2.4.5. Выбор устройства ввода-вывода
В качестве порта ввода-вывода для обслуживания индикатора и пульта
управления выберем м/сх КР580ВВ55А.
Микросхема КР580ВВ55А – программируемое устройство ввода-вывода
параллельной информации, позволяющее сопрягать различные типы устройств с
шиной данных. Таким образом БИС обеспечивает возможность построения
современных систем цифровой обработки.
Основные параметры:
Напряжение питания микросхемы 5 В
Диапазон рабочих температур – 10…+ 70(С
Ток потребления 120 мА
2.5. Алгоритм работы устройства СКШВ
Рассмотрим алгоритм вычисления поправки по введенному текущиму времени
ЭЧ и временем полученным с НИСЗ. Данный алгоритм представляет собой часть
программы обслуживания устройства.
Вначале производится настройка процессора на требуемые режимы работы с внешними устройствами и обмена данными с ними, устанавливаются биты, отвечающие за различные режимы работы процессора. Затем устанавливаются начальные значения необходимых переменных, инициализируются служебные константы, необходимые для работы программы.
Далее осуществляется загрузка текущего врмени ЭЧ, далее – текущего
времени с НИСЗ. Для компенсации временной задержки между вводом ШВ ЭЧ и
НИСЗ, от последней вычитается время необходимое на её загрузку.
Производится расчёт расхождения между шкалами времени, определяется его знак и выдаётся сигнал на коррекцию ЭЧ.
Производится выдача времени на иникатор в требуемом формате и опрос состояния кнопок ПУ.
Затем цикл повторяется. до тех пор пока длится работа микропроцессорного узла.
Рабочий алгоритм приведён на листе 4 графическрго материала.
2.6. Синтез принципиальной схемы устройства СКШВ
Электрическая принципиальная схема вычислителя представлена на листе 5.
Как уже отмечалось в качестве центрального микропроцессора выберем микросхему К1835ВЕ51.
При подключении ПЗУ к МП следует учитывать особенности организации
обращения и передачи данных с внешнего ПЗУ у данного процессора. Для
передачи данных и для передачи младших разрядов адреса используется одна и
та же шина (порт AD процессора), поэтому требуется аппаратное разделение
данных и адресов. С этой целью применим регистр параллельного сдвига, в
качестве которого с учетом требований к быстродействию и разрядности
применим 8–разрядный регистр К1554ИР23.Выходы порта AD МП и входы Х0...Х7
ИР23 соединим непосредственно, а так же подключим эту шину на выходы
D0...D7 ПЗУ. Вывод OE ИР23 следует подключить к нулю, при этом будет
разрешен вывод информации на выходы Y0...Y7 ИР23. Сигнал ALE МП подключим к
выводу CS ИР23. Наконец, выводы А8...А14 МП подключим к выводам А8...А14
ПЗУ. По этой шине передаются старшие биты адреса считываемой информации.
Процесс передачи очередного командного слова в процессор протекает
следующим образом. МП выставляет на шину AD0...AD7 и А8...А14 15–ти
разрядный адрес считываемого слова. По сигналу ALE ИР23 передает и
защелкивает на своем выходе, а значит, на входе ПЗУ, младшие биты адреса,
тогда как старшие биты уже там присутствуют. Затем МП подает команду РМЕ,
по которой ПЗУ выставляет считываемое слово на шину AD, по которой оно и
попадает в процессор.
Порт ввода-вывода осуществляет обмен информацией с микропроцессором по
8-и разрядной двунаправленной шине данных. Для связи с переферийными устройствами используются линии ввода-вывода, сгрупированные в три 8-и разрядных канала A, B, C, направление передачи информации через канал определяются программным способом. Выбор соответствующего канала и направление передачи информации через канал определяются сигналами A0, A1,
[pic], [pic], [pic].
Организация подключения микросхемы ОЗУ в целом аналогична тому, как это
произведено при подключении ПЗУ. Для разделения младших разрядов адреса и
данных так же применим регистр на микросхеме ИР23. Управляющими сигналами
здесь являются WR и RD МП. По сигналу WR происходит запись информации в
ОЗУ, тогда как сигнал RD сопутствует считыванию информации.
Узел индикации и опроса кнопок пульта управления состоит из регистра
сегмента индикатора, дешифратора разряда индикатора, собственно индикатора,
клавиатурного поля 3 х 4.
В качестве индикатора выберем светодиодный индикатор АЛ318А красного
свечения. В качестве регистра используем м/сх К555ИР27, а дешифратора
К555ИД4.
К555ИД4 – восьмиразрядный дешифратор:
Напряжение питания 5 В;
Потребляемая мощность 10 мА
К555ИР27 – 8-ми разрядный регистр
Напряжение питания 5 В;
Потребляемая мощность 20 мА
Рассмотрим подключение электрически репрограммируемого ПЗУ 1568РР1.
К выходу RST микросхемы присоединим RC–цепочку, которая служит для нормальной работы внутреннего генератора напряжения записи. Параметры цепочки, рекомендуемые справочной литературой :
R14=22К, С7=22нФ.
Необходимо так же оценить тактовую частоту процессора. При требуемой
скорости обработки информации необходимо обеспечить производительность
процессора порядка 2 млн. оп/с. Такой производительностью микропроцессор
будет обладать при использовании тактовой частоты 30 МГц. Таким образом
частота кварцевого резонатора определена и равна 30 МГц. Схема внутреннего
генератора требует также подключения двух внешних емкостей C3 и C4 по 20
пФ. Такие значения являются типовыми и рекомендуются в литературе, поэтому
их расчёт не производится.
В качестве устройства гарантированного сброса и контроля питания
используем стандартную микросхему выполняющую эти функции. Такой элемент изготавливается многими фирмами-производителями.
3. Электрический расчёт
3.1. Краткие сведения о вторичных источниках питания
Современные устройства требуют бесперебойного, наёдежного
электроснабжения. Для преобразования электрической энергии, получаемой от
источников электроснабжения, её регулирования, стабилизации,
резервирования, распределения и защиты на практике оборудуются
электропитающие установки. Электропитающие установки вырабатывают
электрическую энергию постоянного тока с номинальными напряжениями 60 и 24
В.
Снижение массы и габаритов вторичных источников электропитания в настоящее время является одной из наиболее важных проблем при разработке современных радиотехнических устройств. Основными направлениями улучшения массогабаритных и технико-экономических показателей устройств электропитания являются: использование новейших электротехнических материалов и перспективной элементной базы с применением интегрально-гибридной технологии; поиски новых эффективных схемотехнических решений; повышение частоты преобразования электрической энергии.
Повышение надежности, улучшение технико-экономических показателей, снижение стоимости аппаратуры в значительной степени зависят от правильного выбора и проектирования вторичных источников и систем электропитания в целом.
Широкое применение в современной радиоэлектронной аппаратуре получили вторичные источники электропитания с импульсным регулированием. Это объясняется, в первую очередь высокими энергетическими и объёмно-массовыми показателями. Коэффициент полезного действия таких источников может достигать 70-75% при входном напряжении 5В, при этом их удельная мощность составит 120…250 Вт/дм3 . Они строятся в основном на базе однотактных и двухтактных транзисторных преобразователях напряжения. Транзисторы в преобразователях работают в режиме переключения: это и объясняет высокие энергетические показатели источников с импульсным регулированием.
Применение современной базы позволяет осуществлять преобразование энергии на частотах до нескольких сотен килогерц, а в ряде случаев и выше.
Работа устройств на повышенных частотах позволяет уменьшить объём и массу электромагнитных элементов и ёмкость конденсаторов, и тем самым повысить удельные объёмно-массовые показатели.
В импульсных источниках применяются три способа регулирования:
16. широтно-импульсный (ШИМ), при котором период коммутации постоянен, а время нахождения транзистора в области насыщения (отсечки) изменяется;
17. частотно-импульсный (ЧИМ), при котором период коммутации непостоянен, а время нахождения транзистора в области насыщения (отсечки)постоянно;
18. двухпозиционный (релейный), при котором и период, и относительное время отсечки, когда транзистор находится в области насыщения (отсечки), изменяются.
Однотактные и двухтактные преобразователи подразделяются на регулируемые и нерегулируемые.
В зависимости от типа преобразователя вход и выход его могут быть гальванически связаны или развязаны через трансформатор.
Однотактные преобразователи с гальванической связью входа и выхода находят широкое применение в качестве импульсных стабилизаторов или регуляторов напряжения и тока.
Однотактные и двухтактные регулируемые преобразователи с трансформаторным выходом применяются как самостоятельные источники вторичного электропитания.
Поэтому рассчитаем источник вторичного питания для питания разрабатываемого устройства.
3.2. Расчёт силовой части импульсного преобразователя
Выберем в качестве расчёта преобразователя однотактный регулируемый преобразователь с трансформаторным разделением входной и выходной цепей.
Однотактные регулируемые преобразователи находят широкое применение в источниках электропитания аппаратуры на выходные мощности от единиц до нескольких сотен ватт. Их широкое применение обусловлено такими достоинствами, как отсутствие схем симметрирования работы трансформатора, малое число силовых ключей, простота схемы управления. На рис. 5 изображена схема однотактного преобразователя с прямым включением диода VD2 и размагничивающей обмоткой.
[pic]
Рисунок 5 Схема однотактного преобразователя с прямым включением диода и размагничивающей обмоткой
3.2.1. Принцип действия преобразователя
Когда транзистор VT1 открыт, напряжение Uвх оказывается приложенным к первичной обмотке трансформатора (1. Диод VD2—открыт и энергия источника питания передается в нагрузку и запасается дросселем L. В интервале закрытого состояния транзистора энергия, накопленная дросселем, передается в нагрузку, а энергия, запасенная трансформатором через размагничивающую обмотку (р и диод VDP, отдается в источник питания. Поскольку в установившемся режиме работы энергия, запасённая трансформатором на интервале открытого состояния транзистора, должна быть полностью рекуперирована в источник питания, то максимальное значение (max зависит от соотношения чисел витков обмоток (1 и (р . Чем шире пределы регулирования, тем больше значение (max и тем меньше число витков размагничивающей обмотки. Уменьшение числа витков размагничивающей обмотки приводит к увеличению напряжения на закрытом транзисторе преобразователя
[pic] (3.1)
Так, при (max = 0,5 напряжение на закрытом транзисторе превышает входное напряжение в 2 раза, а при (max = 0,9 — в 10 раз. Регулировочная характеристика преобразователя имеет линейный характер:
[pic] (3.2) где:
(21 = (2/(1 — коэффициент трансформации.
Это выражение справедливо при условии безразрывности тока дросселя, которое имеет место при L >Lкр, где
[pic] (3.3) fП – частота преобразования.
3.2.2. Расчёт преобразователя
Исходные данные:
номинальное значение входного напряжения UВХ В; 24
относительные отклонения входного напряжения в сторону повышения и
понижения аmax, аmiп, 0,1
номинальное значение выходного напряжения, UВЫХ В; 5
амплитуда пульсации выходного напряжения UВЫХ m В; 0,01
максимальное значения тока нагрузки Iн max, А; 1
минимальное значения тока нагрузки Iн min, А; 0,5
частота преобразования, fП , Гц; 20 х
103
максимальная температура окружающей среды ТС mах (C; 50
1. Определяем максимальное и минимальное значения входного напряжения.
[pic]
[pic]
Принимаем (min = 0,2. Тогда
[pic]
Округляем его значение до целого числа [pic];
[pic]
[pic]
[pic]
2. Определяем LКР
[pic]
Производим расчёт дросселя или выбираем унифицированный, принимая
L > LКР = 0,5 мГн
Определяем приращение тока дросселя
[pic]
3. Находим значение емкостей [pic] и [pic]. При определении [pic] задаёмся
значением (UВЫБР = 0,1 UВЫХ = 0,5 В
[pic];
[pic]
Ёмкость конденсатора Сн принимаем равной максимальному значению [pic] или [pic]. Выбираем конденсатор типа К50-35 на номинальную ёмкость 220 мкФ и номинальное напряжение 25 В. Сн = 220 мкФ.
4. Определяем:
[pic]
Определяем максимальное напряжение на закрытом транзисторе
[pic]
Максимальный ток
[pic]
Выбираем транзистор КТ903А, имеющий следующие параметры:
[pic]; [pic]; [pic];
[pic]; [pic] [pic]
[pic]
Принимаем коэффициент насыщения транзистора [pic]
Определяем мощность, рассеиваемую на транзисторе, и решаем вопрос о необходимости установки транзистора на радиатор.
[pic]
[pic]
5. Определяем значения токов и напряжений диодов VD1, VD2, VDp.
[pic]
[pic]
По напряжению, току и частоте преобразования fП выбираем из
справочников тип соответствующего диода. Выбираем диод КД213В, максимальное
обратное напряжение – 100 В, максимальный постоянный прямой ток – 3 А при
ТК = + 125(С, UПР = 1 В.
Определяем мощности, рассеиваемые на нём
[pic]
Определяем максимальное напряжение на рекуперационном диоде
[pic];
[pic].
Максимальное значение тока рекуперационного диода VDp определяется после расчета трансформатора, в результате которого находится максимальное значение намагничивающего тока IVD1 max.
6. Определяем токи первичной и вторичной обмоток трансформатора Т1
[pic]
[pic]
7. Определяем коэффициент передачи схемы управления по заданному значению коэффициента стабилизации:
[pic]
[pic]
Таким образом произведён расчёт силовой части импульсного преобразователя напряжения.
4. Конструктивный расчёт
4.1. Конструкция печатной платы
В предыдущем разделе была разработана принципиальная схема устройства вычислителя корректирующей информации. В этой главе необходимо разработать печатную плату, на которой будет производиться монтаж элементов указанных устройств. В настоящие время выпускают односторонние, двусторонние, многослойные и гибкие печатные платы. К гибким печатным платам следует отнести и гибкие печатные шлейфы и кабели. Существуют различные методы изготовления печатных плат.
Достоинством односторонних и двусторонних печатных плат являются простота и низкая трудоёмкость изготовления. В то же время этим платам присущи такие недостатки, как низкая плотность размещения навесных элементов, необходимость дополнительной экранировки, большие габариты и значительная масса.
Путём использования многослойных печатных плат можно существенно увеличить плотность монтажа путём добавления слоёв без заметного увеличения габаритов. Важным преимуществом многослойного печатного монтажа является размещение экранирующий слой может быть размещён между любыми внутренними слоями или на наружных поверхностях. Экранирующие слои могут быть соединены с конструктивными деталями рамы для улучшения теплоотвода. Многослойный печатный монтаж может быть защищён от механических повреждений и внешних воздействий путём нанесения дополнительного слоя диэлектрика. Однако основными преимуществами многослойного печатного монтажа являются экономия объёма при использовании узких и тонких токопроводящих металлических соединений и малогабаритных разъемов и потенциально высокая надёжность.
В тоже время многослойным печатным платам присущи следующие недостатки: более жёсткие допуски на размеры по сравнению с допусками на размеры обычных печатных плат; большая трудоёмкость проектирования; необходимость специализированного технологического оборудования; длительный технологический цикл и сложный процесс изготовления; необходимость тщательного контроля практически всех операций, начиная с вычёрчивания оригиналов и кончая упаковкой готовой платы в промежуточную технологическую тару для передачи её в монтажный цех, причём визуальный контроль изделия труден или невозможен; высокая стоимость; низкая ремонтопригодность.
Однако в аппаратуре, для которой обеспечение минимальных габаритов и массы, а также максимально возможной надёжности является основным требованием, многослойные печатные платы незаменимы.
К числу важнейших свойств материалов, используемых для печатных плат, относятся хорошая технологичность, позволяющая легко переработать их в процессе производства, высокие электрофизические, физико-механические и физико-химические параметры, а также такие свойства, как устойчивость к воздействию ионизации, радиационная стойкость, способность работать в условиях вакуума. Материалы основания должны обеспечивать хорошую адгезию с токопроводящими покрытиями, минимальное колебание в процессе производства и эксплуатации.
Наиболее распространенными материалами при изготовлении печатных плат
являются гетинакс и стеклотекстолит. Гетинакс представляет собой слоистый
прессованный материал, состоящий из нескольких слоёв бумаги, пропитанной
фенолоформальдегидной, крезолоформальдегидной либо ксинолоформальдегидной
смолой или их смесями. Этот материал обладает высокой электрической
прочностью и стабильностью диэлектрических свойств, хорошо поддастся
механической обработке: расплавке, сверлению, точению, фрезерованию.
Используется как электроизоляционный материал для печатных плат
изготовляемый гальванохимическим способом.
Стеклотекстолит представляет собой слоистый пластик, состоящий из
стеклоткани, пропитанной модифицированной фенолоформальдегидной смолой.
Листовой стеклотекстолит поддаётся всем видам механической обработки, а
также склеиванию.
Для изготовления многослойных печатных плат применяются главным образом
фольгированные диэлектрики. Для фольгирования, как правило, используется
медь, иногда алюминий и никель. Алюминий уступает меди из-за плохой
паяемости. Основным недостатком никеля является его высокая стоимость.
Среди фольгированных диэлектриков следует отметить фольгированный гетинакс,
фольгированный текстолит, низкочастотный фольгированный диэлектрик,
фольгированный армированный фторопласт.
Надёжное защитное покрытие для печатных плат должно обладать хорошими влагозащитными и диэлектрическими свойствами. Как правило, используются: покрытие односторонней платы только со стороны печатных проводников;
при этом защищают проводящие дорожки и обрезные края платы; двухстороннее покрытие печатной платы, в том числе и компонентов; заливка блока в целом.
4.2. Конструкции блоков микроэлектронной аппаратуры
Применение в конструкциях блоков МЭА четвёртого поколения бескорпусных
МСБ позволяет значительно увеличивать плотность упаковки элементов, а
последовательно, получать гораздо меньшие (в 5-6) раз объёмы блоков при
одинаковой функциональной сложности по сравнению с блоками, выполненными на
корпусированных ИС. Уменьшение объёма блоков достигается также в результате
применения более прогрессивных методов монтажа (с помощью гибких шлейфов и
кабелей), компоновки (книжная вместо разъемной) и малогабаритных соединений
(РПС, СР-50 и типа "слезка"). Необходимость герметизации блоков и наличие
внутри них избыточного давления заставляют применять в их конструкциях
корпуса с довольно толстыми (до 3 мм) стенками, что существенно увеличивает
коэффициент дезинтеграции массы даже при алюминиевых корпусах. Чем больше
объём блока, тем больше должно быть избыточное давление при одном же сроке
службы и тем более толстые стенки должен иметь корпус. Это является одним
из недостатков такого рода конструкций, обусловленных требованием их
герметичности. Корпуса блоков могут иметь стандартные размеры и форму, а
для аппаратуры специального назначения чаще всего выбираются из условия
минимальных масс, объёмов требуемых форм и степени планарности,
обеспечивающих заданные тепловые режимы и вибропрочность при минимальных
объёмах.
