Файл: Записка.doc

КМОП - комплиментарная логика (серия 561)

ДТЛ - диодно-транзисторная логика (серия 511)

Выбираем ИМС с высоким напряжением питания - КМОП или ДТЛ, для них:

КМОП - I_потр10мкА, f10Мгц;

ДТЛ - I_потр10мА, f1Мгц.

Из параметра потребляемой мощности(I_потр10мкА) выбираем КМОП и ИМС серии 561.

По требуемым функциям выбираем следующие ИМС серии 561:

DD1, DD2, DD5 - К561ЛН2 (6 НЕ);

DD3, DD4, DD8 - K561ТМ2 (2 RS-триггера);

DD6 – К561ЛЕ5 (2 ИЛИ-НЕ);

DD7 – К561ЛА7 (2 И-НЕ).

Входные датчики выдают сигнал с амплитудой 24В, а предельное входное напряжение для ИМС - 12В. Для передачи сигнала с входа на логические схемы применим оптронную развязку. Из конструктивных соображений выбираем:

DA1 – DA4 - АОТ101 АС.

Для формирования выходного сигнала используем твердотельные реле:

К1-К9 - реле 5П14.1Б.

В нашей схеме нет требований к повышенной точности сопротивлений, поэтому используем резисторы распространенной серии МЛТ ГОСТ 7113-77.

Определим номиналы сопротивлений:

- для оптопары АОТ101АС используем номинальный входной ток - 8мА, тогда сопротивление токоограничивающих резисторов R1, R3, R5, R7, R9, R11, R13, R15 равно:

R = U_пит/I_ном=24/8=3(кОм);

P=I_ном²R=8²*3=0,19(Вт)

- для реле 5П14.1Б номинальный входной ток - 6мА, тогда сопротивление токоограничивающих резисторов R17-R25 равно:

R = U_пит/I_ном=12/6=2(кОм);

P=I_ном²R=6²*2=0,13(Вт)

- для подпитки входов ИМС серии 561 выбираем рекомендуемое (ТУ на микросхемы) сопротивление резисторов R2, R4, R6, R8, R10, R12, R14, R16:

R=20(кОм);

Р=(U_пит )²/R=12² /20=7,2(мВт)

Исходя из рассчитанных сопротивлений и мощности, выбираем резисторы:

R1, R3, R5, R7, R9, R11, R13, R15 - МЛТ-0,25-3кОм;

R2, R4, R6, R8, R10, R12, R14, R16 - МЛТ-0,25-20кОм;

R17-R25 - МЛТ -0,25-2кОм.

Для управления внешними схемами прибор содержит твердотельные реле, в качестве нагрузки рекомендуется применять промежуточные реле РП 21 на напряжение 24В (не более одного реле на контакт).

Все выходные цепи гальванически развязаны с цепями питания прибора.

В схеме использованы интегральные микросхемы серии К561, это приводит к снижению потребляемой мощности и повышению надежности и ремонтопригодности прибора.

Входные преобразователи, выполненные на базе интегральных опто-транзисторных преобразователей АОТ101АС, служат для передачи сигналов от входных цепей с амплитудой 24В к ИМС с рабочим напряжением 12В. Выбранная схема позволяет избежать пробоя входных цепей микросхем при наводке на сигнальные линии датчика импульсов напряжения от близкорасположенных электромашин, что становится возможным благодаря гальванической развязке входных цепей и логических элементов. Кроме того, эти оптопары обладают малыми габаритами (7,5х5) и высокой надежностью.

Логические схемы выполнены с использованием КМОП ИМС серии 561.Это позволяет использовать напряжение питания 12В, повысить надежность, помехоустойчивость и снизить энергопотребление. Микросхема К561ТМ2 – это два независимых RS-триггера, напряжение питания от 3 до 15В, потребляемый ток – 50мкА (для сравнения К155ТМ2 - 5 5% В, 70мА).

Выходные ключи выполнены на базе полупроводниковых твердотельных реле. Это позволяет получить высокие технико-экономические показатели: низкую стоимость, высокую надежность (отсутствие движущихся узлов) и гальваническую развязку сигналов ИМС и исполнительных механизмов.

3.5 Описание работы схемы

Модуль управления служит для выдачи управляющих сигналов при проведении испытания в одном образце. При этом возможны шесть вариантов рабочего положения системы:

а) заполнение образца;

б) набор давления;

в) поддержание давления;

г) сброс давления;

д) авария;

е) завершение испытания.

Модуль выдает сигнал управления для клапанов YA1-YA4 и индикаторов HL1-HL6. Для определения необходимых управляющих воздействий на модуль приходят сигналы с датчиков давления (HI BAR, LO BAR, NO BAR) и положения (HI POS, LO POS), а так же с кнопок управления (START, STOP).

Для установления начального состояния модуля введен дополнительный сигнал RESET для установки модуля после подачи напряжения питания.

Текущий режим будем фиксировать с помощью RS-триггеров. Триггеры будут устанавливаться при достижении всех необходимых условий для запуска этого режима и сбрасываться при переходе к следующему этапу управления.

1 этап:

Заполнение образца. При этом загорается лампа HL1, открываются клапаны: YA2, YA3, YA4. Если сработал датчик верхнего уровня HI POS, то начинаем следующий этап.

Этот этап фиксируется в триггере DD2.1, что происходит при нажатии кнопки START. Сигнал с триггера DD2.1 сбрасывает триггеры этапов завершения испытания и авария. На этом этапе активные выходные сигналы К3 (совмещенный с HL1), К2 и К4.

2 этап:

Набор давления. Должна высвечиваться лампа HL2. Открыты следующие распределители: YA1, YA3.

Когда загорается лампа высокого давления HI BAR, то переходим к третьему этапу.

Этот этап фиксируется в триггере DD2.2. Он устанавливается при активном выходе триггера DD2.1 и входном сигнале HI POS. При этом сбрасывается триггер этапа заполнения образца и активны следующие выходные сигналы: HL2, K1 и К3.

3 этап:

Поддержание давления. В это время необходимо удерживать давление на заданном уровне. Если давление повышается HI BAR, то загорается кнопка HL3 и одновременно срабатывают клапаны YA2 И YA3. Если же давление становится меньше заданного LO BAR, то загорается та же кнопка HL3, но срабатывают YA1 и YA3.

Этот этап фиксируется в триггере DD5.1. Он устанавливается при активном выходе триггера DD2.2 и входном сигнале LO BAR. При этом сбрасывается триггер набора давления DD2.2. Активен выход на индикатор HL3 и, в зависимости от сигналов HI BAR и LO BAR, активизируются выходы К2 и К3, либо К1 и К3 соответственно.

4 этап:

Сброс давления. Этот этап начинается либо при активном триггере поддержания давления и нажатии на кнопку СБРОС, либо при активизации триггера аварии. Этот этап фиксируется в триггере DD5.2. Сигналом с этого триггера сбрасывается триггер этапа поддержания давления (DD5.1). При этом активны выходные сигналы HL4, К2 и К3.

5 этап:

Завершение испытаний. Фиксируется в триггере DD8.1 в случае активного состояния триггера этапа сброса давления и входного сигнала NO BAR, либо при приходе сигнала RESET. при этом сбрасывается активное состояние триггера четвертого этапа (сброс давления) и становится активным выходной сигнал HL5.

6 этап:

Авария. Фиксируется в триггере DD8.2 в том случае, если при активном триггере третьего этапа (поддержание давления) приходит сигнал с датчика LO POS, что соответствует разрушению образца. Этот триггер устанавливает триггер этапа сброса давления и остается в активном состоянии вплоть до момента начала следующих испытаний с целью однозначной идентификации аварийного образца. Активный сигнал этого триггера формирует выходной сигнал HL5.

3.6 Разработка конструкции

3.6.1 Определение метода конструирования. Плотность монтажа:

S=S_выв/S_пл, (3)

где S_выв - количество выводов элементов печатной платы;

S_пл - полезная площадь печатной платы.

S_выв=S_м+S_р, (4)

где S_м - количество выводов микросхем;

S_р - количество выводов резисторов.

S_м=198 (шт).

S_р=50 (шт).

S_выв=198+50=248 (шт)

Площадь печатной платы выбирается из заданных конструктивных размеров модуля управления: 210х140х300.

Полезная площадь платы:

S_пл=90*160=14400(мм²)=144(см²)

Отсюда найдем плотность монтажа:

S=S_выв/S_пл=248/144=1,72(выв/см²)

Так как 1,72 < 2, то плата относится к ДПП с автоматизированным проектированием.

3.6.2 Конструкторские расчеты. При реализации схемотехнических решений минимально необходимые размеры элементов печатного монтажа и их взаимное расположение определяются в результате расчета электрической схемы. При этом необходимо уделять достаточно внимания обоснованному определению технологических допусков для их производства. На допуски непосредственное влияния оказывает способ конструирования фотошаблонов (ручной или автоматический), базирование при переносе рисунка заготовки платы и метод сверления отверстия.

Поэтому при конструировании печатных плат после определения параметров элементов в результате расчета необходимо определить их оптимальные размеры, применяемые зазоры между ними и реальные допуски на изготовление. Рассчитаем размеры основных элементов печатного монтажа в соответствии с производственно-техническими требованиями для двусторонней печатной платы изготовленной комбинированно-позитивным методом.

Исходя из технических возможностей производства, выбираем метод изготовления и класс точности печатных проводников в соответствии с ГОСТ 23751-86.

Исходные данные:

- ДПП изготовлена комбинированным позитивным методом;

- Материал – стеклотекстолит;

- Класс точности – 4;

- Габаритные размеры платы 90x160 (мм);

- Напряжение питания ИМС U_пит=12(В);

- Толщина фольги h_ф=50(мкм);

- Допустимое падение напряжение U_доп=0,6(В);

- Допустимая плотность тока j_доп=38(А/мм²);

- Удельное объемное сопротивление =0,0175(мкОм/м);

- Максимально потребляемый ток I_max=300(мA);

- Длина печатного проводника l=160(мм).

Основные конструктивные параметры ПП (ГОСТ 23751-86) приведены в таблице 2 [3].

Таблица 2 - Основные параметры ПП ГОСТ 23751-86

3.6.3 Выбор рациональной формы блока. Приведенная площадь наружной поверхности:

S_пр=S/V, (5)

где S - площадь наружной поверхности, мм ²;

V-объем блока, мм³.

Для параллелепипеда:

S=2( ab+ac+bc), (6)

где а - ширина модуля управления, а=210(мм);

b - высота модуля управления, b=140(мм);

с - длина модуля управления, с=300(мм).

S=2(210*140+210*300+140*300)=268800 (мм²)

V=abc=210*140*300=8820000 (мм ³) (7)

S_{прпарал}=268800/8820000=0,03 (мм ^–1)

Для шара:

S_пршара=6d²/d³=6/d=6/400=0,015 (мм²) (8)

Коэффициент приведенных площадей:

К_пр=S_{прпарал}/S_пршара (9)

К_пр=0,03/0,015=2

То есть форма нашего блока в 2 раза менее оптимальна, чем форма шара. Но форма блока в виде шара неудобна в эксплуатации, она не устойчива, поэтому прямоугольная форма блока выбиралась исходя из условия применения.

Коэффициент заполнения объема:

К_зп=(V_ап /V)*100 %, (10)

где V_ап – объем, занимаемый непосредственно аппаратурой.

V_ап=1,7*10⁶ (мм³)

K_{зп парал}=1,7*10⁶/8820000*100%=19,3%

V_шара=4R³/3=4*3,14*(200)³/3=33510321,64(м³) (11)

К_{зп шара}=1,7*10⁶/33510321,64*100%=5,07%

Таким образом K_зп показывает, что от всего объема объекта аппаратура занимает 19,3% - для параллелепипеда и 5,07% - для шара.

Выбираем блок в форме параллелепипеда, так как К_зп является приорететным.

3.6.4 Расчет объемно компоновочной характеристики. В дипломном проекте предлагаются заранее заданные фиксированные геометрические размеры корпуса, удовлетворяющие месту эксплуатации прибора. Однако возможен другой вариант компоновки. Варианты отличаются взаимным расположением органов коммутации и печатных плат относительно друг друга. (приложение Б). Для определения наиболее рациональной формы блока рассчитаем приведенные площади блоков S_пр и коэффициенты заполнения объема К_эо.

Произведем расчет коэффициента приведенных площадей корпуса модуля управления испытательного стенда, скомпонованного по первому варианту. Геометрические размеры корпуса, скомпонованного по первому варианту 210х300х140мм.

Приведенная площадь поверхности корпуса, скомпонованного по первому варианту:

(12)

где S₁ - площадь наружной поверхности корпуса блока, мм²;

V₁ - объем корпуса блока, мм³.

S=2(210300+210140+300140)=268800 (мм²)

V₁=abc=210300140=8820000 (мм ³)

S_пр1=268800/8820000=0,02 (мм ^–1)

Произведем расчет приведенной площади поверхности, скомпонованного по второму варианту. Геометрические размеры корпуса 200х360х130мм.

(13)

где S₂ - площадь наружной поверхности корпуса, мм²;

V₂ - объем корпуса блока, мм³.

S₂=2(200360+200130+360130)=289600 (мм²)

V₂=abc=200360130=9360000 (мм ³)

S_пр2=289600/9360000=0,03 (мм ^–1)

Так как S_пр1 меньше S_пр2, то модуль управления, скомпонованный по первому варианту оптимальнее, чем модуль управления, скомпонованный по второму варианту.