На протяжении всей истории создания и совершенствования бортовой аппаратуры разработчики пытались решить три проблемы [1]:

§ получить максимально возможные вычислительные ресурсы (быстродействие, объем памяти, пропускная способность интерфейсов);

§ обеспечить высокие показатели надежности;

§ минимизировать массу, физический объем, потребляемую мощность, стоимость.

Прогресс в области создания авиационной техники всегда сопровождался повышением уровня автоматизации управления полетом ЛА [2]. Процесс разработки технических устройств и систем, решающих задачу автоматизации управления полетом ЛА, шел по пути усложнения функций управления и имел два источника своего развития. Первый - информационный. Появление новых датчиков или информационных систем привело к возникновению новых режимов систем автоматизированного управления полетом ЛА. Второй источник - техническое совершенствование бортовых вычислителей, приводов и агрегатов управления, повышение их надежности и быстродействия [3].

На современных самолетах летчик испытывает большие интеллектуальные и психофизиологические нагрузки. Анализ авиационных происшествий отечественных гражданских самолетов за период эксплуатации 1958-1999 гг. показывает, что порядка 80 % авиационных происшествий связаны с ошибками экипажа по выдерживанию параметров полета, соблюдению схем полета и по работе с системами самолета. Зарубежная статистика, также свидетельствует, что 70…75 % происшествий связаны с ошибками экипажа, причем общее их число за год прогрессирует [4].

Современные тенденции развития систем самолетовождения заключаются в уменьшении нагрузки на экипаж, что достигается речевым управлением 5, улучшенной компоновкой кабины 6, изменением формы представления информации и придания ей образных и интуитивных свойств 7 и адаптивностью индикации 8. Кроме выше указанных методов повышения безопасности, используется бесконтактная диагностика состояния пилота, позволяющая изменить степень его загруженности путем повышения автоматизации.

Большинство систем самолетовождения имеют следующую структуру. Состав систем самолетовождения определяется характером решаемых задач и требованиями безопасности полетов:

- решение навигационных задач и задач самолетовождения обеспечивается двумя БЦВМ в соответствии с заложенной программой и двумя ПУИ - отражающими резервированную систему самолетовождения. Прием информации в ПУИ осуществляется с приоритетом БЦВМ1. Ввод информации в БЦВМ возможен с любого ПУИ при отсутствии приоритета одного из них.

- отображение пилотажной, навигационной и обзорной информации, информации о функционировании бортового оборудования, отказах и неисправностях систем, подсказок экипажу осуществляется на пяти МФЦИ.

- СНС используется в качестве корректора местоположения. СНС одновременно взаимодействует с двумя БЦВМ;

- СВИ, обеспечивает ввод в БЦВМ аэронавигационной информации;

- функцию контроля технического состояния бортового оборудования, регистрацию, хранение и выдачу результатов контроля в полете и в процессе технического обслуживания осуществляют блоки БПС. Одновременно БПС выполняет функции концентратора, получая и обрабатывая информацию от систем объекта, передает ее в БЦВМ.

В данном дипломной работе разрабатывается конструкция ПУИ. ПУИ является основным элементом управления системой.

Первые пульты состояли из кнопок. Постепенно у пультов появился дисплей. В качестве экрана сначала использовались ЭЛТ, затем появились электролюминесцентные экраны, которые сменились на монохромные ЖК. В 1987 компания Боинг первый раз применяет в бортовой аппаратуре монохромные ЖК мониторы, а затем и цветные [2].

В настоящее время пульты управления и индикации либо предусматривают установку глобальной спутниковой системы навигации и определения местоположения (GPS), либо приемник GPS встроен непосредственно в ПУИ. Включение данной системы в ПУИ позволяет производить коррекцию счисленных координат не только по данным РСБН и РСДН, но и по данным спутников определения местоположения. Данная коррекция позволяет снизить накапливаемую ошибку счисленных координат, проверить корректность работы вычислителя (по величине ошибки), и, тем самым, повысить безопасность полета. В конце ХХ века, появились новые устройства надежного хранения данных - FLASH карты - ЭСПЗУ, они позволяют хранить международные или региональные базы данных всех авиамаршрутов, все аэропорты с ВПП более 1200 м, все РТС и частоты радиосвязи. Основными задачами современных ПУИ является решение задач навигации, управление, планирование полета и обмен данными, ручной ввод с клавиатуры (с возможностью визуального контроля вводимой информации) параметров плана полёта, взлёта, посадки, полёта по маршруту, как во время предполетной подготовки, так и в полете.

Необходимость разработки данного ПУИ возникла в связи с тем, что мало ПУИ имеется на базе активно-матричной ЖК-дисплея отечественного производства. Разрабатываемый ПУИ должен иметь в своем составе следующие функциональные элементы:

- интегрированный вычислитель, который будет решать задачи навигации,

- цветной ЖК монитор, который имеет наибольший приоритет, так как упрощает ввод информации и чтение ее экипажем, что повышает безопасность полетов,

- клавиатура.

1. Анализ требований ТЗ

В данной дипломной работе необходимо разработать МН и конструкцию ПУИ.

Прибор предназначен для управления рабочими режимами самолетовождения ввода и индикации пилотажно-навигационных параметров. Прибор должен обеспечить индикацию пилотажно-навигационной информации и ввод информации в вычислительную систему.

ПУИ производит обмен информацией с системой самолетовождения посредством разовых команд и последовательного кода по ГОСТ 18977-79, основные технические характеристики которых приведены в таблице 1.1:

Таблица 1.1. Технические характеристики ПК и РК

• * - Состоит из двух моноблоков: процессорный блок 19,3 х 5,72 х 37,16 мм; блок управления и индикации 18,08 х 14,61 х 15,24 мм.
• ** - Принудительное воздушное охлаждение реализовано в навигационном процессоре при работе на переменном токе 115В.
• Аналог HT9100 [10] производства Honeywell конструктивно состоит из двух моноблоков:
• многофункционального блока управления и индикации;
• навигационного процессора,
• чем и объясняется большая масса и габариты.
• Навигационный процессор в HT9100 имеет более высокую производительность, чем у представленных аналогов.
• Низкий показатель надежности HT9100 объясняется тем, что предполагается установка навигационного процессора в техническом отсеке, где условия эксплуатации более жесткие, чем в кабине [10].
• Рис. 2.3 Внешний вид НТ9100
• Таблица 2.4. Основные характеристики TNC_1G производства ЗАО Транзас

Параметр	Значение
Тактовая частота процессора, МГц	50
Дисплей	AMLCD 3х4
Количество цветов	Монохромный
Яркость кд/мІ	680
Контраст при внешней засветке 70000 лк.	2,5: 1
Боковой угол обзора	по горизонтали	± 450
	по вертикали	± 300
Наличие подсвета клавиатуры	+
Объем FLASH карты	512Кб
Питающее напряжение	+27,5В
Потребляемая мощность	65Вт
Масса	2,5 кг
Габариты, мм	193,0 x 156,1 x 172,3
Число входов / выходов разовых команд	2/2
Диапазон рабочих температур, 0С	От -45 до +55
Вид охлаждения	Конвекционный
Среднее время наработки на отказ, ч.	6000
Дополнительно	встроен 12 канальный GPS приемник

• Активно-матричная ЖК панель изделия TNC_1G монохромная, но реализован трехцветный подсвет (белый, зеленый, красный), позволяющий сигнализировать изменением цвета появление важной пилотажно-навигационной информации, но не позволяет выделить сам параметр [11].
• Внешний вид данного аналога представлен на рисунке 3.3.
• Все аналоги ПУИ имеют сходную архитектуру и, в зависимости от решаемых задач имеют в своем составе следующие модули:
• дисплейный модуль;
• графический модуль;
• вычислительный (процессорный) модуль;
• дискретный модуль;
• модуль напряжений.
• Так же, в том случае если предусматривается загрузка баз данных с Flash карты, в состав ПУИ входит интерфейсное устройство, предназначенное для преобразования данных.
• Некоторые ПУИ содержат в составе приемник GPS, обеспечивающий точное определение местоположения самолета по данным глобальной СНС и системы астронавигации (NAVSTAR). Разрабатываемый ПУИ не будет содержать в своем составе приемник GPS, но через каналы обмена данными предусмотрена возможность его подключения.
• Данная разработка является актуальной, т. к. из обзора информации об аналогах видно, что отсутствуют пульты управления и индикации на базе цветных активно-матричных ЖК панелей отечественного производства. Поэтому и возникла необходимость разработки данного ПУИ.

3. Выбор элементной базы ПУИ

Для выполнения основных задач, ПУИ должен иметь в своем составе следующие модули: МВ, МД, МУ, экран (цветная активно-матричная ЖК панель), МГ, МИ, ФРП, корпус, МН (подлежит разработке).

Модуль вычислительный МВ исполняет роль центрального процессора, решая задачи навигации, управления и планирования полетом.

При выборе вычислительного модуля необходимо учесть потребляемую мощность (суммарная потребляемая мощность ПУИ не должна превышать 90Вт), массу и габариты, также необходимо учесть диапазон рабочих температур (по ТЗ от -40 до +60⁰С) и возможность эксплуатации на самолете по группе применения 3.3.1 по ГОСТ В20.39.304-76.

Из вычислительных модулей: МВ63, МВ62Б2, МВ60, МВ52 наиболее подходит модуль МВ62Б2 производства ОКБ «Электроавтоматика» [12]. Данный модуль удовлетворяет всем требованиям ТЗ. Основные характеристики модуля МВ62Б2 содержатся в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Основные характеристики модуля МВ62Б2

Параметр	Значение
Тактовая частота процессора, МГц	50
Элементная база	СБИС 1890ВМІТ (ОЗУ), AmІ9F800 (ЭЗУ), Н1515ХМ1-220, Н1515ХМ1-0431, 1533АП5, 1533АП6, 1533ЛН1, 1533ЛН2, EPM7256SR1208-10, MAX202ЕEPE, SG_8002DC, ADM705AR, CY7C1049B_15VI, LT1963AEQ - 3,3.
Тип процессора	Параллельный асинхронный, с обработкой данных в форматах с фиксированной и плавающей запятой
Разрядность процессора, Бит	32
Максимальная рабочая частота, МГц	84
ОЗУ, Мб	2
ПЗУ, Мб	2
ЭЗУ, Мб	2
Питающее напряжение	+5В 5 %
Потребляемая мощность, Вт	6
Масса, кг.	0,6
Габариты, мм	15 x 160 x 117
Диапазон рабочих температур, 0С	от -55 до +85

Модуль дискретный МД организует обмен дискретной информацией по ГОСТ 18977-79.

Основные задачи дискретного модуля:

- прием дискретной информации, поступающей в ПУИ от подсистем системы самолетовождения в виде ПК и РК, ее преобразование и хранение, а также выдачу преобразованной информации на межмодульный интерфейс по запросу вычислительного модуля;

- прием и хранение информации, поступающей по межмодульному интерфейсу, ее преобразование и выдачу в виде ПК и РК во взаимодействующие с ПУИ подсистемы.

Из дискретных модулей, для модуля МВ62Б2 наиболее подходит модуль МД52 [14]. Данный модуль имеет аналогичный с вычислительным модулем интерфейс (по ГОСТ 26765-51-86), унифицированные номиналы питающих напряжений и одинаковые габаритные размеры. Кроме этого, данный модуль используется совместно с модулем вычислительным МВ62Б2 в ряде БЦВМ систем самолетовождения, разработанных в ОКБ «Электроавтоматика».

Модуль МД52 соответствует всем требованиям ТЗ на разработку ПУИ, имеет 6 входов и 2 выхода разовых команд по ГОСТ 18977-79, 4 входа и 4 выхода последовательного кода. Основные характеристики модуля МД52 содержатся в таблице 3.2.

Модуль управления МУ предназначен для управления кнопочными переключателями, также содержит устройство автоматической и ручной регулировки яркости экрана.

В соответствии с ТЗ на разработку ПУИ, данный модуль должен иметь:

- 10 функциональных кнопочных переключателей;

- цифровое наборное поле (10 кнопочных переключателей);

- буквенное наборное поле (26 кнопочных переключателей, алфавит-латиница);

- кнопочные переключатели выбора страниц (2 шт.);

- кнопочные переключатели вспомогательных символов (6 шт.);

- кнопочные переключатели ENT (ENTER), EXE (EXECUTION), CLR (CLEAR), CNL (CANCEL);

- кнопочные переключатели выбора строк (расположенные по боковым сторонам экрана) - по 6 штук с каждой стороны;

Таблица 3.2. Основные характеристики модуля МД52

Параметр	Значение
Элементная база	EPF10K30RI208, EPMІ56SRI208, 537РУ23, 1533АП5, 1533АП6, Микросборка АП.003, АП.004, 530ЛА9
Входы / выходы разовых команд (РК)	6 / 2
Входы / выходы последовательного кода (ПК)	4 / 4
Частота следования импульсов ПК входная / выходная, кГц	(12…14,5), 48 25 %, 100 1 %* 12,5 1 %, 50 1 %, 100 1 %;*
Межмодульный интерфейс по	ГОСТ 26765.51-86
ОЗУ, Кб	16
Питающее напряжение	+ (5В 5 %), (6В 5 %)
Потребляемая мощность, Вт	7
Масса, кг.	0,6
Габариты, мм	15 160 117
Диапазон рабочих температур, 0С	от -55 до +85

* - способ настройки частоты выдачи выходных каналов ПК - программный, независимый по каждому каналу.

Все кнопки, за исключением кнопок выбора строк, должны иметь ночной подсвет.

МУ должен обеспечивать: АРЯ экрана, в зависимости от внешней освещенности при помощи датчика внешней освещенности, установленного на лицевой панели в и ручную регулировку яркости экрана.

В соответствии с требованиями ТЗ на разработку ПУИ выбран модуль управления МУ74 [21]. МУ74 соответствует зарубежным стандартам по количеству кнопок и их расположению. Данный модуль удовлетворяет всем требованиям ТЗ по составу, наличию ночного подсвета кнопочных переключателей, устройства АРЯ, диапазону рабочих температур и соответствует требованиям ГОСТ В 20.39.304-76. Основные характеристики модуля МУ74 представлены в таблице 3.3.

Таблица 3.3. Основные характеристики модуля МУ74

Параметр	Значение
Количество кнопок	70
Яркость свечения ночного подсвета кнопок	0,6 ч 6Кд / мІ
Питающее напряжение	+5В 5 %
Потребляемая мощность, Вт	2
Масса, кг.	0,8
Габариты, мм	1,5х215х145
Диапазон рабочих температур, 0С	от -55 до +85

Индикация на ПУИ должна осуществляться на цветной активно-матричной ЖК панели, поэтому необходимо выбрать цветную активно-матричную ЖК панель, удовлетворяющую требованиям настоящего ТЗ:

разрешающая способность 320 х 240 точек;

контраст (при внешней засветке 70000 лк.) не менее 0,5.

При выборе панели необходимо также учесть потребляемую мощность (суммарная потребляемая мощность ПУИ в рабочем режиме не должна превышать 90Вт), массу и габариты.

Анализ информации об аналогах показал, что для того, чтобы информация без утомления считывалась с экрана экипажем, размер ЖК панели должен быть не менее 5_и дюймов по диагонали (~ 127 мм).

Основными производителями цветных активно-матричных ЖК панелей являются компании:

1 SHARP Corp.

2 Tannas Electronic Display Inc.

3 Nec Corp.

4 Korry Electronics Company.

5 General Dynamics Corp.

Основные характеристики данных панелей представлены в таблице 3.4.

Таблица 3.4. Основные характеристики цветных активно-матричных ЖК панелей

Название	KDM500	LQ5AW136	0550AM-QVGA	NL3224AC35-01/13	TED3X3P1
Производитель	Korry	Sharp	G&D	NEC	Tannas
Разрешающая способность	320х240	320х240	320х240	320х234	234х240
Яркость, кд / мІ	750	750	680	780	715
Боковой угол обзора	50/30	50/30	50/25	45/30	65/40
Время отклика, мс	~ 25	-	~ 50	~ 30	~ 40
Стандарт видеосигнала	RGB, NTSC, ј VGA	-	RGB, NTSC, ј VGA	RGB	RGB, NTSC,
Масса, кг.	0,885	0,315	1,45	0,95	0,815
Диапазон рабочих температур, 0С	от -55 до +80	от -10 до +85	от -30 до +85	от -30 до +60	от -50 до +65
Среднее время наработки на отказ	15000 ч.	35000 ч.	7500 ч.	20000 ч.	12000

ЖК панель LQ5AW136 [15] компании SHARP обладает хорошими показателями контрастности и яркости, но данная панель не имеет устройства подогрева ЖК панели и подогрева лампы подсвета, что не позволяет ей работать при пониженной температуре (по ТЗ требуется от -40 до +60⁰С). Данная ЖК панель не имеет интерфейсного устройства вертикальной и горизонтальной синхронизации. Разработка интерфейсного устройства, устройства подсвета и подогрева (для обеспечения работы при пониженных температурах) для данной панели потребует большого количества времени и затрат [15].

ЖК панель 0550AM-QVGA [16] производства General Dynamics и NL3224AC35-01/13 [17] производства Nec не удовлетворяют требованиям по диапазону рабочих температур, поэтому в данном ПУИ не могут быть использованы.

ЖК панель TED3X3P1 [18] фирмы Tannas обладает интерфейсным устройством, возможен «холодный запуск» при пониженной рабочей температуре -40⁰С, но разрешающая способность ниже требуемой по ТЗ.

ЖК панель [19] фирмы Korry удовлетворяет всем требованиям установленным в ТЗ. Благодаря встроенному устройству подогрева ЖК панели и подогрева лампы подсвета, возможен «холодный запуск». Встроенный двухканальный температурный датчик, реализованный на базе AD590, позволяет управлять включением и выключением устройств подогрева, которые поддерживают температуру на рекомендуемом для ЖК панели уровне + (35 ч 45)⁰С.

Для отображения информации на экране необходим графический модуль, который должен формировать телевизионные сигналы:

сигналы яркости красного, зеленого и синего цветов;

сигналы горизонтальной и вертикальной синхронизации,

кроме этого данный модуль должен организовывать опрос кнопочного поля.

Данный модуль должен формировать векторы, знаки, символы, окружности и дуги, т. к. пилотажно-навигационная информация представляется именно в таком виде. Хранение таких графических примитивов для матрицы из 320 х 240 пикселей, требует ПЗУ объемом не менее 256 Кб [20]. Конструкция ПУИ, в соответствии с ТЗ, предусматривает 70 кнопочных переключателей, опрос которых должен осуществляется графическим модулем.

Выбран модуль МГ52 [21]. Данный модуль удовлетворяет всем требованиям ТЗ и требованиям дисплейного модуля KDM500 по количеству цветов, качеству выводимой на экран информации и необходимому объему ПЗУ для хранения графических примитивов. Основные характеристики модуля графического МГ52 представлены в таблице 3.5

Таблица 3.5. Основные характеристики модуля МГ52

Параметр	Значение
Элементная база	ПЛИС XC4036XL, CY7C1049B, AMІ9F200BB, AT17C010, AD22100ST, AD7811YR, AD7801BR, LP3961EMPX, 1533АП5, 1533АП6, 133ЛП9А
Количество цветов	256
ПЗУ, Кб	256
ОЗУ, Мб	3 х 2 х 512Кбайт (8 разр.)
Размер матрицы кнопочного поля, мм	8 х 10
Межмодульный интерфейс по:	ГОСТ 26765.51-86
Питающее напряжение	+5В 5 %
Потребляемая мощность, Вт	3,0
Масса, кг.	0,5
Габариты, мм	15 x 160 x 117
Диапазон рабочих температур, 0С	от -55 до +85

Из анализа информации об аналогах и современных требований по безопасности полетов видно, что для обеспечения конкурентоспособности ПУИ и повышения безопасности полета необходима база данных аэронавигационной, а также картографической информации типа «Jeppesen» или АБД ЦАИГА. Данная база должна храниться на компактной FLASH карте (ЭСПЗУ). Наиболее часто используется FLASH карта стандарта PCMCIA объемом 256МГб [19].

Загрузку навигационных данных должен осуществлять интерфейсный модуль (МИ). Он преобразует интерфейс FLASH карты стандарта PCMCIA в интерфейс по ГОСТ 26765.51-86, осуществляя преобразование информации FLASH карты. FLASH карты - ЭСПЗУ, они позволяют хранить международные или региональные базы данных всех авиамаршрутов, все аэропорты с взлетно-посадочной полосой (ВПП) более 1200 м, все радиотрансляционные станции (РТС) и частоты радиосвязи.

Для преобразования данных с FLASH карты объемом памяти 256МГб, подходит модуль интерфейсный МИ74 [22]. Данный модуль имеет унифицированные номиналы питающих напряжений, низкую потребляемую мощность, допустимые габаритные размеры и удовлетворяет всем требованиям ТЗ на разработку ПУИ. Таблица 3.6 содержит основные характеристики данного модуля.

Таблица 3.6. Основные характеристики модуля интерфейсного МИ74.

Параметр	Значение
Элементная база	ПЛИС EPF10K20RI240-4, EPC2LI20, 1533АП5, 1533АП6, SG_8002DC_24M-PTM
Межмодульный интерфейс по	ГОСТ 26765.51-86
Питающее напряжение	+5В 5 %
Потребляемая мощность, Вт	3,0
Масса, кг.	0,4
Габариты, мм	15х150х95
Диапазон рабочих температур, 0С	От -55 до +85

ФРП должен обеспечивать сигнальные уровни напряжения радиопомех.

Модуль напряжений МН предназначен для формирования вторичных напряжений для модулей МВ62, МД52, МГ52, МИ74, МУ74 и ЖК панели KDM500.

МН состоит из МН-М и МН-П. Модуль напряжений МН-М предназначен для формирования питающих напряжений модулей МВ62, МД52, МГ52, МИ74, МУ74.

Модуль напряжений МН-П предназначен для формирования питающих напряжений дисплейного модуля KDM500 (подогрев ЖК панели, лампа подсвета, подогрева лампы подсвета ЖК панели).

Структурная схема пульта приведена на рисунке 3.2.

Расположение модулей в корпусе ПУИ определяется конструкцией прибора. В соответствии с требованиями ТЗ корпус будет иметь размеры 146 (±0,3) х228 (±0,3) х204 (мах) мм.

4. Детальная разработка модуля напряжений

Модуль питающих напряжений МН-М предназначен для выработки вторичных питающих напряжений +5В, ±6В, +8В, минус 5В для модулей МУ, МД, МВ, МИ, МГ и KDM500.

Модуль напряжений МН-П предназначен для формирования питающих напряжений дисплейного модуля KDM500 (подогрев ЖК панели, лампа подсвета, подогрева лампы подсвета ЖК панели).

Схема электропитания пульта приведена на рисунке 4.1.

Рис. 4.1 Схема системы питания пульта

4.1 Описание функциональной схемы модуля напряжений

В состав модуля напряжений входят следующие основные функциональные узлы:

1) СПН - получают необходимые номиналы напряжений.

К нашим требованиям ТЗ подошли следующие высокочастотные преобразователи DC-DC фирмы «Александер Электрик», обеспечивающие дополнительное питание:

- СПН27-15-05_В-I (КЦАЯ.436434.001ТУ) - U_вых=+5В, P_{вых.ном}=15Вт, I_{вых.ном}=0,3А;

- СПН27-05-06Д (КЦАЯ.436631.008) - U_вых=±6В P_{вых.ном}=5Вт, I_{вых.ном}=0,42А;

- СПН27-05-09-І (КЦАЯ.436431.005) - U_вых=+9В, P_{вых.ном}=5Вт, I_{вых.ном}=0,55А;

- СПН27-03-05_В-I (КЦАЯ.436434.001ТУ) - U_вых=-5В, P_{вых.ном}=3Вт, I_{вых.ном}=0,6А.

2) Линейный стабилизатор напряжения - т. к. статические преобразователи напряжений не выпускаются для преобразования напряжения из +27В в +8В, используется СПН27-05-09-І, данный преобразователь вырабатывает напряжение +9В, следовательно, для преобразования напряжения из +9В в +8В, в схеме устанавливается линейный стабилизатор напряжения.

3) Ограничитель напряжения - т. к. по ГОСТ 19705-89 допускается наличие бросков напряжения в СЭС до 80 В, а используемые модули СПН по ТУ допускают броски напряжения до 36В, то для защиты СПН от выбросов до 80В в схеме модуля МН необходимо установить ограничитель напряжения.

4) Вольт - добавки (импульсный преобразователь) - доводит питающее напряжение до требуемого уровня (качество электроэнергии по постоянному току аварийного источника СЭС от +18 до +31В), т. к. при нижнем уровне напряжения +16В (с учетом потерь на ФРП и ограничителе напряжения) СПН не будет вырабатывать требуемые номиналы напряжений.

5) Контроль - будет вырабатывать сигнал «исправность МН» при наличии всех номиналов напряжений с допусками, указанными в таблице 4.1. При снятии сигнала «Исправность МН», вычислительный модуль сохраняет необходимую информацию. Контроль осуществляется только по нижнему допуску напряжений, так как статические преобразователи напряжений не будет вырабатывать напряжения выше указанных в ТУ.

На рисунке 4.2 представлена функциональная схема модуля МН-М.

Таблица 4.1. Требуемые значения питающих напряжений и токов для модулей ПУИ

Напряжение (В)	Ток (А)
+ 5,0 ± 0,25	2,0 - 3,0 (100 мВ)
± 6,0 ± 3,0	0,05 - 0,3 (100 мВ)
+ 8,0 ± 0,2	0,1 - 0,3 (100 мВ)
- 5,0 ± 0,2	0,05 - 0,15 (100 мВ)

4.2 Выбор элементной базы модуля напряжения

При выборе элементной базы элементы должны отвечать электрическим параметрам, согласно принципиальной электрической схеме, с учетом электрических требований и выполняемых функций. Электроэлементы должны обладать высокой помехоустойчивостью, низкой потребляемой мощностью и высоким быстродействием.

Микроэлектронные компоненты выбираются в соответствии с электрической принципиальной схемой, представленной на чертеже ДП.6155.001

Э3. Ниже подробно рассмотрен выбор основных функциональных микросхем модуля.

1) СПН - купленные в фирме «Александер Электрик».

2) Линейный стабилизатор напряжения.

Рис. 4.2 Функциональная схема модуля МН-М

Линейный стабилизатор напряжения реализован на базе интегральной микросхемы Н142ЕН19 (DA10), транзисторной оптопары 3ОД129А (DA8), транзистора IRF5210 (VT6).

Напряжение питания микросхемы Н142ЕН19 в соответствии с ТУ должно быть +(2,42,6) В. Резисторы R₄₃, R₄₄, R₄₅ исполняют роль делителя напряжений. Переменный резистор R₄₅ является регулировочным, он необходим т. к. напряжение питания микросхемы Н142ЕН19 по ТУ может меняться.

3) Ограничитель напряжения.

Ограничитель напряжения построен на базе интегральной микросхемы Н142ЕН19 (DA3), транзисторной оптопары 3ОД129А (DA1), транзистора IRF5210 (VT1) и стабилитрона 2С210Ж (VD1).

Микросхема Н142ЕН19 представляет собой интегральный регулируемый прецизионный стабилизатор параллельного типа положительной полярности (интегральный аналог стабилитрона). Н142ЕН19 (бКО.347.098-12ТУ) предназначена для использования в качестве источника опорного напряжения в высококачественной аппаратуре. Предусмотрена возможность установки любого значения выходного напряжения в диапазоне от 2,5В до 36В с помощью двух внешних резисторов.

Вставка плавкая F1 применяется для защиты модуля от возгорания при коротком замыкании, перегрузках, больших переходных сопротивлениях, искрении и электрической дуге.

Микросхема Н142ЕН19 (DA3) включена по бКО.347.098-12ТУ, напряжение питания данной микросхемы +(2,4 2,6) В, резисторы R₁₁ и R₁₃ используются, как делитель напряжения.

Транзисторная оптопара 3ОД129А (DA1) применена для развязки.

Конденсатор С₁ применяется для снижения пульсаций на входе, С1=3300 мФ.

Конденсатор С₄ применяется для снижения пульсаций на входе микросхемы Н142ЕН19, С₄ = 0,15мФ.

Номинальный ток ограничителя напряжений не превышает 2А, поэтому выбираем вставку плавкую ВП1-2В 5А (ОЮО.480.003ТУ).

4) Вольт - добавки (импульсный преобразователь).

Схема вольт добавки (высокочастотный преобразователь) реализована на базе микросхемы 1114ЕУ3, данная микросхема может выполнять следующие функции:

Формирование опорного напряжения

Усиление сигнала рассогласования

Формирование пилообразного напряжения

Широтно-импульсная модуляция

Формирование двухтактного и однотактного выхода

Защита от сквозных токов

Усиление сигнала датчика тока или напряжения

Управление (включение, выключение)

Формирование частотной характеристики

Обеспечение «мягкого» запуска.

В данной схеме не используется функция формирования двухтактного напряжения.

Частота генератора пилообразного напряжения принята 200 КГц, в соответствии с ТУ на 1114ЕУ3 (бКО.347.300-02ТУ).

5) Контроль.

Контроль в модуле МН-М реализован на базе интегральной микросхемы Н142ЕН19 (DA11), транзисторной матрице 1НТ251 (DA9.1, DA9.2), диодов 2Д419Б (VD3, VD4, VD5), транзисторе 2Т3108А (VT7).

Резисторы R₃₅, R₃₆ и R₃₇ являются делителем напряжения +10В. Необходимо чтобы транзистор DA9.1 был закрыт, поэтому напряжение на базе должно быть низким, ток должен быть ~7мА.

Для снижения количества типов номиналов резисторов, резисторы R₃₅, R₃₆ и R₃₇ выбраны номиналом 909 Ом.

Пара резисторов R₄₆, R₄₇ является делителем напряжения +8 В, резисторы R₄₈, R₄₉ являются делителем напряжения +5 В, резисторы R₅₀, R₅₁ являются делителем напряжения +6 В. Данные резисторы должны делить входные напряжения так, чтобы напряжение питания микросхемы Н142ЕН19 было не ниже 2,4 В.

Модуль МН-М конструктивно состоит из двух плат.

На МПП располагаются элементы узлов ограничителя напряжений, вольт - добавки, линейного стабилизатора и цепь контроля.

Статические преобразователи напряжений СПН являются наиболее теплонапряженными и имеют сравнительно большие габаритные размеры.

Целесообразно данные элементы выделить на другую плату.

Плата 2 металлическая, что позволяет отвести тепло со статических преобразователей напряжений и, тем самым, снизить эксплуатационные нагрузки, повысить надежность. Т.о. на плате металлической располагаются статические преобразователи напряжений СПН 15 05_В-I, СПН 27-05 06 Д, СПН 05 09_В-I, СПН 03 05_В-I и конденсаторы емкостью 6800 пФ (предусмотренные схемой подключения).

Модуль питающих напряжений МН-П предназначен для обеспечения электропитанием подогревателя лампы, подсвета лампы и обеспечения включения подогревателя ЖК панели через электронный ключ. Сигнал включения электронного ключа поступает с модуля МГ52. В схеме модуля предусмотрена защита выходных цепей от бросков входного напряжения при переходных процессах в бортовой сети. Данный модуль разрабатывать не надо, он взят из ранее разработанных МН для ПУИ.

При питании модуля от аварийного источника электропитания при нижнем значении входного напряжения в модуле имеется высокочастотный преобразователь (узел вольт - добавки), обеспечивающий дополнительное питание.

Цепи входных напряжений защищены от короткого замыкания плавкими предохранителями.

4.3 Проектирование печатной платы

Печатные платы в общем случае представляют собой пластину, содержащую необходимые отверстия и токопроводящий рисунок, который может быть выполнен на поверхности платы, так и в ее объеме, сформированный проводниками, соединяющими электрорадио элементы в соответствии с электрической схемой. По конструктивному исполнению печатные платы подразделяются на односторонние, двусторонние и многослойные. Многослойные печатные платы (МПП) по сравнению с первыми двумя типами обладают следующими преимуществами:

1) большей плотностью размещения печатных проводников;

2) меньшими потерями сигналов в них;

3) меньшими удельными массами и габаритами, приведенными к одному слою.

Проектирование топологии

К печатным платам предъявляется ряд требований в соответствии с ГОСТ 23751-86 и ГОСТ 10317-79:

- Максимальный размер любой из сторон ПП не должен превышать 470 мм. Это ограничение определяется требованиями прочности и плотности монтажа.

- Соотношения размеров сторон ПП для упрощения компоновки блоков и унификации размеров ПП рекомендуются следующие: 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 3:2, 5:2 и т. д.

- При разбиении схемы на слои следует стремиться с минимизации числа слоев, это диктуется экономическими соображениями.

- По краям платы следует предусматривать технологическую зону шириной 1,5-2,0 мм. Размещение установочных и других отверстий, а также печатных проводников в этой зоне не допускается.

- Все отверстия должны располагаться в узлах координатной сетки. В крайнем случае хотя бы первый вывод микросхемы должен располагаться в узле координатной сетки.

- На печатной плате должен быть предусмотрен ориентирующий паз (или срезанный левый угол) или технологические базовые отверстия, необходимые для правильной ориентации платы.

- Печатные проводники следует выполнять минимально короткими.

- Прокладка рядом проводников входных и выходных цепей нежелательно во избежание паразитных наводок.

- Проводники наиболее высокочастотных цепей прокладываются в первую очередь и имеют благодаря этому наиболее возможно короткую длину.

- Заземляющие проводники следует изготовлять максимально широкими.

- Минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка на плате должно быть:

а) для изделия класса точности 3 - 0,2 мм;

б) для изделия классов точности 4 и 5 - 0,1 мм.

- При компоновке печатной платы стремятся достигнуть максимального заполнения ее поверхности навесными элементами и разместить их так, чтобы обеспечить кратчайшие связи между ними, выполняемые печатными проводниками.

Исходными данными для проектирования печатной платы является электрическая принципиальная схема модуля МН-М.

Результатом разработки является МПП (4 проводящих слоев) 4 класса точности, с двусторонним расположением ЭРЭ, размер платы 115х160 мм, (чертеж ДП.6155.005).

Выбор метода изготовления печатных плат

Изготовление печатных плат (ГОСТ 20406-75) осуществляется химическим, электрохимическим или комбинированным способом.

По виду соединений между слоями изготовление МПП имеет следующие разновидности:

- металлизация сквозных отверстий;

- попарное прессование;

- послойное наращивание.

- открытые контактные площадки;

- выступающие выводы.

Таблица 4.2. Сравнительные характеристики конструкторско-технологических методов изготовления печатных плат

Метод	Характеристики
	Плотность монтажа	Число слоев	Стоимость	Надежность соединений	Тип выводов элементов
1. Химический метод	Наиболее низкая	1	Низкая	Низкая	Штыревые, планарные
2. Комбинированный метод	Выше 1	2	Низкая	Средняя	Штыревые, планарные
3. Метод попарного прессования	Выше 2	До 4	Низкая	Низкая	Штыревые, планарные
4. Метод открытых контактных площадок	Выше 3	До 8	Низкая	Высокая	Штыревые, планарные
5. Метод выступающих выводов	Выше 4	До 15	Высокая	Высокая	Планарные
6. Метод металлизации сквозных отверстий	Выше 5	До 20	Низкая	Средняя	Штыревые, планарные
7. Метод послойного наращивания	Самая высокая	До 5	Высокая	Высокая	Планарные

Исходя из соображений технологичности производства, выбирается метод металлизации сквозных отверстий, так как он наиболее подходит к выбранной схеме мелкосерийного производства. Так как на мелкосерийном производстве используется автоматизация производства, для разработки чертежей платы используется программа автоматической трассировки P-CAD 2001, которая создала 4 слоя платы размером 115160 мм. Из этого получается один двухсторонний слой и два односторонних слоя для внешних слоёв.

Выбор материала для основания печатных плат

Заготовки для печатных плат представляют собой несколько спрессованных слоев диэлектрика, покрытых медной фольгой. Диэлектрики можно разделить на две группы: на бумажной основе и на основе стеклоткани. Эти материалы в виде жестких листов формируются из нескольких слоев бумаги (гетинакс) или стеклоткани (стеклотекстолит), скрепленных между собой связующим веществом путем горячего прессования. Для ПП, эксплуатирующихся в сложных климатических условиях, а также для высококачественной аппаратуры используют более дорогие, обладающие лучшими техническими характеристиками стеклотекстолиты. Они отличаются широким диапазоном рабочих температур (-60… +150 °С), низким (0,2… 0,8 %) водопоглощением, высокими значениями объемного и поверхностного сопротивлений, стойкостью к короблению.

Большинство диэлектриков выпускается промышленностью с проводящим покрытием из тонкой медной (реже никелевой или алюминиевой) электролитической фольги, которая для улучшения прочности сцепления с диэктрическим основанием с одной стороны оксидирована или покрыта слоем хрома (1… 3 мкм). Толщина фольги стандартизирована и имеет значения 5, 18, 35 и 50, 70, 105 мкм. Фольга характеризуется высокой чистотой состава (99,5 %), пластичностью, высотой микронеровностей 0,4… 0,5 мкм.

Соединение отдельных слоев МПП осуществляют специальными склеивающими прокладками, которые изготавливают из стеклоткани, пропитанной недополимеризованной эпоксидной смолой.

Марки стеклотекстолитов и стеклотканей приведены в таблице 4.3.

В качестве материала МПП выбран стеклотекстолит, толщиной 2 мм фольгированный с одной стороны: СТФ_1-38-0,2 ТУ 15-503.161-83, толщина фольги 38 мкм и стеклотекстолит фольгированный с двух сторон: СТФ_2-38-0,8 ТУ 15-503.161-83. Данная марка имеет необходимую толщину, стойкая к агрессивным средам и обеспечивает хорошее сцепление с диэлектриком.

В качестве прокладочного материала между слоями МПП выбрана стеклоткань СПТ_4-0,062 ТУ 15-503.215-81.

Металлические платы изготавливаются из алюминия и алюминиевых сплавов (см. таблицу 4.4). Преимуществом металлических плат является сравнительно невысокая стоимость, неограниченные размеры, высокая теплопроводность, лучшая помехозащищенность, высокая прочность и теплостойкость. К недостаткам относится высокая удельная емкость проводников и большая масса.

Для металлической платы выбран сплав В95, т. к. является самым прочным.

Таблица 4.3. Материалы, используемые для изготовления печатных плат

Материал	Марка материала	Толщина фольги, мкм	Характеристика	Толщина материала, мм
Стеклотекстолит фольгированный, Н - нагревостойкий	СТФ_1-35 СТФ -2-35 СТФ -1-50 СТФ -2-50 СТФ -1Н_50 СТФ -2Н_35	35 35 50 50 50 35	Облицованный медной фольгой с гальваностойким покрытием	0,8 - 3,0 0,8 - 3,0 0,5 - 3,0 0,5 - 3,0 0,8 - 3,0 1,5-3,0
Стеклотекстолит фольгированный, теплостойкий, негорючий	СТИФ_1-35 СТИФ_1-18 СТИФ_2-35 СТИФ_2-18 СТИФ_1-18	35 18 35 18 18	Предназначен для изготовления МПП методом сквозной металлизации отверстий	0,08; 0,1; 0,13; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3; 0,35; 0,5; 0,8; 1; 1,5; 2; 2,5;
Стекло-текстолит фольгированный травящий	ФТС_1/2-18А ФТС_1/2-35А	0,1; 0,12; 0,14; 0,15; 0,18; 0,19; 0,23; 0,27	Гальваностойкая фольга с высокопрочным адгезионным слоем	18; 35
	ФТС_1-18Б ФТС_2-18Б		Гальваностойкая фольга.	18; 35
Стеклоткань прокладочная	СП_1 СП_2	-	-	0,025 0,060
Стеклоткань прокладочная	СПТ_4	-	-	0,062

Таблица 4.4. Характеристики алюминиевых сплавов

Марка алюми-ниевого сплава	Массовая доля элементов, %	Механические свойства	Удельный вес
		Предел текучести, МПа (кгс/ммІ), не менее	Временное сопротивле-ние, МПа (кгс/ммІ), не менее
	Al	Si	Cu	Zn	Ti	Проч.
АМг6	99,3	0,3	0,3	0,05	0,05	-	305	145	2,73
Д16	99,1	0,3	0,3	0,1	0,15	0,05	420	275	2,78
В95	98,05	0,3	0,3	1,1	0,15	0,1	490	410	2,85

4.4 Разработка конструкции модуля напряжений

Выбор припоя

Припой - металл или сплав, предназначенный в качестве связующего материала для соединения радиодеталей, радиокомпонентов и проводов в радиоэлектронной аппаратуре и изделий из различных металлов и сплавов. В расплавленном состоянии припой должен иметь хорошую текучесть обладать хорошей смачиваемостью, обеспечить надёжное соединение паяных поверхностей с высокой механической прочностью и низкое переходное сопротивление. Припой должен иметь более низкую температуру плавления, чем соединяемые металлы.

В зависимости от состава компонентов, входящих в состав припоя они разделяются на лёгкоплавкие и тугоплавкие припои. Основными припоями для пайки всего монтажных элементов РЭА являются низкотемпературные припои, характеристики которых приведены в таблице 4.5.

Таблица 4.5. Марки и характеристики лёгкоплавких припоев

Марка припоя	Состав, %	Температура плавления, начальная - конечная, С	Временное сопротивление разрыву при 20С, МПа	Удельное электрическое сопротивление х 108, Ом·м
ПОС 40	Олово - 40 Свинец - 60	183 - 238	37,3	15,9
ПОС 61	Олово - 61 Свинец - 39	183 - 190	42,2	13,9
ПОСК 50-18	Олово - 50 Свинец - 32 Кадмий - 18	142 - 145	39,2	13,3
ПОССу 40-0,5	Олово - 40 Свинец - 59,5 Сурьма - 0,5	183 - 235	39,2	16,9
ПОССу 61-0,5	Олово - 61 Свинец - 38,5 Сурьма - 0,5	183 - 189	44,1	14,0

Для МПП и платы металлической выбираем припой ПОС 61 ГОСТ 21931-76. Припой почти мгновенно переходит из жидкого состояния в твердое, обладает повышенной растекаемостью и коррозионной стойкостью, а также имеет более низкие температуры пайки.

Выбор клеящего материала

При изготовлении узлов электрорадиоаппаратуры в основном применяют смоляные клеи (таблица 4.6) и мастика. При изготовлении радиоэлектронной аппаратуры часто используется мастика У_9М (наполнитель - нитрид бора 30 %).

Для МПП выбран клей ВК_9 в связи с его широким распространением и дешевизной. Для платы металлической выбрана мастика У_9М.