Размещено на http://www.allbest.ru/

Воронежский институт МВД России

Кафедра вневедомственной охраны

Курсовой проект

по дисциплине "Основы компьютерного проектирования и моделирования радиотехнических систем"

Тема: "Конструирование усилителя тока"

Выполнил: слушатель 41 группы

факультета заочного обучения

(специальность 210602.65 "Специальные радиотехнические системы")

капитан внутренней службы

Зарипов А.А.

Воронеж 2015 г.

Содержание

• Введение
• Исходные данные
• 1. Моделирование усилителя тока в Multisim
• 2. Проектирование печатной платы
• 2.1 Расчет размеров и размещение радиоэлектронных компонентов на печатной плате
• 2.2 Трассировка печатной платы с использованием волнового алгоритма
• 2.3 Трассировка печатной платы с использованием лучевого алгоритма
• Заключение
• Список литературы

Введение

Очевидность того факта, что развитие новой техники в современных условиях замедляется не столько отсутствием научных достижений и инженерных идей, сколько сроками и не всегда удовлетворительным качеством их реализации при конструкторско-технологической разработке, ни у кого не вызывает сомнения. Одним из направлений решения этой проблемы является создание и развитие систем автоматизированного проектирования (САПР).

Применение ЭВМ при проектировании различных объектов с течением времени претерпевает значительные изменения. С появлением вычислительной техники был сделан переход от традиционных "ручных” методов проектирования к реализации отдельных задач проектирования на ЭВМ. Этот подход, характеризовавший использование ЭВМ на первом этапе, носит название "позадачного" и заключается в том, что каждая вновь возникающая задача решается с помощью автономно создаваемой программы, которая функционируем независимо от других программ данной предметной области. Коренной недостаток такого подхода заключается в том, что подобные программы строятся по принципу "натурального хозяйства”, когда для решения отдельной задачи требуется полная подготовка вспомогательных средств (технических, информационных, программных и т.д. Поскольку проектирование объекта, как правило, предполагает и его оптимизацию, то машинная программа в этом случае представляет "симбиоз" модели проектируемого объекта и некоторого алгоритма оптимизации. Естественно, что в этом случае ни модель, ни алгоритм оптимизации не могут использоваться для других целей (например, чтобы провести оптимизацию модели трансформатора с помощью другого алгоритма, необходимо разработать новую программу).

Целью работы является разработка усилителя тока с использованием средств систем автоматизированного проектирования.

Исходные данные

Тема: "Разработка усилителя тока с использованием средств систем автоматизированного проектирования".

Исходные данные: схема электрическая принципиальная усилителя тока, представленная на рис. 1.

Требуется:

1) составить задание на моделирование на входном языке пакета программ PSpice;

2) рассчитать размеры ПП и выполнить размещение радиоэлектронных компонентов на односторонней ПП;

3) разработать топологию печатного монтажа с использованием волнового алгоритма трассировки;

4) разработать топологию печатного монтажа с использованием лучевого алгоритма трассировки.

Исходные данные для раздела "Схемотехническое моделирование".

При составлении задания на моделирование необходимо учитывать исходные данные и следующие условия моделирования.

Параметры однотипных резисторов (R2, R4-R6, R8, R11, R15) укажите в директиве моделей компонентов. Параметры полупроводниковых приборов считайте описанными в библиотечном файле DETL. LIB. Источник гармонического сигнала с постоянной составляющей 0,5 В имеет амплитуду 0,7 В на частоте 1 кГц;

Моделирование проводится для cтандартного значения температуры 270С и при изменении сопротивления R9 от 5 К до 50 К с шагом 5 К.

По постоянному току при изменениях напряжения источника питания от 10 В до 20 В с шагом 1 В в линейном масштабе рассчитайте чувствительность потенциала базы транзистора VT2 и тока через резистор R6.

усилитель ток волновой алгоритм

По переменному току рассчитайте частотные характеристики в диапазоне частот от 1 кГц до 1 МГц в логарифмическом масштабе в 500 точках, а так же уровень шума на сопротивлении R15 и затворе транзистора VT4.

Спектральный анализ напряжения на сопротивлении R13 проведите при частоте первой гармоники, равной 2 кГц.

Выведите результаты моделирования в виде таблицы: изменение постоянного напряжения на R15 и потенциала базы транзистора VТ2. Частотные зависимости фазы (в радианах) на нагрузке и модуля (в децибелах) напряжения на R15. Переходные процессы на базе транзистора VT5.

Для использования в графическом постпроцессоре PROBE: ток через конденсатор С4.

Рис. 1. Схема электрическая принципиальная к варианту №4

Исходные данные для раздела "Проектирование печатной платы":

плотность печатного монтажа - 1-й класс;

волновой алгоритм трассировки с максимальной плотностью печатного монтажа;

лучевой алгоритм с использованием веерного приоритета направлений для обхода препятствий.

1. Моделирование усилителя тока в Multisim

Моделирование усилителя будем производить в программе EWB Multisim 8. Транзисторы, указанные в задании, заменим следующими аналогами:

КТ315Б - 2N2712

КП103А - BST100

Источник сигнала выставим как на рисунке 2.

Рисунок 2 - Параметры источника сигнала

Результат работы программы покажем в рисунках ниже.

Схема цепи

1) По постоянному току при изменениях напряжения источника питания от 10 В до 20 В с шагом 1 В в линейном масштабе рассчитайте чувствительность потенциала базы транзистора VT2 и тока через резистор R6.

Указываем точки снятия характеристик

U (V2)	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
U (VT2 (b))	7,170	7,929	8,689	9,448	10, 208	10,968	11,728	12,488	13,248	14,008	14,768
I (R6)	2,97E-03	3,31E-03	3,66E-03	4,00E-03	4,35E-03	4,69E-03	5,04E-03	5,38E-03	5,72E-03	6,07E-03	6,41E-03

2) По переменному току рассчитайте частотные характеристики в диапазоне частот от 1 кГц до 1 МГц в логарифмическом масштабе в 500 точках, а так же уровень шума на сопротивлении R15 и затворе транзистора VT4.

Указываем точки снятия характеристик

Частотные характеристики при помощи AC Analyses

На затворе транзистора VT4

На резисторе R15

Уровень шума при помощи Noise Analyses

На VT4 - 0,010747 m

На R15 - 18,3091

3) Спектральный анализ напряжения на сопротивлении R13 проведите при частоте первой гармоники, равной 2 кГц.

4) Выведите результаты моделирования в виде таблицы: изменение постоянного напряжения на R15 и потенциала базы транзистора VТ2. Частотные зависимости фазы (в радианах) на нагрузке и модуля (в децибелах) напряжения на R15. Переходные процессы на базе транзистора VT5. Моделирование проводится для cтандартного значения температуры 27С и при изменении сопротивления R9 от 5 К до 50 К с шагом 5 К.

изменение постоянного напряжения на R15

потенциал базы транзистора VТ2

Частотные зависимости на R15

Переходные процессы на базе транзистора VT5

5) Для использования в графическом постпроцессоре PROBE: ток через конденсатор С4.

Ток через конденсатор С4 равен I=-44,8 нА.

2. Проектирование печатной платы

2.1 Расчет размеров и размещение радиоэлектронных компонентов на печатной плате

По справочным данным и ГОСТ 29137-91 определяем типовое конструктивное исполнение, габаритные и установочные размеры электрорадиоизделий (табл.2).

Примечание: при заполнении таблицы допускается использование одного эскиза для ЭРИ одинакового типа, имеющих различные размеры, например, для конденсаторов С1, С3. С7, С9. В этом случае размерные характеристики указываются для всех отличающихся по этим параметрам элементов.

Таблица 1

Типовое конструктивное исполнение и размерные характеристики ЭРИ

Типономинал и позиционное обозначение ЭРИ	Вариант формовки и установки ЭРИ	Размерные характеристики ЭРИ
Конденсаторы С1 К50-6-25-100мкФ	Вар.180	D= 8 мм H=12 мм d= 0,6 мм lу= 5,0 мм
С2 К50-6-16-10мкФ		D= 5 мм H= 11 мм d= 0,6 мм lу= 2,5 мм
С3, С5 К50-6-25-220мкФ		D= 10 мм H= 16 мм d= 0,6 мм lу= 5,0 мм
С4,КМ-5А-М1500-1100пФ	Вар.180	L=7,0 мм В=6,5 мм d=0,6 мм Н=3,3 мм lу=10 мм
Резисторы R1…R15 ОМЛТ-0,125	Вар.140	L= 6,0 мм D= 2,2 мм d= 0,6 мм lу= 10 мм
Транзисторы VT1, VT2, VT3, VT5 КТ315Б	Вар.180	L= 7,2 мм В= 5,0 мм Н= 3,0 мм d= 0,95 мм lу= 5,0 мм
VT4 КП103А	Вар.240	D1=5,2 мм H=5,3 мм d=0,5 мм lу=5 мм

Примечание. установочные размеры можно также рассчитать на основе габаритных размеров, приводимых в справочниках ЭРИ. Для резисторов и конденсаторов, устанавливаемых по вариантам 010, 011, 140 расстояние от корпуса ЭРИ до оси изогнутого вывода R (рис.3) составляет не менее 2 мм, для дросселей и диодов - не менее 5 мм. Установочные размеры для ЭРИ необходимо выбирать кратными шагу координатной сетки.

Рис.3. Расстояние от корпуса радиоэлемента до оси изогнутого вывода

Диаметр монтажного металлизированного отверстия d_{м отв} определяем в зависимости от диаметра вывода d навесного элемента: для элементов VT1, VT2, VT3, VT5

d_{м отв1}=d+0,2=0,95+0,2= 1,15 (мм);

для элементов С1 - С5, R1-R15

d_{м отв2}=d+0,2=0,6+0,2=0,8 (мм);

для элементов VT4

d_{м отв3}=d+0,2=0,5+0,2= 0,7 (мм);

Расчет диаметров контактных площадок D_КП производим в соответствии с рекомендациями:

D_КП1=d_{м отв1}+2b+c=1,15+20,3+0,6=2,3 (мм);

D_КП2=d_{м отв2}+2b+c=0,8+20,3+0,6=2,0 (мм);

D_КП3=d_{м отв3}+2b+c=0,7+20,3+0,6=1,9 (мм);

4. Площади посадочных мест навесных компонентов рассчитываем по данным табл. 1 с учетом размеров контактных площадок под формованные выводы.

Площади посадочных мест конденсаторов:

\[{{\text{S}}_{{{\text{C}}_{\text{1}}}}}=\] (мм²);

(мм²); (мм²);

=39,6 (мм²);

площади посадочных мест резисторов:

= 26,4 (мм²);

площади посадочных мест транзисторов

(мм²).

(мм²).

Площадь печатной платы равна:

1,6 (15+4+) 1,6 (50,2+19,6+2·78,5+39,6+15·26,4+4·33+50,3) =1351,5 (мм²).

6. Рассчитаем линейные размеры печатной платы, полагая длину и ширину монтажной зоны одинаковой:

(мм).

Учитывая, что расстояние между границей монтажной зоны и краем ПП должно составлять не менее 5 мм, а ширина краевого поля для гибкого печатного кабеля равна 15 мм, получаем следующие линейные размеры ПП:

L_y=36,8+5+5=46,8 (мм),

L_x=36,8+15+5=56,8 (мм),

где L_y и L_x - ширина и длина ПП соответственно.

Приводим полученные значения линейных размеров ПП в соответствие со стандартным рядом (табл.3.2) и получаем, что ширина ПП равна 50 мм, а длина ПП - 80 мм. Для проверки правильности выбора геометрических размеров ПП, проведем следующий расчет:

рассчитанная площадь ПП:

= L_y• L_x=46,8•56,82658,24 (мм²).

площадь ПП после приведения линейных размеров в соответствие со стандартным рядом:

=40•70=2800 (мм²).

Эти величины отличаются друг от друга менее, чем на 10%, значит, геометрические размеры сторон печатной платы выбраны верно.

2.2 Трассировка печатной платы с использованием волнового алгоритма

Разработанный вариант размещения радиоэлектронных компонентов на печатной плате приведен в масштабе М2: 1 на рис. 4.

Рисунок 4 Размещение радиоэлектронных компонентов на печатной плате

Контакты радиоэлектронных компонентов (РЭК) обозначим следующим образом: XP1 (XP1₁, XP1₂, XP1₃, XP1₄, XP1₅, XP1₆), R1 (R1₁, R1₂), R2 (R2₁, R2₂), R3 (R3₁, R3₂), R4 (R4₁, R4₂), R5 (R5₁, R5₂), R6 (R6₁, R6₂), R7 (R7₁, R7₂), R8 (R8₁, R8₂), R9 (R9₁, R9₂), R10 (R10₁, R10₂), R11 (R11₁, R11₂), R12 (R12₁, R12₂), R13 (R13₁, R13₂), R14 (R14₁, R14₂), R15 (R15₁, R15₂), C1 (C1₁, C1₂), C2 (C2₁, C2₂), C3 (C3₁, C3₂), C4 (C4₁, C4₂), C5 (C5₁, C5₂), VT1 (VT1₁, VT1₂, VT1₃), VT2 (VT2₁, VT2₂, VT2₃), VT3 (VT3₁, VT3₂, VT3₃) VT4 (VT4₁, VT4₂, VT4₃), VT5 (VT5₁, VT5₂, VT5₃).

Для трассировки печатной платы волновым алгоритмом разбиваем монтажно-коммутационное пространство печатной платы на дискреты рабочего поля, каждый контакт РЭК расположен в отдельном ДРП. Для упрощения берем размеры ДРП 2,5х2,5 мм. Трассировка ведется со стороны пайки. Выполняем зеркальное отображение варианта размещения РЭК и получаем изображение МКП печатной платы резонансного усилителя на рис.2.2 Для наглядности изображение увеличено. Контакты РЭК соединяются в соответствии со схемой электрической принципиальной. Работа волнового алгоритма проиллюстрирована на рисунках 5-13.

Рисунок 5 Монтажно-коммутационное пространство печатной платы

Рисунок 6 Трассировка соединений R11 - C22 - VT12 - R22,VT11 - R42 - VT32, C51 - VT41 - VT53 - R121

Рисунок 7 Трассировка соединений XP1₅ - R14₂ - R15₂ C4₁ - R10₁ - R9₁

Рисунок 8 Трассировка соединений XP1₃ - C2_1,R8₂ - R10_2, VT3_1, R9₂ - VT4₂

Рисунок 9 Трассировка соединений R6₂ - C4₂ - VT3_2,VT3₃ - R3₁ - VT2_2,VT4₃ - R11₁ - VT5₂

Рисунок 10 Трассировка соединений C1₁ - XP1₂ - XP1₆ - R2₁ - R4₁ - R6₁ - R8₁ - R13₁ - R15₁ - C5₂ - C3₂

Рисунок 11 Трассировка соединений VT3₃ - VT2₂ - R7₁ - C3₁ XP1₁ - R5₂ - R7₂ - R12₂

Рисунок 12 Трассировка соединений R1₂ - C1₂ - R3₂ - R5₁ R11₂ - VT5₁ - R13₂ - R14₁

Топология проводящего рисунка печатной платы усилителя тока, полученная с помощью волнового алгоритма трассировки с минимальным числом изгибов, представлена на рис. 13.

Рис. 13 Топология печатного монтажа, полученная с помощью волнового алгоритма трассировки

В рассмотренном примере проведены все трассы. Однако не всегда удается добиться полной автоматической трассировки печатной платы волновым алгоритмом. В этом случае недостающие трассы проводятся проектировщиком вручную. Кроме того, для получения более рационального рисунка топологии ПП трассы, проведенные автоматизированным способом, также корректируются проектировщиком вручную.

2.3 Трассировка печатной платы с использованием лучевого алгоритма

Исходные данные:

схема электрическая принципиальная усилителя (см. рис.5.4);

плотность печатного монтажа - 1-й класс;

лучевой алгоритм с использованием веерного приоритета направлений для обхода препятствий.

Требуется:

разработать топологию печатного монтажа с использованием лучевого алгоритма трассировки.

При проведении трасс лучевым алгоритмом используется вариант размещения РЭК на печатной плате усилителя, приведенный на рис.5.

Работа лучевого алгоритма показана на рис. 14.

Рис.14 Трассировка печатной платы усилителя лучевым алгоритмом

Заключение

Практика разработки и эксплуатации САПР показывает, что ряд особенностей построения автоматизированной системы может быть оговорен и сформулирован до начала ее проектирования. Специфика объекта проектирования накладывает требования на структуру и организацию САПР. Специфика проектирования, например, трансформаторов состоит в следующем:

1. Это "старый” объект, расчетами и проектированием которого специалисты занимаются уже более 100 лет, следовательно, все принципиальные улучшения конструкции уже, как правило, внесены, а стремление к повышению технико-экономических показателей трансформатора заставляет проектировщиков все глубже вникать в существо физических процессов, что достигается на пути последовательного усложнения математической модели трансформатора и адекватного отражения процессов, протекающих в нем, в том числе и при переходных режимах.

2. Если трудоемкость проектирования силового трансформатора средней мощности класса напряжения 35 кВ принять за 100%, то трудоемкость отдельных проектных процедур распределиться ориентировочно следующим образом: обзор существующих конструкций и определение патентной чистоты изделия 2-3%; выполнение расчетов 6-14%; проработка конструкции 12-20%; выполнение чертежей 37-55%; согласование технической документации 6-18%; оформление технической документации 9-16%.

Список литературы

1. ГОСТ 29137-91 Формовка выводов и установка изделий электронной техники на печатные платы.

2. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Термины и определения.

3. ГОСТ 27.003-90. Надежность в технике. Состав и общие правила задания требований по надежности.

4. Уваров А.С. P-CAD. Проектирование и конструирование электронных устройств / А.С. Уваров. - М.: "Горячая линия - Телеком", 2004. - 760 с.

5. Горбатенко, С.А. Конструирование и технология производства радиоэлектронных средств: учебное пособие / С.А. Горбатенко, В.В. Горбатенко, Н.В. Даценко. - Воронеж: ВИ МВД России, 2007. - 125 с.

6. Справочник разработчика и конструктора РЭА элементная база Книга II - Mосква 1993 г. - 299 с.

7. Справочник разработчика и конструктора РЭА элементная база Книга I - Mосква 1993 г. - 157 с.

Размещено на Allbest.ru