой на более простые части приводит к потере усилительных свойств этими частями. Таким образом, усилительные каскады являются наиболее простыми усилителями.

В состав усилителя входят элементы изображенные на рисунке 1.2:

- оконечный усилительный каскад (ОК), предназначенный для усиления мощности сигнала и выделения ее в нагрузке (Н);

- предоконечный каскад (ПОК),предназначенный для управления транзисторами оконечного каскада;

- каскады предварительного усиления (ПрК), служащие для увеличения уровня сигналов, получаемых от источника сигнала (ИС), до величины, необходимой для управления транзисторами предоконечного каскада;

- выходное устройство (ВыхУ), служащее для согласования сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением оконечного каскада, симметрирования выходной цепи, а также для изоляции цепи нагрузки от постоянных напряжений и токов, действующих в цепях усилителя;

- входное устройство (ВхУ), служащее для согласования внутреннего сопротивления источника сигналов с входным сопротивлением первого каскада усилителя, симметрирования входной цепи усилителя, а также для изоляции цепи источника сигналов от постоянных напряжений и токов, действующих во входных цепях усилителя;

- цепь общей отрицательной обратной связи (ООС), служащей для снижения искажений и шумов, стабилизации усиления, а также для стабилизации исходных режимов транзисторов;

- устройство безинерционной защиты (УБЗ) - для защиты транзисторов оконечного каскада усилителя от перегрузки;

- источник питания и фильтры (ФП) в цепях питания каскадов предварительного усиления.

Рисунок 1.2 - Структурная схема электрического усилителя

В данном курсовом проекте рассматривается усилитель звуковых частот.

Основные достоинства этого усилителя: простота сборки, ненадобность настройки, доступность и низкая стоимость элементов, из которых он состоит.

Из электрических параметров хочется отметить очень высокую линейность в рабочем диапазоне частот (20Гц-20кГц).

Недостатком является несколько повышенный уровень шума, однако этот недостаток можно немного компенсировать путем установки на вход переменного резистора, сопротивлением 47 кОм.

В этом случае, при малой громкости шума практически не будет, а при большой он будет маскироваться полезным сигналом.

2. Электрическая принципиальная схема

Принципиальная схема усилителя мощности используемого в курсовом проекте изображена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Принципиальная электрическая схема усилителя мощности

3. Выбор габаритных размеров печатной платы

Для выбора габаритных размеров необходимо рассчитать площадь печатной. Для определения площади необходимо рассчитать сумму установочных площадей РЭК. Перечень компонентов и расчеты установочных площадей РЭК приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Перечень компонентов и установочных площадей

Установочная площадь РЭК определялась по формуле

где B- ширина корпуса элемента в мм,

L - длина корпуса элемента в мм.

Установочная площадь цилиндрических РЭК определялась по формуле

где R - радиус корпуса элемента в мм.

Площадь печатной платы определяется формулой

где - коэффициент заполнения печатной платы, для наших расчетов берется 0,5;

- установочная площадь радиокомпонента, n - количество радиокомпонентов.

Расчет площади печатной платы согласно формулы (3.3)

Линейные размеры печатной платы выбираются по ГОСТ Р 53429-2009 и ГОСТ 10317--79. Для устройства в связи с горизонтальным расположением радиокомпонентов взята печатная плата в масштабе 2:1 размерами ширина 45мм длина 80мм.

4. Проектирование печатной платы в Kicad

4.1 Размещение радиокомпонентов на печатной плате

При помощи редактора печатных плат разрабатываем эскиз печатной платы, на который наносим монтажные отверстия, дополнительные надписи, а также выполняем ряд установок, таких как параметры сетки, размеры проводников, размеры и стиль контактных площадок, зазоры между элементами печатного рисунка и т. п.

Шаг координатной сетки выбираем 1,25(или 1,27) мм, что позволит избежать специальной формовки выводов, так как расстояние между выводами большинства компонентов кратно указанному размеру. Определяем наличие металлизации в отверстиях. Металлизацию наносят, как правило, на переходные отверстия. Монтажные отверстия для разрабатываемого усилителя можно не металлизировать, так как специальные требования по надежности и механическим воздействиям в задании не предъявляются.

Выполняем процесс ручного размещения ЭРЭ на поле печатной платы. Размещение ЭРЭ на монтажной зоне ПП проводят, учитывая выбранные варианты установки электрорадиоэлементов, формовки их выводов, варианты разметки под монтажные отверстия и контактные площадки (ОСТ 4.010.030-81) и придерживаясь правил, рассматриваемых ниже.

Сначала размещают входные и выходные контактные площадки, определяют зоны установки разъемов, затем размещают ЭРЭ.

При монтаже в отверстия электрорадиоэлементы устанавливают на ПП с одной стороны (для ОПП - со стороны, противоположной проводящему рисунку), ЭРЭ с планарными выводами можно располагать с двух сторон печатной платы.

Размещение проводят покаскадно от входа к выходу, группируя элементы одного каскада (особенно развязывающие и блокировочные конденсаторы) вблизи активного прибора.

Функциональные узлы размещаются на плате отдельно друг от друга. Это позволяет, в ряде случаев без принятия дополнительных средств защиты (введение экранов, экранирующих проводников и т. п.) значительно снизить паразитные связи и наводки.

При размещении ЭРЭ на ПП необходимо учитывать следующее:

- не следует располагать близко к теплонагруженным элементам полупроводниковые приборы, интегральные схемы, конденсаторы и другие теплочувствительные компоненты;

- должна быть предусмотрена возможность легкого доступа к элементам, которые подбираются при регулировке схемы;

- должна быть предусмотрена возможность конвективной теплоотдачи в зоне расположения теплонагруженных элементов;

- массивные и крупногабаритные ЭРЭ следует размещать вблизи элементов крепления платы.

- расстояние от края платы до элементов проводящего слоя не менее 5 мм.

Трансформаторы, соленоиды и других электромагнитные устройства следует устанавливать так, чтобы их магнитные поля были направлены перпендикулярно друг другу, а сами устройства находились на максимальном расстоянии от кабелей.

В случае, когда расстояния между выводами многоконтактных ЭРЭ, выводы которых не подлежат формовке, не кратны шагу координатной сетки, центры отверстий под выводы располагаются по следующим правилам:

- если в конструкции навесного элемента имеются два или более выводов, расстояния между которыми кратны шагу координатной сетки, то центры отверстий под эти выводы обязательно размещают в узлах сетки, а центры отверстий под другие выводы располагают согласно чертежу на данный элемент;

- если в конструкции не имеется выводов, расстояния между которыми кратны шагу координатной сетки, то в узле сетки располагают центр монтажного отверстия, принятого за основное, а остальные помещают на вертикальной или горизонтальной линиях сетки, если это допускает расположение выводов.

Для автоматической установки ЭРЭ на ПП следует оставлять зазор между корпусами не менее 1,5 мм в одном из направлений. Зазор необходим также и для улучшенной ремонтопригодности.

Расстояние между осями выводов соседних ЭРЭ или осями выводов и корпусами соседних ЭРЭ должно быть не менее 2,5 мм, минимальное расстояние между корпусами дискретных ЭРЭ 1мм, между корпусами дискретных ЭРЭ и микросхем - 2 мм.

Отверстия (монтажные, переходные, крепежные) в плате нужно располагать таким образом, чтобы расстояние между краями отверстий было не меньше толщины платы, в противном случае перемычка между отверстиями будет обладать малой механической прочностью.