ПЗ. Министерство науки и высшего образования российской федераци
 Скачать 0.66 Mb.
|
|
Введение Целью данной работы является разработка электрической схемы генератора прямоугольных импульсов для аппарата микротоковой терапии. Генератор импульсов, или импульсный генератор, представляет собой прибор (устройство), преобразующие энергию постоянного или переменного источника напряжения в энергию электрических импульсов, которые обычно имеют прямоугольную форму. Электрические импульсы и напряжения широко используются для тех или иных целей в различных областях науки и техники. Наиболее широко электрические импульсы применяются в электронике при импульсном режиме работы электронных устройств различного назначения. Импульсные методы работы широко используются в телевидении, где сигналы изображения и синхронизации – импульсные; с помощью радиоимпульсов удалось решить такую важную задачу, как измерение расстояний, что обусловило развитие импульсной радиолокации и радионавигации (в системах обнаружения, в радиовысотомерах, в навигации кораблей и самолетов). Импульсное кодирование сообщение, основанное на различных принципах импульсной модуляции, позволяет осуществлять радиосвязь в телеметрии. Перспективно использование импульсных режимов в радиоуправлении на большом расстоянии, например, искусственными спутниками Земли, космическими кораблями, луноходами. В импульсной технике широко применяются генераторы прямоугольных импульсов, которые относятся к классу релаксационных генераторов. Колебания, в которых медленные изменения чередуются со скачкообразными, называют релаксационными. Такими колебаниями являются, в частности, прямоугольные и пилообразные импульсы. 1 Специальная часть 1.1 Анализ существующих устройств и методов, обоснование выбора схемы устройства После анализа моего устройства и поиска аналогичных устройств, я нашел несколько схем, похожих по принципу действия. Широкодиапазонный генератор прямоугольных импульсов Принципиальная электрическая схема зарядки представлена на рисунке 1.   Рисунок 1 – Схема широкодиапазонного генератора прямоугольных импульсов В основе широкополосного генератора, принципиальная схема которого изображена на рисунке, – высокочастотный генератор, перекрывающий диапазон частот 8...20 МГц и выполненный на транзисторах VT1 - VT3. Его задающий генератор является индуктивной трехточкой на транзисторе VT1. Частота резонансного контура L1С1С2 устанавливается конденсатором С1. Транзисторы VТ2, VТ3 обеспечивают усиление и ограничение по амплитуде импульсов. С коллектора VТ3 импульсы поступают на вход двоичноro счетчика-делителя DD1. Переключателем SA1 выбирается поддиапазон частот внутри декады 1...10 МГц, а затем производится декадное деление частоты двоично-десятичными счетчиками DD2 - DD6 типа К155ИЕ2, включенными в режиме деления на 10. Посредством переключателей SA2 и SA3 выбираются необходимые коэффициенты деления частоты задающего генератора. Наличие двух выходных формирователей импульсов, выполненных на транзисторах VТ4, VТ6, позволяет использовать двусигнальный режим генepaтоpa, когда один из сигналов является синхронизирующим. Формирователь на VТ4 имеет высокую нагрузочную способность и питается от стабилизированного напряжения 5 В. Другой формирователь на VТ6 позволяет регулятором R11, управляющим активным фильтром на VТ5, изменять амплитуду импульсов в пределах 0,5...12 В. Этот формирователь рассчитан на работу с КМОП логикой в меньшем диапазоне частот - не выше 1 МГц. Возможность плавной регулировки амплитуды выходных импульсов, высокий уровень гармонических составляющих позволяют использовать этот выход для работы с аналоговыми устройствами, а с выносными делителями – с малосигнальными устройствами в диапазоне частот до сотен мегагерц. Регулятор имеет шкалу, проградуированную в амплитудных значениях напряжения выходных импульсов. Выходы формирователей подключены к разъемам XS1 и XS2, имеющим обозначения «Выход А» и «Выход Б». В конструкции генepaтopa использованы резисторы МЛТ или С2-33Н, переменные резисторы СП4-1, конденсаторы КТ, КПМ, КМ5, К10-7В, оксидные конденсаторы K50-16 или К50-35. Переключатели гaлетной конструкции ПГК- 10П1Н и ПГК-5П2Н. Катушка L1 контура генератора, индуктивность которой 2,6 мкГн, намотана на унифицированном каркасе от контура КВ приемника "Океан-209" и содержит 18 витков провода ПЭЛШО 0,2 с отводом от середины. Катушку желательно поместить в экран. Дроссель L2 типа ДПМ-0,6 имеет индуктивность 470 мкГн. В конструкции использованы микросхемы серии К155, причем двоичный счетчик К155ИЕ5 возможно потребуется подобрать по устойчивости работы на максимальной чаcтоте. Можно рекомендовать замену микросхем К155 на серии К555 или К1533, что снизит потребляемую мощность. Стабилитрон Д818Е заменим на менее стабильные КС191A или Д814Б, а диоды КД522А - на КД503Б или аналогичные им. При невозможности приобретения диодов ГД511A можно обойтись и без них, в этом случае несколько увеличится длительность фронта импульсов. Вместо транзистора КП303Г подойдут приборы той же серии с буквенными индексами Д, Е или серии КП307, а вместо КТ349А - КТ363А или КТ326А. Транзистор КТ904А (VТ6) заменим на КТ3117БМ. Разъемы XS1, XS2 - СР50-74. Генератор питается от сети переменного тока через блок питания, изготовленный по известным схемам с использованием силового трансформатора на мощность не менее 10 Вт. Напряжения на вторичных обмотках должны бьть не менее 8,5 В и 16 В с токами соответственно 0,6 А и 0,1 А. Выпрямители блока питания выполняются по мостовым схемам, стабилизаторы напряжения на стандартные напряжения могут бытъ собраны на интегpальных стабилизаторах КР142ЕН5 и КР142ЕН8В или на транзисторах. Блок питания имеет индикатор включения сети на светодиоде АЛ307Б. Схема генератора импульсов для ручной установки счетчиков Логика работы некоторых цифровых устройств – электронных часов, селекторов каналов телевизоров, регистраторов количества продукции и т.д., – требует предварительной установки входящих в них счетчиков в определенное состояние. Для выполнения этой операции часто используют специальные генераторы установочных импульсов. Схема возможного варианта генератора показана на рисунке 2.  Рисунок 2 – Схема электрическая принципиальная генератора импульсов Это устройство вырабатывает одиночный установочный импульс при каждом кратковременном нажатии на кнопку SB1. Если кнопку удерживать более 0,7 с, начинается автоматическая генерация импульсов частотой около 5 Гц. При отпускании кнопки работа генератора прекращается и следующее нажатие вновь приводит к выработке одиночного импульса. Такой режим ускоряет и облегчает процесс ручной установки счетчиков. Удобством является так же то, что формирование каждого установочного импульса сопровождает кратковременный звуковой сигнал высокого тона. Устройство состоит из генератора импульсов с частотой 5 Гц на триггере Шмитта DD1.1, дифференцирующей цепи C5R6 с инвертором DD1.2 для формирования укороченных импульсов высокого уровня длительностью около 20 мс на выходе, генератора дублирующих сигналов частотой около 2,5 кГц на триггере DD1.3 и транзисторе VT1 и узла управления, состоящего из кнопки SB1, резисторов R1–R4, конденсаторов C1–C3 и диода VD1. Устройство работоспособно в широких пределах питающего напряжения – от 3 до 15 В, однако надо учитывать то, что временные параметры мультивибраторов зависят от напряжения питания. На схеме номиналы конденсаторов и резисторов указаны для напряжения 5 В. При напряжении питания 15 В для получения тех же временных параметров номиналы резисторов должны быть: R3 = 1,6 МОм; R5 = 1 МОм; R7 = 200кОм. При необходимости кнопку SB1 можно заменить транзистором, работающим в переключательном режиме и управляемым от микросхемы ТТЛ, или подключить верхний по схеме вывод резистора R2 непосредственно к выводу микросхемы структуры КМОП. В этих случаях конденсатор C1 исключают, т.к. его назначение – подавление последствий дребезга контактов кнопки. Анализ схемы электрической принципиальной, обоснование и замена компонентов схемы  Рисунок 3 – Схема электрическая принципиальная генератора импульсов Н  а рисунке 3 изображена схема электрическая принципиальная. На таймере DA1 в нём собран генератор симметричных прямоугольных импульсов частотой 0,2 Гц. Интегрирующая цепь R2, C5 превращает их в треугольные, размахом в 10 В. Через эмиттерный повторитель на транзисторе VT1 напряжение с конденсатора С5 поступает на вход преобразователя напряжение частота на специализированной микросхеме DA4. Частота импульсов на выходе этой микросхемы изменяется от 0 до 36 кГц по тому же "треугольному" закону, что и мгновенное значение преобразуемого напряжения. На транзисторе VT2 выполнен эмиттерный повторитель выходных импульсов преобразователя. Укороченные дифференцирующей цепью C14R10 импульсы постоянной амплитуды и переменной частоты поступают на базу транзистора VT4, в коллекторную цепь которого включён выходной разъём XW1, зашунтированный диодом VD5. Диод предназначен для подавления выбросов напряжения самоиндукции на возможной индуктивной нагрузке прибора. При замыкании выключателя SA1 на трансформатор T1 подаётся сетевое напряжение. Пониженное до 16 В напряжение с его обмоток II и III поступает на выпрямители (диодные мосты VD1 и VD2 со сглаживающими конденсаторами С4 и С6). Диод VD3 и конденсатор C8 дополнительно сглаживают пульсации, вызванные изменениями тока нагрузки при открывании и закрывании транзистора VT4. Интегральные стабилизаторы DA3 и DA2 понижают до 15 В (по абсолютному значению) и стабилизируют соответственно положительное и отрицательное напряжение питания микросхем прибора. Включённый светодиод HL1 свидетельствует о его готовности к работе. До нажатия на кнопку SB1 с помощью излучателя звука НА1 со встроенным генератором, питаемым через интегральный стабилизатор DA5, подаётся звуковой сигнал готовности. Конденсатор С15 в этом состоянии разряжен, транзистор VT3 закрыт, а обмотка реле K1 обесточена. Нажатием на кнопку заряжают конденсатор С15. После её отпускания он вновь, но уже заряженным, подключается между затвором и истоком транзистора VT3, открывая его. Реле срабатывает. Его контакты К1.1, выключив звуковой сигнал, подать напряжение питания на нагрузку прибора, подключенную к разъёму XW1. Через неё начинают течь импульсы тока качающейся частоты. Так продолжается, пока конденсатор С15 не разрядится через резистор R11 на (5 или 6 мин при указанных на схеме номиналах). После этого транзистор VT3 закрывается и прибор возвращается в исходное состояние. Сеанс физиотерапии окончен. Чтобы повторить его нужно вновь нажать на кнопку SB1. 1.3 Разработка и описание схемы электрической структурной устройства (прибора) Структурная схема генератора импульсов представлена на рисунке 4. Структурная схема состоит из 11 блоков, которые включают в себя: – блок ввода питающей сети; – понижающий трансформатор; – выпрямитель; – стабилизатор напряжения; – генератор импульсов; – дифференцирующая цепь; – преобразователь напряжения частот; – интегрирующая цепь; – кнопка пуска; – реле;  Рисунок 4 – Структурная схема генератора импульсов –  нагрузка. 1.3.1 Описание работы устройства по структурной схеме На таймере DA1 в нём собран генератор симметричных прямоугольных импульсов частотой 0,2 Гц. Интегрирующая цепь R2, C5 превращает их в треугольные, размахом в 10 В. Через эмиттерный повторитель на транзисторе VT1 напряжение с конденсатора С5 поступает на вход преобразователя напряжение частота на специализированной микросхеме DA4. Частота импульсов на выходе этой микросхемы изменяется от 0 до 36 кГц по тому же "треугольному" закону, что и мгновенное значение преобразуемого напряжения. На транзисторе VT2 выполнен эмиттерный повторитель выходных импульсов преобразователя. Укороченные дифференцирующей цепью C14R10 импульсы постоянной амплитуды и переменной частоты поступают на базу транзистора VT4, в коллекторную цепь которого включён выходной разъём XW1, зашунтированный диодом VD5. Диод предназначен для подавления выбросов напряжения самоиндукции на возможной индуктивной нагрузке прибора. При замыкании выключателя SA1 на трансформатор T1 подаётся сетевое напряжение. Пониженное до 16 В напряжение с его обмоток II и III поступает на выпрямители (диодные мосты VD1 и VD2 со сглаживающими конденсаторами С4 и С6). Диод VD3 и конденсатор C8 дополнительно сглаживают пульсации, вызванные изменениями тока нагрузки при открывании и закрывании транзистора VT4. Интегральные стабилизаторы DA3 и DA2 понижают до 15 В (по абсолютному значению) и стабилизируют соответственно положительное и отрицательное напряжение питания микросхем прибора. Включённый светодиод HL1 свидетельствует о его готовности к работе. До нажатия на кнопку SB1 с помощью излучателя звука НА1 со встроенным генератором, питаемым через интегральный стабилизатор DA5, подаётся звуковой сигнал готовности. Конденсатор С15 в этом состоянии разряжен, транзистор VT3 закрыт, а обмотка реле K1 обесточена. Нажатием на кнопку заряжают конденсатор С15. После её отпускания он вновь, но уже заряженным, подключается между затвором и истоком транзистора VT3, открывая его. Реле срабатывает. Его контакты К1.1, выключив звуковой сигнал, подать напряжение питания на нагрузку прибора, подключенную к разъёму XW1. Через неё начинают течь импульсы тока качающейся частоты. Так продолжается, пока конденсатор С15 не разрядится через резистор R11 на (5 или 6 мин при указанных на схеме номиналах). После этого транзистор VT3 закрывается и прибор возвращается в исходное состояние. Сеанс физиотерапии окончен. Чтобы повторить его нужно вновь нажать на кнопку SB1. Разработка конструкции печатного узла устройства (прибора) Выбор типа печатной платы Печатная плата – изоляционное основание с нанесенным на его поверхность печатным монтажом. Их применение повышает надежность аппаратуры, обеспечивает повторяемость электрических параметров, создает предпосылки для автоматизации производства (высокая производительность и низкая себестоимость), уменьшает габариты и массу. Наиболее распространены односторонние печатные платы и двухсторонние печатные платы. Односторонние печатные платы имеют одну сторону, на которую наносится печатный проводник. Так же они характеризуются: возможностью обеспечить повышенные требования к точности выполнения проводящего рисунка; установкой навесных элементов на поверхность платы со стороны, противоположной стороне пайки, без дополнительной изоляции; возможностью использования перемычек без изоляции; низкой стоимостью конструкции. Двухсторонняя печатная плата выполняется с металлизированными отверстиями, характеризуются высокими коммутационными свойствами, повышенной прочностью соединения вывода навесного ЭРЭ с проводящим рисунком. Недостатком является более высокая стоимость. Применяется для схем повышенной сложности. Для изготовления платы изделия генератора импульсов была выбрана плата с односторонним монтажом 1.5.2 Выбор материала печатной платы При выборе материала основания ПП особого внимания требуют: а) предполагаемое механическое воздействие (вибрации, удары, линейные ускорения); б) класс точности ПП (ширина проводников, расстояние между про-водниками); в) реализуемые печатным узлом электрические функции; г) быстродействие (частотный спектр сигналов, передаваемых в пределах платы); д) климатические условия эксплуатации; е) стоимость; ж) экологическая чистота и безопасность материала для человека и окружающей среды. Существует большое разнообразие фольгированных медью слоистых пластиков. Их можно разделить на две группы: а) на бумажной основе; б) на основе стеклоткани. Эти материалы в виде жестких листов формируются из нескольких слоев бумаги или стеклоткани, скрепленных между собой связующим веществом путем горячего прессования. Связующим веществом обычно являются фенольная смола для бумаги или эпоксидная для стеклоткани. В отдельных случаях могут также применяться полиэфирные, силиконовые смолы или фторопласт. Слоистые пластики покрываются с одной или обеих сторон медной фольгой стандартной толщины. Характеристики готовой печатной платы зависят от конкретного сочетания исходных материалов, а также от технологии, включающей и механическую обработку плат. Наиболее широкое применение получили: стеклотекстолит, гетинакс и текстолит. В основном для печатной платы используют гетинакс и стеклотекстолит. Стеклотекстолит – слоистый прессованный материал, состоящий из двух или более слоев стеклоткани, пропитанной различными термореактивными связующими. Стеклотекстолит обладает повышенной влагостойкостью и лучшими электрическими и механическими параметрами по сравнению с текстолитом и гетинаксом, но хуже обрабатывается механически. Из стеклотекстолита изготовляют платы печатных схем, антенные обтекатели и другие радиодетали. Гетинакс – листовой слоистый прессованный материал, состоящий из двух или более слоев бумаги, пропитанной термореактивной смолой. Электротехнический гетинакс выпускают восьми марок. В зависимости от марки в качестве связующего вещества применяют фенолформальдегидные смолы или эпоксидную смолу типа ЭД-16. Гетинакс является анизотропным материалом, поэтому электрическая прочность гетинакса вдоль слоев в 5-8 раз ниже, чем поперек, а удельное сопротивление ниже в 50-100 раз. Гетинакс легко обрабатывается механически, а тонколистовые сорта хорошо штампуются, особенно в подогретом состоянии. Из гетинакса изготовляют детали радиотехнического и электротехнического назначения. Гетинакс используется для изготовления наиболее дешевых печатных плат. Для каждой из марок текстолита используются ткани различной плотности и переплетения. Характер переплетения оказывает влияние на степень прочности конечного материала при растяжении, ударную вязкость, устойчивость к образованию трещин. Как правило, для производства используются шифон, бязь, миткаль, бельтинг. Основными преимуществами композита по сравнению с обычными пластмассами служат его высокая степень теплостойкости и прочность. Композитный материала более эластичный и износостойкий, чем металл. Кроме того, он легко поддаётся обработке, а изделия из него не требуют окраски. Отличается пожаробезопасностью, устойчивостью к воздействию бензина, технического масла и воды. Не токсичен. В качестве фольги, используемой для фольгирования диэлектрического основания можно использовать медную, алюминиевую или никелевую фольгу. Однако, алюминиевая фольга уступает медной из-за плохой паяемости, а никелевая - из-за высокой стоимости. Поэтому в качестве фольги выбираем медь. Медная фольга выпускается различной толщины. Стандартные толщины фольги наиболее широкого применения - 17,5; 35; 50; 70; 105 мкм. Во время травления меди по толщине травитель воздействует также на медную фольгу, вызывая так называемое подтравливание. Чтобы его уменьшить обычно применяют более тонкую медную фольгу толщиной 35 и 17,5 мкм. Поэтому выбираем медную фольгу толщиной 35 мкм. Для изготовления печатной платы генератора импульсов в качестве материала для печатного узла выбираем фольгированный стеклотекстолит марки СФ-2-35-1,5. |