Разработка логического модуля с питанием от сети

Министерство сельского хозяйства РФ

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Пермская государственная сельскохозяйственная академия

имени академика Д. Н. Прянишникова»

 

 

Кафедра: Информационных технологий  
и автоматизированного проектирования

 

 

КУРСОВОЙПРОЕКТ

по дисциплине «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА»

на тему: «Разработка логического модуля с питанием от сети»

Вариант  № 16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пермь 2014 
Оглавление

 

 

1. Введение, постановка задачи на курсовое проектирование.

1. Цель проектирования:

• Получение практических навыков в разработке, изготовлении и испытании электротехнических и электронных узлов аппаратуры.
• Ознакомление с основной конструкторской документацией на электронную аппаратуру.
• Получение практических навыков пользования справочной технической литературой.
• Получение практических навыков работы с программой ElectronicsWorkbench при разработке электронной аппаратуры.

2. Задачи проектирования:

• Разработка принципиальной электрической схемы (ПЭС) ЛМ и чертежа печатной платы (ЧПП) для него.
• Разработка принципиальной электрической схемы блока питания с заданными параметрами для питания аппаратуры.
• Расчет надежности и быстродействия логического модуля.
• Изготовление макета логического модуля и проверка его работы.

 

3. Задание на курсовой проект

Задание для данной работы приведено в Таблице 1.

Таблица 1. Задание на курсовой проект

№  ВАР	Входной код ЛУ	UН1		UН2			ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ UН1 , UН2	ТИП  СВ	РАЗЪЕМ
		IH1,А	КП1	UН2,B	IН2A	КП2			ЦЕПЬ	КОНТАКТ
16	50772	3	0,02	36	1	0,06	-UН1,-UН2	1	-U1 +U1 -U2 +U2 X3 X2 X1 X0 Y	1 2 4 5 6 7 9 10 12

UПИТ = 220 +/- 5 В, 50 Гц. Напряжение U2 имеет отклонение +/- 20 % от номинала. Логические уровни сигналов х3,х2,х1,х0 и сигнала y соответствуют уровням микросхем ТТЛ-технологии.

 

2. Проектирование модуля ТЭЗ.

1. Получение функциональной схемы модуля в базисе И-НЕ.

Кодовое число для реализации логического модуля имеет значение N10 = 50772. Представим данное число в двоичной системе счисления N2 = 1100011001010100 и заполним таблицу истинности для четырехвходового комбинационного автомата, причем недостающие старшие разряды таблицы заполним нулями (Табл. 2).

X3 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1

X2 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1

X1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1

X0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

Y 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1

Табл. 2.

Для удобства реализации функции в заданном базисе И-НЕ выполним двойную инверсию логического выражения, одну из которых раскроем по правилу Моргана, и в результате получим:

Рис.1

По данному выражению построим функциональную схему логического устройства в базисе И-НЕ (рис.2):

 

Рис. 2

 

2. Разработка принципиальной электрической схемы логической части модуля и чертежа печатной платы для нее.

Из рис.2 следует, что для реализации логического модуля требуется 17 элементов 2И-НЕ. Данный набор можно получить на одной микросхеме ЛА3, одной микросхеме ЛА4 и одной микросхеме ЛА1 ТТЛ-технологии. ЛА3 содержит по 4 таких элемента. ЛА4 содержит по 3 элемента 3И-НЕ. ЛА1 содержит по 2 элемента4И-НЕ. Данные микросхемы размещаем на плате с заданными размерами и с заданным порядком подключения сигналов к контактам стандартного разъема.

При разработке принципиальной электрической схемы и чертежа печатной платы руководствуемся правилом: сначала наносится траектория печатного проводника на плате с учетом предыдущих проводников, а затем выполняется обозначение соответствующего соединения на схеме.

Принципиальная электрической схема модуля представлена в Приложении 2, чертеж печатной платы в Приложении 3, схема расположения элементов на плате – Приложение 4.

 

3. Моделирование логики работы модуля в программе EWb.

При моделировании логики работы модуля следует учитывать адекватность модели и реальных элементов:

1. Требуется обязательно  моделировать подключение минусовой  шины к элементу модели ”ЗЕМЛЯ”

2. В качестве микросхемы 155ЛА3, 155ЛА4, 155ЛА1 необходимо подключать их аналоги – микросхемы 7400, 7410, 7420 соответственно;

3. При моделировании учитывать, что при неподключенном к схеме входе реальной микросхемы ТТЛ на него подается сигнал логической 1, а в модели – логического нуля.

4. Соединение между собой выводов одной микросхемы следует осуществлять через соединительную точку.

Схема модели представлена на рис.3 для комбинации сигналов х0 = 0; х1 = 1; х2 = 1; х3 = 0 и Y = 1, что соответствует табл.1.

Результаты моделирования подтвердили правильность проектирования логического модуля.

Рис.3

4. Расчет энергопотребления микросхем, параметров стабилизатора напряжения и составление его принципиальной электрической схемы.

Питание микросхем 155 серии осуществляется постоянным напряжениемUПИТ = 5 ± 0,25 В с коэффициентом пульсаций Кп ≤ 0,05. Энергопотребление 1 микросхемы 155ЛА3 не превышает 16 мА, микросхемы 155ЛА2 не превышает 4 мА и 1 микросхемы 155ЛА4 не превышает 12 следовательно, общее энергопотребление микросхем не превысит IМС = 16+12+4= 32 мА. При этом максимальная мощность, потребляемая элементами составит Рmax = Р/U = 32∙5 = 160 мВт.

Для питания ТТЛ-микросхем специально разработан стабилизатор напряжения К142ЕН5А, который обладает следующими параметрами (+Uвых=5±0,1B, Iнmax=3A, KU=0,05%/В, Iпотр=10мА, Uвхmax=15B, Uвхmin=7,5B, Uвых- Uвхmin=2,5B):

UВХmin = 7,5B; UВХmax = 15 B; UВЫХ = 5 ± 0,1 В; IВЫХmax = 3 A; IПОТР = 10 мА; РРАСmax = 1 Вт при отсутствии радиатора и 10 Вт при установке медного радиатора с площадью рассеивания 5 см2 на 1 Вт избыточной мощности.

В соответствии с типовой схемой включения на расстоянии не более 50 мм от выводов микросхемы требуется установить входной конденсатор С1 емкостью 50 мкФ и выходной конденсатор С2 емкостью 10 мкФ.

Рассчитаем максимальную мощность, рассеиваемую стабилизатором 
РМАХ = UВХmax∙IПОТР + (UВХmax - UВЫХ)∙ IМС = 15∙0,01 + (15-5)∙0,04 = 0,406 Вт. 
Следовательно, устанавливать радиатор не требуется.

Принципиальная электрическая схема включения стабилизатора приведена в Приложении 2.

5. Определение ширины печатных проводников для информационных сигналов и для подключения питания.

По логическим связям ток потребления I∑max=0,01А. Ширину печатного проводника можно определить по формуле: qдоп= I∑max/(h*б), где qдоп – допустимая плотность тока, по заданию q≤ 0,5 А/мм2; б – толщина проводящих дорожек, согласно заданию б=0,05 мм; h – ширина проводника.

Следовательно hпит≥q*б/ I∑max≥0,8мм.

Согласно задания hmm=0.5 мм, выбираем ширину печатного проводника для цепей питанияравной 1 мм.

По справочным данным ИМС 155 серии определяем максимальное значение I0вхмах. Для ЛА3, ЛА4 и ЛА1 эта величина составляет I0вхмах=2 мА, т.е. ток в информационных проводниках будет превышать 2 мА, следовательно можно определить ширину проводника:hпит≥q*б/ I0вхмах ≥0,01мм

С учетом величины выбираем hинф=1мм.

6. Расчет быстродействия модуля.

Быстродействие модуля рассчитаем как максимальное время задержки распространения сигнала в нем. Самая длинная траектория прохождения сигнала включает 10 элемента 2И-НЕ, причем каждый элемент имеет максимальную задержку 22 нс. Следовательно, общее время задержки составит 22∙10 = 220нс.

7. Расчет надежности модуля.

Надежность модуля определим, как вероятность безотказной работы в течение 10000 час, причем будем учитывать только надежность микросхем, конденсаторов и стабилизатора напряжения. Интенсивности отказов этих элементов приведены в табл.3.

Наименование элемента	Количество	Интенсивность отказов
Микросхема цифровая	3	λ=5*10-9 час-1
Конденсатор электролитический	2	λ=8*10-8 час-1
Стабилизатор напряжения	1	λ=3*10-8 час-1

Табл. 3.

При расчетах примем модель отказов в виде последовательного соединения элементов, т.е. отказ любого из элементов приводит к отказу модуля.

Коэффициент безотказной работы микросхемы равен:

P1=;

P1(4эл) = 0,998;

Коэффициент безотказной работы конденсатора равен:

P2=;

P2(2эл) = 0,998;

Коэффициент безотказной работы стабилизатора равен:

P3 =

 

Таким образом, вероятность безотказной работы модуля в течение 10000 часов составит   Р = 0,9957.

8. Технология изготовления макета логического модуля и проверка его работоспособности.

Макет ЛМ выполняется на выбранных элементах методом «лазерного принтера и утюга». Суть метода в том, что на фольгированный текстолит наносится защитный рисунок, который предотвращает травление меди. В результате, после травления, на плате остаются дорожки проводников. Метод основан на том, что защитный рисунок образуется тонером, который посредством нагревания переносится на текстолит.

Для изготовления печатной платы методом ЛУТ требуется:

1. распечатать плату на глянцевой стороне бумаги;

2. зашкурить и обезжирить плату;

3. наложить рисунок на плату и тщательно прогладить горячим утюгом;

4. под струей воды с помощью щетки скатать слой бумаги (т.е. останется только плата со слоем тонера);

5. высушить плату;

6. протравить дорожки в растворе хлорного железа или медного купороса;

7. с помощью растворителя смыть тонер с дорожек;

8. просверлить отверстия под элементы и пропаять дорожки.

 

3. Расчет блока питания.

1. Разработка принципиальной электрической схемы первого канала питания.

1. Постановка задачи на проектирование.

Исходные данные:

Uн = 7÷15 В;

Iнmax = 1A;

Кп = 0,05;

U1 = 220 +/- 5 В;

f1= 50 Гц.

где: Uн – напряжение нагрузки; Iнmax – максимальный ток нагрузки; Кп– коэффициент пульсаций напряжения нагрузки; U1- напряжение сети питания; f1 – частота напряжения сети питания.

Тип схемы выпрямления: однофазная двухполупериодная со средней точкой, тип фильтра – емкостной.

Функциональная схема нестабилизированного источника питания постоянного тока представлена на рис.4.

На рис.4 обозначено:

Тр – трансформатор;

СВ – схема выпрямления;

Ф – фильтр;

VD– идеальный диод, присутствующий в схеме при расчетах, необходимый для условного разделения  напряжений на выходах схемы выпрямления и фильтра;

I1– ток в первичной обмотке трансформатора;