Скачать

Модуль аналого-цифрового преобразователя

Аппаратура контроля технологических процессов находит широкое применение Усовершенствование конструкции и повышение её эффективности является важной задачей на данном этапе развития радиоэлектронной аппаратуры.

Концепция данного курсового проекта заключается в разработке блока для контроля технологических процессов.

В составе многоканального цифрового измерительного преобразователя сигналов температурных датчиков и сигналов постоянного тока (МИП) используются аналогово-цифровой преобразователь, модуль соединителя, модуль коммутатора, модуль контроллера, модули памяти, аналоговых выходов, сигнализации отклонений, интерфейса, пульта оператора.

МИП предназначен для преобразования выходных аналоговых электрических сигналов первичных преобразователей (датчиков) температуры, а также сигналов напряжения и силы постоянного тока в кодированный электрический сигнал, обеспечивающий обмен информацией с ЭВМ, терминальными и печатающими устройствами по стандартным интерфейсам (ИРПР и ИРПС) работает с тремя средствами вычислительной техники.

Темой курсового проекта является разработка аналого-цифрового преобразователя сигналов от первичных датчиков и преобразование в цифровые электрические сигналы. В задание на курсовой проект входят технические характеристики АЦП, а также условия эксплуатации, при которых необходимо обеспечить бесперебойную работу всего блока.

1 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И ИХ АНАЛИЗ

1.1 Развернутое задание проектирования блока

Развернутое техническое задание представляет собой документ, устанавливающий основное назначение и показатели качества изделия, технико-экономические и специальные требования, предъявляемые к изделию.

Название изделия – модуль АЦП;

Назначение изделия – преобразовывать в цифровой код аналоговую информацию от первичных датчиков;

Блок должен иметь следующие электрические параметры:

-потребляемая мощность не более 30 Вт;

-работать от сети 220 В (50 Гц)

Коэффициент применяемости не менее 0,6:

Требования к конструкции:

- габаритные размеры не более 460×210×210 мм;

- цвет – светло-серый;

- масса – не более 5 кг;

- допустимая температура корпуса блока не более 40°С:

- исполнение УХЛ категория 4.1 по ОСТ.15150-79;

Характеристики внешних воздействий для режима работы:

- температура окружающей среды 263-303 К;

- относительная влажность воздуха 65% при 293 К;

- диапазон частот вибрации 10-70 Гц;

- виброускорение 7,8 – 37 м/с².

Среднее время наработки на отказ T₀ – не менее 3000 часов;

Среднее время восстановления – не более 4 часов;

Тип производства – серийный.

1.2 Описание и анализ схемы электрической принципиальной

Сигнал от первичных датчиков поступает через фильтр высокочастотных и импульсных помех на вход предварительного усилителя (ПУ), коэффициент передачи которого определяется положением ключей К5, К6 и равен 5 при замкнутом К5 (К6 разомкнут) и 1 при замкнутом К6 (К5 разомкнут). С выхода ПУ сигнал поступает на вход инвертирующего усилителя (ИУ), имеющего фиксированный коэффициент передачи равный 10. Выход ИУ через ключ К7 присоединяется к первому из входов интегратора (ИН). Ко второму входу ИН присоединяется источник опорного напряжения СИ через ключ К8. Параллельно интегрирующей ёмкости ИН присоединен трехступенчатый ключ К8. Параллельно интегрирующей ёмкости ИН присоединен трехступенчатый ключ К9-К11. Интегратор имеет три режима работы: интегрирования- замкнуты ключи К7 или К8 а также ключи К7,К8,К9,К10, замкнут ключ К11; обнуление- разомкнуты К7, К8, К11, замкнуты ключи К9, К10. Ключ К11 служит для компенсации утечки через разомкнутые ключи К9, К10 в режимах интегрирования и хранения.

Выход ИН через резистор подключен к входу компаратора (КМП), к этому же входу через другой резистор подключен СИ, создающий начальное смещение и сдвиг нулевого уровня характеристики АЦП. Выход КМП присоединяется к устройству логического управления (УЛУ) цифровой части АЦП.

Цифровая часть включает также формирователь временных интервалов (ФВИ), счетчик (СЧ), генератор (ГН), регистры управляющего слова (РГ)1, (РГ)2 , дешифраторы, управляющие коммутатором, (ДШ)1, (ДШ)2, а также трансформаторный и оптронные гальванические разделители, через которые осуществляется связь с контроллером.

На ФВИ поступает напряжение сетевой частоты. На выходах ФВИ вырабатываются четыре последовательности прямоугольных импульсов(фазы) Ф1-Ф4. Фронты импульсов каждой из указанных последовательностей совпадают с моментами перехода через сетевого напряжения. ФВИ вырабатывает также импульсы сброса СЧ, следующие с удвоенной по отношению к сети частотой.

Кварцевый генератор меток ГН вырабатывает импульсы длительностью около 0,2 мкс, следующие с частотой 2,5 МГц. Через схему совпадения импульсы поступают на вход 16-разрядного счетчика. С помощью фиксирующих схем, установленных на входах четырех старших разрядах СЧ, вырабатываются 3 последовательности импульсов п1, п2, п3. Передний фронт импульсов п1 соответствует 24576 меткам (6000Н), что соответствует 9,8304 мс, передний фронт п2-16384 меткам (4000Н) или 6,5536мс, передний фронт 8192 меткам (2000Н) или 3,2768 мс, а задний фронт п3 совпадает с передним фронтом п2. Задние фронты п1 и п2 определяются импульсами сброса, вырабатываемыми в моменты прохождения сетевого напряжения через ноль. Первый такт интегрирования задается управляющим сигналом, определяемым логической комбинацией (Ф3*п1). При единичном значении этого сигнала ИН находится в режиме интегрирования (ключ К7 замкнут),а при нулевом – в режиме хранения (ключ К7 разомкнут). При изменении частоты сети изменяется только положение заданного фронта п1 и соответственно длительности режима хранения ИК. Таким образом, в первом такте интегрирования напряжение на выходе интегратора изменяется под действием входного напряжения и достигает уровня, зависящего только от величины входного сигнала к независящего от периода сетевого напряжения.

Начало второго такта интегрирования происходит по переднему фронту Ф4. При этом замыкается ключ КВ и счетные импульсы начинают проходить через схему гальванического разделение в контроллере. Под действием напряжением ОИ напряжение на выходе ИН изменяется от уровня, достигнутого в конце первого такта, стремясь к нулю и далее в область положительного напряжения. При равенстве напряжений срабатывает КМП и УЛУ останавливает прохождение счётных импульсов в контроллер, фиксируя конец преобразования. Одновременно по сигналу УЛУ интегратор переводится в режим обнуления и в промежуток времени, оставшийся до конца второго такта, конденсатор ИН разряжается до нуля.

В течении второго такта ключ К7 разомкнут и напряжение на входе ПУ и соответственно на выходе ИУ не влияет на работу ИН.

В интервале, когда логический сигнал (Ф1*Ф2*п2) имеет низкий уровень, замкнут ключ К3 и разомкнут ключ К4, при этом от источника Е через ограничительный резистор на вход АЦП протекает тренировочный ток, замыкающий через подключенную пару контактов коммутатора, линию связи с датчиком и внутреннее сопротивление датчика.

Величина тренировочного тока выбирается существенно больше нижней допустимой границы коммутируемоготока, указанной в ТУ на безъякорные реле РКГ15, используемые в коммутаторе, и значительно меньше верхнего предельного значения.

Протекание тренировочного тока через контакты реле препятствует возникновению на них окисных пленок, нарушающих контакт. Импульс тренировочного тока используется одновременно и для контроля исправности линии связи с датчиком. В интервале времени, задаваемом низким уровнем логического сигнала (Ф1*Ф4*п3), УЛУ определяет уровень сигнала в точке «0» структурной схемы. Если цепь датчика оборвана, то в этой точке устанавливается высокий уровень и в УЛУ вырабатывается сигнал “обрыв”, передаваемый далее по линии “флаги” в контроллер. Если цепь датчика исправна, то падение напряжение от импульса тренировочного тока, возникающее в низкоомной (менее 10 кОм) цепи датчика, мало и сигнал “обрыв” не вырабатывается.

Ключ К4 служит для компенсации тока утечки от источника Е на вход АЦП. В течение всего периода работы АЦП, за исключением интервала времени, в который проходит тренировочный импульс, этот ключ замкнут, а ключ КЗ разомкнут и ток утечки от источника Е замыкается на общую точку. В интервале времени, определяемым низким уровнем логического сигнала (Ф1*Ф4*п2), на регистры управляющего слова (РУС) РГ1 и РГ2 переводиться принудительно в состояние высокого уровня. На выходах ДШ1, ДШ2 этому состоянию РУС соответствует комбинация сигналов, обуславливающая замыкание ключа К1 АЦП и размыкание всех контактов коммутатора. Таким образом, в интервале “блокировка РУС” вход АЦП подключен на общую точку, а все каналы коммутатора разомкнуты. В течении этого же интервала контроллер передает по линиям “управляющее слово” и “тактовые импульсы” новое управляющее слово, которое записывается в РГ1 и РГ2. После снятия сигнала “блокировка РУС” это слово поступает на дешифраторы ДШ1, ДШ2 и обеспечивает включение нужного канала коммутатора, а также через выход “К5,К6” РГ2- установку нужного диапазона измерения АЦП. Четыре старших разряда поступают на ДШ1 и задают адрес одного из 10 рабочих каналов, либо адрес вспомогательных каналов – компенсации температуры холодных спаев термопар, коррекция рабочего тока термопреобразователей сопротивления, коррекции нулевого уровня АЦП и калибровки коэффициента передачи АЦП. Три следующих разряда задают адрес требуемого модуля коммутатора, а младший разряд определяет диапазон измерения АЦП. Сдвиг нулевого уровня характеристика, получаемый за счет смещения вводимого на вход КМП от ОИ, обеспечивает возможность обработки сигналов отрицательной полярности для соответствующих видов термопар. Величина выходного кода, соответствующая значению около 45000, вызывает в УЛУ сигнал передачи, воздействующий на интегратор и передающий его в режим обнуления.

1.3 Анализ соответствия электронной базы условиям эксплуатации

 Таблица 1- Условия эксплуатации ЭРЭ

Оценка элементной базы показывает, что элементы соответствуют условиям эксплуатации

1.4 Патентный поиск и анализ аналогичных устройств

Аналогом МИП является применяемый раннее блок УПУ-ТП.Блок УПУ-ТП предназначен для управления работой автоматических линий применяется в системах управления технологическими процессами в станкостроительной, автомобильной и других отраслях промышленности.Принцип работы основан на обработке аналоговых сигналов и выработку управляющих сигналов.

Конструкция УПУ-ТП блочно-модульная. Степень защиты блока соответствует группе IR 30 ГОСТ 14254-80 Блок УПУ-ТП устойчив к воздействию вибрации частотой от 5 до 25 Гц с амплитудой не более 0,1 мм. Средний срок службы УПУ-ТП не менее 14 лет.

Среднее время восстановления не более 0,5 ч. Наработка на отказ 3000ч.

2.ПРОЕКТИРОВАНИЕ БЛОКА

2.1 Компоновка блока

Таблица 2- Матрица КВ

1) Для А2

Для А3

Для А4

Для А5

Для А6

Для А7

А1UА2

2) Для А3

Для А4

Для А5

Для А6

Для А7

А1UА2UА3

3) Для А4

Для А5

Для А6

Для А7

А1UА2UА3UА4

4) Для А5

Для А6

Для А7

А1UА2UА3UА4UА5

5) Для А6

Для А7

Получаем порядок объединения модулей в блок

А1UА2UА3UА4UА5UА6UА7

Таблица 3-Габариты конструтивов

Внутренний объем корпуса блока (445х185х195) равен V1=16,1 л.

Суммарный объем всех конструктивов V2=9,8 л.

Коэффициент заполнения объема Кз.о. = V2/ V1=9,8/16,1=0,61

Приведенная площадь Sпр=Sблока/Sшара=4103/3083=1,33

Таблица 4-Оценка критериев

q1-функциональные связи

q2-тепловые связи

q3-магнитные связи

q4-электрические связи

q5-использование объема

Оцениваем критерии, выбираем наилучший вариант.

Для критериев q1 и q2 предпочтительными являются наименьшие значения, а для q3, q4, q5-наибольшие.

Наилучший вариант №2

2.2 Разработка несущей конструкции

Габаритные размеры и масса блока во многом зависит от применяемых в нем материалов и конструкторских решениях. Внутренние ячейки блока выполнены по модульному типу. Каждый модуль может быть легко заменен в случае его выхода из строя.

Блок должен иметь облегченную конструкцию, поэтому в качестве материала несущей конструкции выбираем сплавы алюминия, а токопроводящие элементы выполним из меди. Для антикоррозионной стойкости все платы покрываются лаком ЭП–730. Для обеспечения внешней эстетичности, а также для антикоррозионной стойкости наружные поверхности покрываются эмалью.

Конструкция блока МИП состоит корпуса (поз. 2) с установленными на него передней (поз. 5) и задней (поз. 4) панелями. Передняя панель может поворачиваться на оси (поз. 1) для быстрого доступа к модулям.

На боковых поверхностях блока имеются отверстия с резьбой для крепления в шкаф или стойку.

Габаритные размеры блока 450´200´210 мм. Масса 4.8 кг.

2.3 Защита блока от механических воздействий

Расчет защиты блока производят путем анализа и проверки надежности наиболее нагруженных частей.

Обычно первыми из строя выходят радиоэлементы, элементы проводящего рисунка, затем детали несущей конструкции блока.

Рассчитаем прогиб средней части печатной платы, обусловленный статическими нагрузками:

,

где  статический прогиб средней части, см; -коэффициент,

а- ширина печатной платы, см; b- длина платы, см; t-толщина платы, см; Е- модуль Юнга , ; q- однородная нагрузка на плату, .

Q=P/ab,

P-полный вес платы;

P=10abt; P=10*(165*185*2)=110г.

;

q-980 см/сек.

-статистический прогиб средней части, см

.

Максимальный прогиб обусловленный инерционными нагрузками:

=*q;

=0,014*9,8=0,14см;

;

.

Усилие среза:

;

.

Болт отказывает из-за среза

;

;

;

.

Срез основного материала:

;

;

;

.

Суммарный вклад в надежность блока несущей конструкции 1/1,22.

2.4 Расчет теплового режима

Основной причиной отказов печатных узлов является различие температурных коэффициентов расширения (ТКР) метала и диэлектрика входящих в структуру печатных плат.

Отказы гибридно-интегральных модулей под воздействием температуры, главным образом, возникают при нарушении отвода тепла и местных перегревах, особенно опасных для кристаллов интегральных схем.

В блоках, шкафах, стойках РЭА при нормальных климатических условиях и естественном охлаждении около 70% тепла отводиться конвекцией, 20%-излучением и 10%-теплопроводностью.

По тепловому режиму блоки делят на теплонагруженные (тепловая нагрузка свыше ) и нетеплонагруженные (до ).

При анализе следует учитывать, что системы естественного охлаждения отводят тепловые потоки плотностью , принудительно-воздушного , жидкостного , испарительного

.

Данный блок потребляет не более 30 Вт от сети. Тепловыделения в модулях блока в среднем менее, следовательно, блок является нетеплонагруженным и при естественном охлаждении в нормальных условиях, блок будет функционировать нормально.

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО УЗЛА

3.1 Материал и метод изготовления печатной платы<