ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
РАЗРАБОТКА АНАЛОГОВОГО УЗЛА НА ПЕЧАТНОМ МОНТАЖЕ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является изучение современных методов конструирования аналоговых функциональных узлов, работающих на частотах в десятки мегагерц и выполненных с использованием печатного монтажа.
2. ЗАДАНИЕ НА ЛАБОРАТОРНУЮ РАБОТУ
Студенту выдается индивидуальное задание, которое содержит:
- схему электрическую принципиальную с указанием основных параметров используемых элементов;
- величину напряжений источников питания;
- вид радиоэлектронного средства в котором используется данный функциональный узел;
- условия эксплуатации радиоэлектронного средства.
3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
В зависимости от назначения, условий эксплуатации и объекта установки ЭС определяются ограничения и принципиальные возможности конструирования, изготовления и эксплуатации изделия.
Условия эксплуатации также накладывают ряд дополнительных ограничений на выбор элементной базы. Так, изделия, эксплуатируемые в условиях умеренного климата, должны сохранять свои технические параметры при положительных (до +40°С) и отрицательных температурах (до -45°С), относительной влажности воздуха не более 75%. В случае эксплуатации ЭС в тропическом влажном климате требуется устойчивость электрорадиоэлементов и материалов к повышенной влажности, температуре, образованию конденсата. Следовательно, зная объект установки и условия эксплуатации проектируемого устройства, необходимо при выборе элементной базы учитывать её климатическое исполнение, конструкцию и материал корпуса, устойчивость к тепловым и механическим воздействиям.
ГОСТ 16019-2001 устанавливает требования к аппаратуре по стойкости к воздействию механических и климатических факторов и определяет семь групп аппаратуры в зависимости от объекта установки:
- С1 - стационарная, эксплуатируемая в отапливаемых наземных и подземных сооружениях;
- С2 - стационарная, размещаемая под навесом на открытом воздухе, а также в неотапливаемых наземных и подземных сооружениях;
- В3 - возимая во внутренних помещениях на речных судах;
- В4 - возимая на автомобилях, мотоциклах, сельскохозяйственной, дорожной и строительной технике;
- В5 - возимая на железнодорожном транспорте;
- Р6 - носимая в одежде или под одеждой оператора, а также в отапливаемых наземных и подземных сооружениях;
- Н7 - носимая на открытом воздухе или в неотапливаемых наземных и подземных сооружениях.
Например, персональный компьютер относится к группе C1, автомагнитола - к группе В4, а сотовый телефон - к группе Р6.
ГОСТ 15150-69 определяет исполнения машин, приборов и других технических изделий для различных климатических районов, устанавливает категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования с учётом воздействия климатических факторов внешней среды. Стандартом предусмотрено одиннадцать вариантов климатических исполнений, внутри которых дополнительно выделяются категории:
- Исполнение У - макроклиматический район с умеренным климатом с температурой -45…+45оС;
- Исполнение УХЛ - макроклиматический район с умеренным и холодным климатом с температурой -60… +40оС;
- Исполнение ХЛ - макроклиматический район с холодным климатом;
- Исполнение ТВ - макроклиматический район с тропическим влажным климатом с температурой более +20оС в сочетании с относительной влажностью более 80%, действующее на изделие более 12 часов в течение более двух месяцев (+1…+45оС);
- Исполнение ТС - макроклиматический район с тропическим сухим климатом с температурой +40оС;
- Исполнение Т - макроклиматический район как с влажным, так и с сухим тропическим климатом;
- Исполнение О - общеклиматическое исполнение для макроклиматических районов суши, кроме районов с очень холодным климатом (-60…+40оC);
- Исполнение М - макроклиматический район с умеренно-холодным морским климатом с расположением севернее или южнее 30о широты (-10…+45оС);
- Исполнение ТМ - макроклиматический район с тропическим морским климатом с расположением между 30о северной широты и 30о южной широты (+1…+45оC);
- Исполнение ОМ - макроклиматический район с умеренно-холодным и тропическим морским климатом, для кораблей и судов с неограниченным районом плавания (-40…+45оC);
- Исполнение В - всеклиматическое исполнение для всех макроклиматических районов суши и моря, кроме районов с очень холодным климатом (кроме Антарктиды) с температурой - 60…+45оС.
Например, для климатического исполнения УХЛ 4.1 нормальными значениями климатических факторов внешней среды при эксплуатации являются рабочие температуры воздуха от +10°С до +25°С при относительной влажности не более 80%.
Рассмотренные стандарты взаимно дополняют друг друга и используются совместно.
Получив задание, студент должен выяснить, по имеющимся в конструкторском кабинете нормативным документам (ГОСТы и ОСТы) количественные величины воздействующих дестабилизирующих факторов по климатическому и механическому воздействию на данную РЭС.
Проанализировать работу принципиальной электрической схемы и в случае необходимости, провести прикидочные расчеты по определению номиналов и мощности отдельных элементов.
С учетом работы элементов в схеме и условий эксплуатации РЭС, по имеющимся справочникам, произвести выбор всех используемых электрорадиоэлементов
Изучить последовательность и основные этапы разработки печатных плат, варианты установки на них навесных элементов, правила трассировки печатных проводников, используемые материалы в печатных платах и технологию получения печатного рисунка и платы в целом.
Ознакомиться со спецификой выполнения высокочастотного печатного монтажа, обратив внимание на особенности выполнения печатных плат с двухсторонним печатным монтажом.
Только после изучения этих вопросов можно переходить к выполнению компоновочного чертежа. Рекомендуется этот чертеж выполнять в масштабе 4:1 (допускается использовать масштаб 2:1). Чертеж выполняется со стороны размещения навесных элементов.
После утверждения преподавателем компоновочного чертежа, студент приступает к разработке сборочного чертежа узла и чертежа электрической принципиальной схемы.
По заданию преподавателя студент проводит один или несколько конструкторских расчетов. Определение резонансной частоты платы с элементами, расчет паразитных параметров печатного монтажа, расчет теплостока и т. п.
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
В задании на лабораторную работу указывается вид аппаратуры (приемная, передающая и т. д.) и вид носителя. При разработке ТТТ следует внимательно прочитать лекционный материал и разделы учебника [1], где описывается особенность работы РЭС на различных объектах-носителях. После этого, в зависимости от задания, ознакомиться с нормативными документами, соответствующим данной аппаратуре.
ГОСТ 11478-88. Бытовая радиоэлектронная аппаратура;
ГОСТ 16019. Связная радиоэлектронная аппаратура;
НО.000.005. Военная радиоэлектронная аппаратура;
ГОСТ 15150-69. Категории исполнения РЭС по климатическому воздействию.
Выписки из перечисленных ГОСТов в части дестабилизирующих факторов имеются в конструкторском кабинете кафедры КРЭА и МЭ.
Анализируя работу принципиальной электрической схемы следует определить ориентировочные значения индуктивностей частотнозадающих цепей, исходя из указанной рабочей частоты функционального узла и заданных номиналов контурных конденсаторов. После этого следует выбрать каркас катушки индуктивности и провести расчет числа витков обмоточного провода. Целесообразно диаметр обмоточного провода выбирать в пределах 0,2...0,4 мм, используя провод марки ПЭВ-1 или ПЭВ-2.
Число витков однослойной катушки можно найти, используя выражение
 [мкГн],
где  - площадь сечения катушки, мм2;
 - длина обмотки, мм:  ;
 - шаг намотки (расстояние между витками), мм;
 - число витков;
 - магнитная проницаемость среды.
Необходимо помнить, что использование магнитного сердечника в катушке приводит к увеличению индуктивности, а диамагнитного (латунного) вызовет ее уменьшение.
Для защиты окружающего пространства от электромагнитного поля катушки необходимо предусмотреть экран, внутренний размер которого должен быть не менее 2-х диаметров катушки индуктивности. В этом случае потерями добротности катушки, за счет вносимого сопротивления материала экрана, можно пренебречь. В качестве материала экрана можно использовать латунь или пластичный алюминиевый сплав. При этом необходимо помнить, что экран должен быть соединен с корпусом.
Мощность резисторов должна быть определена исходя из напряжения источников питания и допустимых коллекторных токов активных элементов (транзисторов).
Печатная плата является основным несущим элементом функционального узла и представляет собой изоляционное или металлическое основание, на котором нанесен рисунок проводников, земляного поля и контактных площадок. С помощью контактных площадок осуществляется электрическое соединение печатного проводника с выводом навесного элемента. Применение печатных плат позволяет автоматизировать процесс проектирования, производственного изготовления и монтажа функциональных узлов. Это создает условия высокой повторяемости изделий и в конечном счете, повышает их надежность. По конструкции печатные платы с жестким и гибким основанием делятся на типы: односторонние, двусторонние и многослойные. При выборе типа печатной платы для разрабатываемой конструкции печатного узла следует учитывать технико-экономические показатели.
После определения всех типов используемых элементов (SMD элементы или с гибкими выводами) необходимо определить потребную площадь печатной платы для их размещения. По ОСТ 4Г0.010.030 часть 1 и 2 и справочникам определяют для каждого элемента его установочные размеры. При этом следует иметь в виду, что для бортовых и корабельных РЭС рекомендуется шаг координатной сетки 1,25 мм, для всех остальных РЭС - шаг 2,5 мм.
ГОСТ 2.3751-81 на основные параметры конструкции печатных плат устанавливает пять классов точности печатных плат (ПП) и гибких печатных кабелей (ГПК). Точность изготовления ПП зависит от комплекса технологических параметров и с практической точки зрения определяет основные параметры элементов ПП (табл.2. 1). В конструкторской документации на ПП должно содержаться указание на соответствующий класс точности, который обусловлен только уровнем технологического оснащения производства. Поэтому выбор класса точности всегда связан с конкретным производством.
Таблица 2. 1
НОМИНАЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОВОДЯЩЕГО РИСУНКА
Условные обозначения
|
Класс точности
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
Ширина проводящей дорожки
|
0,75
|
0,45
|
0,25
|
0,15
|
0,10
|
Расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка
|
0,75
|
0,45
|
0,25
|
0,15
|
0,10
|
Ширина кольца металлизации контактной площадки
|
0,30
|
0,20
|
0,10
|
0,05
|
0,025
|
Отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы
|
0,40
|
0,40
|
0,33
|
0,33
|
0,20
|
Шаг координатной сетки, мм (в скобках даны непредпочтительные значения)
|
2,50
(1,25)
|
2,50
(1,25)
|
1,25
2,50
(0,50)
|
1,25
2,50
(0,50)
|
1,25
2,50
(0,50)
|
Изготовление печатных плат пятого класса требует применения уникального высокоточного оборудования, специальных (как правило, дорогих) материалов, безусадочной фотопленки и даже создания в производственных помещениях «чистой зоны» с термостатированием. Таким требованиям отвечает далеко не каждое производство. Но ПП небольшого размера могут выполняться по пятому классу на оборудовании, обеспечивающем производство плат четвертого класса. Комплексно решить все эти проблемы удается только на реальном производстве.
Печатные платы четвертого класса выпускаются на высокоточном оборудовании, но требования к материалам, оборудованию и производственным помещениям ниже, чем для пятого класса.
Печатные платы третьего класса - наиболее распространенные, поскольку, с одной стороны, обеспечивают достаточно высокую плотность трассировки и монтажа, а с другой - для их производства достаточно рядового, хотя и специализированного, оборудования.
Разработка печатных плат 2-го и 1-го классов в новых проектах не рекомендуется.
Студент самостоятельно или с помощью преподавателя решает вопрос, будет ли печатная плата с односторонним или двухсторонним расположением печатных проводников и только после этого окончательно выбирает варианты установок навесных элементов и по ОСТ 4.Г0.010.О3О определяет установочные размеры ЭРЭ.
Для определения потребной площади для размещения всех элементов функционального узла необходимо руководствоваться следующим. Коэффициент заполнения печатной платы
 ,
где  - площадь, занимаемая элементом, определяемая по установочным размерам;
 - полезная площадь платы, занимаемая навесными элементами.
Ориентировочно можно считать, что величина коэффициента заполнения для бортовых РЭС -  =0,7; для корабельных РЭС - =0,6; остальные РЭС имеют коэффициент заполнения =0,5. Тогда полезная площадь печатной платы будет
 .
Соотношение сторон печатной платы рекомендуется выдерживать  =1:(1,5 0,5). При определении окончательных размеров печатной платы необходимо помнить, что по периметру должны быть технологические зоны, в которых не должно быть печатных проводников и не должны попадать проекции навесных элементов. С одной из сторон печатной платы должны быть размещены контакты внешних соединений (зона коммутации). Эти контакты необходимы для соединения внешнего монтажа с печатными проводниками платы. Сопрягаемые размеры печатной платы должны иметь предельные отклонения по 12 квалитету ГОСТ 25347-82 (СТ СЭВ145-75). Несопрягаемые размеры контура печатной платы должны иметь предельные отклонения по 14 квалитету ГОСТ 25347-82 (СТ СЭВ145-75). Толщина печатной платы определяется толщиной исходного материала и выбирается в зависимости от используемой элементной базы и действующих механических нагрузок. Предпочтительными значениями номинальных толщин одно- и двухсторонних печатных плат являются 0,8; 1,0; 1,5; 2,0 мм.
Большую номенклатуру размеров ПП содержит ГОСТ 26.765.12-86 (табл. 2. 2). Для плат небольших размеров ОСТ.4.010.020-83. Строгой системы размеров в данном стандарте нет.
Таблица 2. 2
СТАНДАРТНЫЕ РАЗМЕРЫ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
H, высота(мм)
|
L, длина(мм)
|
140
|
280
|
160
|
220
|
280
|
170
|
75
|
110
|
150
|
200
|
220
|
240
|
280
|
320
|
150
|
240
|
160
|
280
|
150
|
300
|
160
|
150
|
360
|
200
|
280
|
390
|
240
|
280
|
Материал для печатной платы выбирают по ГОСТ 10316-78, ГОСТ 23751-79 или техническим условиям. Марки и номенклатура некоторых отечественных материалов представлены в табл. 2. 3, а импортных — в табл. 2. 4.
Таблица 2. 3
МАТЕРИАЛЫ ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
Наименование
|
Марка
|
Тип печатной платы
|
Гетинакс фольгированный
|
ГФ-1-35 ГФ-2-35
ГФ-1-50 ГФ-2-50
|
Односторонние и двусторонние печатные платы.
Толщина фольги:
0,050 мм, 0,035 мм
|
Стеклотекстолит фольгированный
|
СФ-1-35 СФ-2-35
СФ-1-50 СФ-2-50
СФ-1Н-50 СФ-2Н-50
СФ-1-35Г СФ-2-35Г
СФ-1-50Г СФ-2-50Г
СФ-1Н-50Г СФ-2Н-50Г
|
Односторонние и двусторонние печатные платы.
Толщина фольги:
0,050 мм, 0,035 мм
Толщина материала 0,5...3,0 мм
|
Стеклотекстолит фольгированный повышенной нагревостойкости
|
СФПН-1-50
СФПН-2-50
|
Односторонние и двусторонние печатные платы повышенной нагревостойкости
|
Стеклотекстолит фольгированный теплостойкий
|
СТФ-1
СТФ-2
|
Двусторонние, гибкие и многослойные печатные платы
|
Стеклотекстолит для полуаддитивной технологии
|
СТПА-5-1 СТПА-5-2
|
Толщина материала 0,15...2,0 мм
Толщина фольги 0,050 мм
|
Стеклотекстолит травящийся для МПП
|
ФТС-1-18А
ФТС-2-18А
ФТС-1-35(А, Б)
ФТС-2-35(А, Б)
|
Односторонние и двусторонние печатные платы.
-Толщина материала 0,09...0,5 мм
Толщина фольги 0,018 мм,
-Толщина материала 0,1…0,5 мм
Толщина фольги 0,035 мм
|
Стеклотекстолит фольгированный нагревостойкий
|
СТНФ-1-18, СТНФ-2-18,
СТНФ-1-35, СТНФ-2-35, СТФ-1-18, СТФ-2-18,
СТФ-1-35, СТФ-2-35
|
Односторонние и двусторонние печатные платы.
Толщина фольги:
0,018 мм, 0,035 мм
Толщина материала: 1; 1,5; 2;
2,5; 3 мм
|
Стеклотекстолит для МПП и ДПП
|
СТАП-1-5, СТАП-2-5.
СТАП-2-18
|
Толщина фольги:
0,018 мм, 0,050 мм
Толщина материала:
0,08...2,0 мм
|
Таблица 2. 4
МАРКИ ИМПОРТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
Марка
|
Производитель
|
Толщина мм
|
подложки
|
фольги
|
Стеклотекстолит
фольгированный.
Тип FR-4,
Марка DURAVER-E-CU 104
|
Фирма IZOLA
|
0,86
0,51
0,46
0,25
0,2 0,15 0,125
|
0,018-0,035
|
Стеклоткань прокладочная. Тип FR-4,
Марка DURAVER- E-104-ML PREPREG 1080 05
AT 01
|
0,063
|
| |
Скачать 337.73 Kb.