Электроника. пример2. Анализ задания

• Название: Анализ задания
• Анкор: Электроника
• Дата: 29.04.2022
• Размер: 338.81 Kb.
• Имя файла: пример2.docx
• Тип: Документы; #504810

Оглавление

Введение 1

1.Анализ задания 2

2. СХЕМО – ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 5

3.Выбор электрической – компонентной базы 7

4.Конструирование печатной платы 13

5.Разработка монтажных отверстий и контактных площадок 15

Приложение А Трассировка ПП 17

Заключение 18

Список используемой литературы 19

Введение

В данной курсовой работе будет рассмотрена схема USB осциллографа на микроконтроллере ATTINY45-20. Будет произведен выбор ЭКБ исходя из требований прибора. При выполнении данной работы будет выполнен ряд необходимых расчётов, чертежей и списков для возможного использования в производстве.

Данный прибор предназначен для наблюдения зависимости между двумя или несколькими быстро меняющимися величинами (электрическими или преобразованными в электрические).

1. Анализ задания

В процессе выполнения курсовой работы требуется разработать макет ПП для данного устройства, используя полученную исходную ниформацию. Для выполнения этого требуется выполнить ряд задач:

Определение назначения и функционирования схемы:

Мне была выдана в соответствии с вариантом схема USB осциллографа . Для того, чтобы начать работу требуется получить больше данных о проектируемом изделии.

Осциллограф - измерительный прибор для наблюдения зависимости между двумя или несколькими быстро меняющимися величинами (электрическими или преобразованными в электрические). Наиболее распространены электронно-лучевые осциллографы, в которых электрические сигналы, пропорциональные изменению исследуемых величин, поступают на отклоняющие пластины осциллографической трубки; на экране трубки наблюдают или фотографируют графическое изображение зависимости.

Микроконтроллеры AVR фирмы ATMEL, появившись на рынке интегральных микросхем в 1996 г., сразу же привлекли к себе внимание разработчиков электронной аппаратуры. Удачное сочетание RISC-архитектуры ядра, обеспечивающей высокую производительность, с широким набором команд, Flash-памятью для программ быстро продвинуло микроконтроллеры AVR занимает главные позиции на рынке.

На смену микроконтроллерам первых семейств Tiny и Classic пришло новое поколение микроконтроллеров Mega. Сохранив программную совместимость, микроконтроллеры Mega обрели новые возможности: пониженные напряжения питания до 2.7в и энергопотребление, повышенное быстродействие до 16Мгц, и объем Flash-памяти до 128Кбайт.

AVR - самая обширная производственная линии среди других флэш-микроконтроллеров корпорации Atmel. Atmel представила первый 8-разрядный флэш-микроконтроллер в 1993 году и с тех пор непрерывно совершенствует технологию. Прогресс данной технологии наблюдался в снижении удельного энергопотребления (мА/МГц), расширения диапазона питающих напряжений (до 1.8 В) для продления ресурса батарейных систем, увеличении быстродействия до 16 млн. операций в секунду, встраиванием эмуляции в реальном масштабе времени, реализации функции самопрограммирования, совершенствовании и расширении количества периферийных модулей, встраивании специализированных устройств (радиочастотный передатчик, USB-контроллер, драйвер ЖКИ, и т.д)

Я выбрал микроконтроллер на базе Attiny 45-20, так как он обладает высокой производительностью, увеличенным быстродействием до 16 млн. операций в секунду, низким энергопотреблением в режиме ожидания и уменьшенным шумом выключения, а так же он способен работать до 10.000 тысяч часов в режиме: записи/стирания.

В основе схемы стоит микроконтроллер ATTINY45-20.Осциллограф имеет два аналоговых входа и питается от USB-интерфейса. Один вход задействован через потенциометр, что позволяет уменьшать уровень входного сигнала.

Выбор ЭКБ с учетом особенностей

Наиболее важными критериями для выбора элементов я считаю:

полное соответствие характеристик элементов представленным характеристикам

назначение элемента (назначение цепи, в которой он устанавливается);

режим цепи, в которую включен элемент (рабочая частота, параметры импульсов, ток, напряжение и т.д.);

электрический номинал элемента и основные его параметры (величина сопротивления, номинальная рассеиваемая мощность, величина емкости и т. д.);

условия эксплуатации проектируемого устройства (температура окружающей среды, атмосферное давление, влажность окружающего воздуха, параметры механических воздействий).

цену и доступность на рынке в данный момент времени

2. СХЕМО – ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Требуется отдельно рассмотреть схемо – техническую часть заданного устройства.

Рис.1 Схема USB осциллографа на базе микроконтроллера ATTINY45-20

Микропроцессор используется как обрабатывающее и управляющее устройство, выполненное с использованием технологии БИС (часто на одном кристалле) и обладающее способностью выполнять под программным управлением обработку информации, включая ввод и вывод информации, арифметические и логические операции и принятие решений.

Микроконтроллер - это микро-ЭВМ с небольшими вычислительными ресурсами, обедненной периферией и упрощенной системой команд ориентированная не на производство вычислений, а на выполнение процедур логического управления различным оборудованием. Контроллеры часто применяют в качестве встраиваемых в различные станки, машины, технологические процессы.



Простейшая структурная схема осциллографа (рис. 1) состоит из трех элементов: усилителя вертикально отклоняющего напряжения Ux, генератора развертки G и ЭЛТ. Формирование осциллограммы осуществляется следующим образом:

Исследуемое напряжение (его мгновенное значение во времени) Ux через усилитель подают на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Под действием этого напряжения электронный луч отклоняется по оси ординат на Y = kSY ·t), где: k – коэффициент усиления усилителя; SY – чувствительность трубки по оси ординат.

оциллоаф микроконтроллер схема измерительный



Рисунок 1 - Блок схема ATTINY 45-20

Выбор электрической компонентной базы и ее характеристика

Так как в заданной схеме нет чётких требований к используемым элементам - их выбор будем производить самостоятельно исходя из характеристик схемы.

Следует выделить основные критерии для выбора элементов

Соответствие указанным характеристикам

Знакомство с этими элементами

Дешевизна

3. Выбор электрической – компонентной базы

Рис.3 Габариты резистора
Резисторы

№ Резистора	Наименование	Номинальн. сопротивление, кОм	Рассеив. мощность, Вт	Точность, %
R1	CF-25	0,068	0,125	+-5
R2	CF-25	0,3	0,125	+-5
R3	CF-25	0,068	0,125	+-5
R4	CF-25	1,5	0,125	+-5

Табл. 1 Характеристика резисторов

Тип	Размеры, (мм)					Макс. рабочее напряжение
	H	D	L	d
С1-4 – 0,125 Вт	6	2,3	28	0,6	250

Табл. 2 Габариты резисторов

Резисторы подбирал из соображений дешевизны и соответствию заданному сопротивлению.

Светодиод

В схеме присутствует один светодиод, он нужен для индикации работы осциллографа. Никаких особенных требований к нему нету, было принято решение взять зелёный светодиод АЛ307НМ.

Материал	gap
Цвет свечения	зелёный
при токе Iпр.,мА	20
Цвет линзы	зелёный матовый
Размер линзы,мм	5
Максимальное прямое напряжение ,В	2,8
Максимальное обратное напряжение ,В	2
Максимальный импульсный прямой ток,мА	60
Рабочая температура ,С	-60…70
Вес, г	0.35

Рис.4 Габариты светодиода

Стабилитроны

Стабилитроны должны понижать питание до 3,6 В. Для этого подойдут одни из самых дешёвых 1N4729A



Рис. 5 Габариты стабилитрона

Мощность рассеяния,Вт	1
Номинальное напр. стабилизации,В	3,6
Максимальный ток стабилизации Iст.макс., мА	252
Рабочая температура,С	-55…200
Корпус	do41
Вес, г	0.4

Табл. 3 Характеристики 1N4729A

Конденсаторы

Требуется подобрать 4 конденсатора 100 нФ в количестве 3 шт и 47 Пф, в количестве 1 шт.

№ Конденс.	Наименование	Номинальн. сопротивление, Ф	Рабочее напряжение, В	Точность, %
С1 С3 С4	К10-17Б	100 нФ	100	+-10
С2	К10-17Б	47 пФ	50	+-5

Рисунок 6 габариты конденсатора

Для С1,С3,С4:

W = 5 мм

A = 5 мм

L = 7,5 мм

H = 4,5 мм

Для С2 :

W = 9 мм

A = 7,5 мм

L = 11,5 мм

H = 5 мм

Микросхема

Основа нашей схемы, уже выбрана, это ATtini 45 - 20 в корпусе PDIP 8P3 8



Рис. 1 Габариты микроконтроллера ATtini 45 - 20

Потенциометр

Бюджетный китайский потенциометр 20 Ом



Рис. 6 габариты потенциометра

Разъемы

Для наиболее удобного подключения к ПК было рекомендовано использовать угловую USB вилку, в качестве неё взял DS1095 B-R модели USBA1J, как один из самых бюджетных вариантов.



Далее мне необходимы 2 разъёма типа BNC рекомендованных преподавателем, наиболее удобным на мой взгляд будет разъём для монтажа в панель устройства BNC R/A SHIELDED PCB SOCKET

4.Конструирование печатной платы

Выбор критериев проектирования ПП

Выбор материала печатной платы

Вид	Состав	Tg	Dk	Стоимость
FR4	Слоистый эпоксидный материал из стекловолокна	> 130°C	4.7	1 (базовая)
FR4 High Tg, FR5	Материал со сшитой сеткой, повышенная термостойкость (RoHS-совместимый)	> 160°C	4,6	1,2…1,4
RCC	Эпоксидный материал без стеклянной тканой основы	> 130°C	4,0	1,3…1,5
PD	Полиимидная смола с арамидной основой	260°C	3,5–4,6	5…6,5
PTFE	Политетрафлуор-этилен со стеклом или керамикой (СВЧ)	240–280°C	2,2–10,2	32…70

Мною был выбран материал марки fr4 тк особенного температурного режима работы у устройства нет, а материал наиболее дёшев.

При анализе схемы, мною были выбраны следующие характеристики :

Толщина материала – 1,5 мм

Толщина фольги – 35 мкм

Травление платы будет происходить химическим методом из – за доступности и простоты этого способа.

Рассчет минимальной ширины печатного проводника

Для ATini 45 20 есть следующие ограничения по максимальному току:

Максимальный ток линии ввода/вывода: 5 мА

Максимальный ток по линии питания VCC и GND: 150мА

Определяем минимальную ширину печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления, мм:

(1)

I_max - максимальная сила тока, которую может дать USB порт персонального компьютера, данный лимит установлен в 500мА

I_max = 200 мА

j – допустимая плотность тока, выбирается в зависимости от метода изготовления ПП. При химическом методе

j = 15 А/мм²

t – толщина проводника (см. выше)

t = 35 мкм

Рассчитаем этот показатель :



Определяем минимальную ширину проводника, мм, исходя из допустимого падения напряжения на нем :

(2)

ρ — удельное объемное сопротивление. Выбирается в зависимости от метода изготовления ПП

ρ = 0,05 Ом·мм²/м

I_{max —} максимальная сила тока для линий данных и других. Достаточно надёжным заделом на прочность считаю 2 раза.

I_max = 2*150 = 300 мА.

l — длина проводника. Выбрал на основе самой длинной линни проводника, а именно линии INPUTS, думаю она будет достигать в длину до 0.15 м, возьмём ещё треть от этой длины в качестве запаса.

l = 0,2 м

U_доп — допустимое падение напряжения, определяется путём анализа электрической схемы, не должно превышать 5% от напряжения питания. Допустим в моём случае это будет 3% от напряжения питания USB (5В)

U_доп = 0,03 5 = 0,15 В

Рассчитаем :

= (мм)

5. Разработка монтажных отверстий и контактных площадок

Для разьёмов и потенциометра рассчет отверстий производить не требуется, тк он уже произведён производителями.

Определяем номинальное значение диаметров монтажных отверстий d:

d = dэ +|Δdн.о.|+ r (3)

где dэ – максимальный диаметр вывода устанавливаемого ИЭТ, мм;

Элемент	dэ
CF-25	0,6
АЛ307НМ	0,6
1N4729A	0,9
К10-17Б	0,6
ATtini 45 - 20	0,22

Δdн.о.– нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия (определяется классом точности ПП и диаметром отверстия по таблице 2), мм;

Δdн.о. = 0,15 мм

r – разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ИЭТ, ее выбирают в пределах 0,1…0,4 мм, решил взять величину 0,3 мм.

r = 0,3 мм

Элемент	d
CF-25	1,05
АЛ307НМ	1,05
1N4729A	1,35
К10-17Б	1,05
ATtini 45 - 20	0,67

Расчёт диаметра контактных площадок.

Минимальный диаметр контактных площадок для ОПП и внутренних слоев МПП, изготовленных химическим методом:

Dmin = D1min +1,5t + 0,03, (4)

где t - толщина фольги;

D1min - минимальный эффективный диаметр площадки:

D1min = 2(bi + dmax / 2+ δd+ δр), (5)

где bi - расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки;

bi = 0,045 мм

δd и δр - допуски на расположение отверстий и контактных площадок (таблица 2);

δd = 0,25; δр = 0,3

dmax - максимальный диаметр просверленного отверстия, мм:

dmax = d + Δd +(0,1…0,15),

Допуск на отверстие Δd:

Если d>1_мм= ± 0,10

Если d<1_мм = ± 0,05

Элемент	d max	D min
CF-25	1,05	2,58
АЛ307НМ	1,05	2,58
1N4729A	1,35	2,88
К10-17Б	1,05	2,58
ATtini 45 - 20	0,67	2.2

dmax = 1,35 + 0,1 + 0,15 = 1,6 мм

D1min = 2 (0,045 + 1,6/2 + 0,25 + 0,3) = 2,79 мм

Dmin = 2,79 + 1,5 0,035 + 0,03 = 2,8725 мм = 2,88 мм

На основании всего вышеперечисленного была выполнена трассировка печатной платы.

Приложение А Трассировка ПП

Заключение

В данной курсовой работе была выполнена разработка печатного узла для USB осциллографа на базе микроконтроллера AT 45 – 20. В процессе выполнения курсовой работы я получил знания и навыки разработки печатного узла. Получил опыт в конструировани электронных устройств, а также научился выбирать из многообразия предложений современного рынка экономически целесообразные для создания электронного устройства. Мною был получен опыт в разработке Электрической принципиальной схеме, Топологии и Сборочном чертеже. Изучил документы, необходимые для создания конструкторской документации, также наработал навык в разработке чертежей с учётом требований ЕСКД, а также отдельных тебований ГОСТ и ОСТ.

Список используемой литературы

1. 
   Методические указания к курсовой работе по дисциплине : «Основы конструирования электронных средств». Дителева А.О. Москва, 2018 г.
   
2. 
   https://chipenable.ru сведения об устройстве
   
3. 
   https://www.chipdip.ru ( документация+поиск элементов )