4.1 Выбор и обоснование элементной базы и материалов, схемотехническое проектирование

Критерием выбора элементной базы (ЭБ) для любой проектируемой ЭВМ является возможность обеспечения конкретными ИМС и ЭРЭ требований, изложенных в ТЗ на разработку (причем с минимальными экономическими затратами). Основные параметры, учитываемые при выборе ИМС и ЭРЭ являются:

а) технические параметры:

номинальные значения параметров ИМС и ЭРЭ согласно схеме электрической принципиальной;

допустимые отклонения номинальных значений величин ИМС и ЭРЭ;

допустимые рабочие напряжения ИМС и ЭРЭ;

диапазон рабочих частот.

б) эксплуатационные параметры:

диапазон рабочих температур;

относительная влажность воздуха;

давление окружающей среды;

вибрационные нагрузки и т. д.

Дополнительными критериями при выборе ИМС и ЭРЭ являются: унификация ИМС и ЭРЭ, их масса и габариты, минимальная стоимость стоимость, надежность. Выбор ЭБ по вышеназванным критериям позволяет обеспечить надежную работу изделия при соблюдении всех требований, изложенных в ТЗ на разработку. Применение принципов стандартизации и унификации при выборе ИМС и ЭРЭ, а также при конструировании изделия в целом позволяет получить следующие преимущества:

1.Сократить сроки и стоимость проектирования.

2. Сократить на предприятии - изготовителе номенклатуру применяемых деталей и сборочных единиц.

3. Исключить разработку специальной оснастки и специального оборудования для каждого нового варианта РЭА, т.е. упростить подготовку производства.

4.Снизить себестоимость изделия.

Определяющими факторами при решении вопроса о выборе ЭБ для разрабатываемого устройства следующие предпосылки: во-первых, предъявленные в техническом задании требования к разработке по быстродействию. Следовательно, применяемая элементная база должна обеспечивать заданные временные характеристики системы. Во-вторых, точностные требования, изложенные в ТЗ к датчикам (погрешность измерения - 2%), накладывают ограничения на схемотехнические решения в модуле АЦП и применяемую элементную базу таким образом, чтобы погрешность измерений, вносимая аппаратурой модуля была не больше погрешностей измерений, вносимых датчиками. Одновременно с этим, следует отметить, что нецелесообразно добиваться точности ля аппаратуры модуля порядка десятых долей процента. В-третьих, разрабатываемый модуль является встраиваемым в ПЭВМ. Отсюда вытекает ограничение на его размеры и, следовательно, на типоразмеры (минимальную степень интеграции) применяемых ИМС. В-четвертых, предъявляемые в ТЗ эксплуатационные требования (условия эксплуатации системы, заданные параметры надежности, требования к уровню радиопомех) также накладывают соответствующие ограничения на применяемую элементную базу. И, наконец, в-пятых, важным фактором при выборе применяемой элементной базы является экономический критерий. Теоретически реализация схемотехнических решений разрабатываемой системы возможна в виде нескольких БИС и небольшого количества согласующих элементов. Однако, учитывая единичный объем выпуска разрабатываемой системы, такой подход не является приемлемым из-за необоснованно больших экономических затрат.

В связи с вышеизложенным, для схемотехнической реализации разрабатываемого модуля целесообразно применять микросхемы распространенных на рынке «отечественных» серий (541, 555, 559 1533), а также электронные компоненты одного из мировых лидеров в области микроэлектроники фирмы Analog Devices, которые сочетают в себе хорошие эксплуатационные параметры и низкую стоимость. Следует отметить целесообразность сокращения списка производителей (поставщиков) применяемой элементной базы (в связи со схемотехнической «совместимостью» и учитывая технологические критерии).

Рассмотрим схемотехническую реализацию узлов и блоков разрабатываемого модуля, представленных на схеме электрической структурной (БГУИ. 411117. 001Э1).

Из множества применяемых датчиков для измерения температур для проектируемой системы с учетом требований, изложенных в техническом задании (область применения системы, ее точностные характеристики, диапазон рабочих температур) в качестве датчиков наиболее целесообразным видится использование интегральных измерителей температуры. Они имеют гарантированные по ТУ характеристики (п.2), компактны и недороги [5]. Наиболее приемлемыми с этой точки зрения являются датчики фирмы Analog Devices ТМР01. Для них разработана «фирменная» схема включения, обеспечивающая низкочастотную фильтрацию и усиление сигнала (рисунок 4.1.1).

Рисунок 4.1.1 - Схема включения интегральных датчиков температуры ТМР01 (Analog Devices)

Необходимо «развернуть» сигнал, поступающий от датчиков до напряжения, максимально близкого к напряжению полной шкалы преобразователя. Учитывая, то рабочий диапазон температур составляет 130⁰С, температурный коэффициент у ТМР01 - 10 мВ/⁰С, а напряжение полной шкалы у применяемого преобразователя (см. ниже) - 10В [7], следовательно, напряжение от датчика необходимо увеличить в семь раз, что и выполняет соответствующий усилительный каскад, выполненный на микросхемах (для первого канала) DA 13, DA25 (AD817). Конденсатор С1 обеспечивает дополнительную низкочастотную фильтрацию сигнала.

Узел аналоговой коммутации (АК) выполнен на аналоговом мультиплексоре ADG406 (DA37). Инвертированный сигнал с мультиплексора подаётся на усилительный каскад (на DA40) с коэффициентом передачи равным 1 - таким образом, после двойной инверсии сигнал представлен в требуемом виде.

Напряжение, снимаемое с DA40, необходимо смесить таким образом, чтобы оно полностью входило в интервал входного напряжения ЦАП. Для этой цели построен каскад на усилителе DA41 и преобразователе DA38 (BB05D2,5). Данный преобразователь осуществляет преобразование напряжения +5В (от шины ПЭВМ) в гальванически развязанные потенциалы ±2,5В.

Управление выбором канала осуществляется через элементы VD1… VD4 (АОД130А) блока гальванической развязки БГР и реализовано на элементах DD21 (К561ПУ4), DD22 (К1533ЛН2), DD26 (К1533ИД5), DD27 (К1533ЛА3). Сигнал с DD26 поступает непосредственно на адресные входы аналогового мультиплексора.

Выбор разрядности аналого-цифрового преобразователя для модуля будет определяться его разрешающей способностью (погрешность преобразования, которая определяется младшим разрядом преобразователя [8], не будет играть существенной роли в определении разрядности преобразователя из-за относительно малой требуемой точности измерений).

Разрешающая способность преобразователя определяется по формуле

[В] (4.1.1)

где U_пш - напряжение полной шкалы преобразователя, В; n - количество разрядов преобразователя.

Если принять, что значение напряжения полной шкалы составляет 10 В (наиболее распространенная величина [7]), n = 10, то тогда получим

Учитывая значение температурного коэффициента выбранных датчиков, можно сделать вывод о том, что 10-разрядный преобразователь не обеспечит требуемой точности (беря во внимание реальное наличие некоторых наводок в аналоговом тракте). Следовательно, необходимо выбрать 12-разрядный преобразователь.

Как было отмечено и обосновано в п.3, аналого-цифровой преобразователь целесообразно построить как преобразователь напряжение-код (ПНК). ПНК реализован на основе регистра последовательного приближения DD11 (К1533ИР17), ЦАП DА39 (К1108ПА1), операционного усилителя DА43 (К554УД2А), компаратора DА42 (К554СА3), ждущего генератора тактовых импульсов на элементах DD1 (К1533ЛА3), L1, С25, R121, R130.

Переменным резистором R152 компенсируется абсолютная погрешность преобразования ПНК в конечной точке шкалы.

Схема запуска ПНК построена на элементах DD1 (К1533ЛА3), DD4 (К1533АГ3). Элементами R131 (R_t) и С27 (C_t) задается длительность выходного импульса, которая определяется по формуле:

t _{и. вых.}= 0, 45 R_t * C_t, , (4.1.2)

Выбрав R=10 кОм и С=10 пФ сформированный генератором импульс надежно обеспечит запуск преобразователя [7]. На выводе QCC (3) регистра DD11 формируется сигнал завершения преобразования (активный - «0»), который по цепи связи обратной связи запускает ждущий генератор тактовых импульсов.

Источник питания для аналоговых схем и опорного напряжения для ПНК (±15В, U_оп= +10В) выполнен на элементах VD9 (КС191Ф), сдвоенном операционном усилителе DA45 (К140УД20А), транзисторе VТ7 (КТ3102Б) и преобразователе DA44 (BB05D15). . Данный преобразователь осуществляет преобразование напряжения +5В (от шины ПЭВМ) в гальванически развязанные потенциалы ±15В. Учитывая большой выходной ток BB05D15, от данной схемы можно запитывать все ИМС аналоговой части модуля.

Регулирование опорного напряжения U_оп осуществляется переменным резистором R202 в цепи отрицательной обратной связи ОУ (DA45).

Блок дешифрации и сопряжения включает в себя: 1) дешифратор адресов, собранный на элементах DD5 (К559СК1), DD2 (К1533ЛН1), DD10 (К153ЛИ1), DD3 (К555РЕ3), DD7 (К1533ИД7). Выбор базового адреса осуществляется с помощью переключателей SA1 (ВДМ1-4) и SA2 (ВДМ1-2). Базовый адрес устройства - ХХ0₁₆ , где значения Х задаются положениями переключателей SA1 и SA2. Пример задания базового адреса устройства приведен в Приложении.

В таблице 4.1.1 приведены смещения адресов функциональных частей, входящих в состав БДшС, относительно базового.

Таблица 4.1.1 - Относительные адреса функциональных частей, входящих в БДшС

Таблица прошивки ПЗУ для данных адресов смещений приведена в Приложении.

Преобразователь последовательного кода в параллельный выполнен на микросхемах DD23 - DD25 (К1533ИР16) и DD20.6 (К1533ЛН2).

Буфер для вывода информации с ПНК в ПЭВМ построен на микросхемах DD28 (К1533ИР22) DD29 (К1533ЛП10), которые управляются сигналами R_LOW_L и R_HI_L, поступающими через дешифратор адресов с шины ПК.

Буфер сигналов шины данных, адреса и управляющих сигналов реализован на микросхемах DD8 (КР580ВА86), DD2 (К1533ЛН1).

Формирователь сигналов системного прерывания выполнен на элементах DD12 (К1533ТМ2), DD15 (К1533ЛЕ1), DD17 (К1533ЛЛ1). Вектор прерывания с IRQ9 по IRQ12 выбирается соответствующей распайкой перемычки Е1. Запросы на прерывание генерятся (если разрешены) после каждого такта оцифровки. При чтении младшего байта результата преобразования прерывание сбрасывается.

Регистр номера канала и разрешения сигнала прерывания, реализован на микросхеме DD13 (К1533ТМ9). В таблице 4.1.2 приведены его формат и состояние разрядов в зависимости от выполняемой функции.

Таблица 4.1.2 - Формат и состояние разрядов регистра номера канала и разрешения сигнала прерывания

Регистр режима работы реализован на микросхеме DD14 (К1533ТМ2). В таблице 4.1.3 приведены его формат и состояние разрядов в зависимости от выполняемой функции.

Таблица 4.1.3 - Формат и состояние разрядов регистра режима работы

Программный запуск осуществляется при обращении по адресу ХХ5 (таблице 4.1.1) при сброшенном в нуль разряде D0 регистра режима.

Блок дешифрации и сопряжения включает в себя также дополнительную логику, осуществляемую вспомогательные функции по согласованию логических уровней составных частей устройства для синхронизации их работы, которая реализована на логических элементах серии 1533.

Программируемый таймер реализован на микросхемах DD19 (КР580ВИ53) и DD9 (К1533ИЕ7) - предварительного делителя на 16. Канал 0 таймера осуществляет деление входной частоты с программируемым пользователем коэффициентом. Канал 1 задает частоту тактирования для АЦП при запуске его от таймера, что определяется разрядом 0 регистра режима работы. Частота тактовых последовательностей задается программно и должна позволять полностью завершить весь процесс измерения и обновления информации.

Передача данных и управляющих сигналов от АЦП к блоку дешифрации и сопряжения осуществляется через диоды VD6…VD8 (АОД130А) блока гальванической развязки БГР и транзисторы VT61…VT6 (КТ306Б и КТ326БМ).

Выбор разъемного соединителя для подключения к модулю АЦП датчиков температуры определяется следующими факторами: 1) количество соединительных линий равно 24; 2) отсутствие требований по некритичности соединителя к работе в высокочастотных электрических цепях, к большим значениям рабочих токов (А) и напряжений (В); 3) наличие конструктивно - технологических ограничений, которые сводятся к минимизации размеров применяемого соединителя и использованию печатного монтажа для его электрического соединения с платой; 4) условия эксплуатации должны удовлетворять требованиям, изложенным в ТЗ на разработку; 5) в связи с тем, разъемные соединители среди других ЭРЭ, используемых в конструкции, обладают одними из наиболее низких показателей надежности [9], необходимо стремиться выбрать соединитель с максимальным значением наработки на отказ.

Учитывая вышеизложенное, в качестве соединителя подключения к модулю АЦП датчиков температуры целесообразно использовать вилку СНО52-30/56-9В-23-В [10].

Информация о подключении выводов микросхем к шинам питания и земли приведена в Приложении.

Реализация принятых схемотехнических решений при проектировании модуля АЦП представлена на схеме электрической принципиальной (БГУИ. 411117. 001Э3).

Среди общих требований, предъявляемых к материалам конструкций ЭВМ, можно выделить следующие:

1) обеспечение с заданной по ТЗ надежностью режимов работы устройства (требования по электромагнитной совместимости, помехоустойчивости, диэлектрическим потерям, тепловым режимам и др.);

2) требования, с точки зрения физико-химических свойств (хорошая обрабатываемость, прочность, малая масса, высокая степень сохраняемости свойств в процессе эксплуатации, негорючесть, экологическая чистота);

3) низкая стоимость.

Для разрабатываемой конструкции среди критериев, определяющих выбор применяемых материалов, основными являются следующие: во-первых, входные сигналы (и их обработка) не являются быстроизменяющимися [8]. Следовательно, к применяемым материалам не предъявляется особых требований по обеспечению конструктивной помехозащищенности аппаратных средств. Во-вторых, по представленному техническому заданию по совокупности значений климатических, механических и радиационных факторов разрабатываемая система относится к группе 1. К данной группе относятся стационарные ЭВМ и системы, работающие в отапливаемых наземных и подземных сооружениях [2], и, следовательно, к применяемым материалам устройства не выдвигаются дополнительные требования в связи с воздействиями на конструкцию каких-либо то неблагоприятных внешних факторов.

Для осуществления выбора материала основания для печатной платы (ПП) разрабатываемого модуля необходимо определить тип, класс точности и используемую технологию изготовления ПП.

При выборе типа ПП учитываются следующие факторы: 1) возможность выполнения всех коммутационных соединений; 2) возможность автоматизации процесса изготовления, контроля, а также установки компонентов; 3) технико-экономические показатели.

Выбирая тип ПП, необходим учет того, что односторонние и двухсторонние печатные платы обладают сравнительно низкими коммутационными способностями, но имеют низкую стоимость и повышенную ремонтопригодность. Многослойные же печатные платы хотя и обладают высокой коммутационной способностью и повышенной помехозащищенностью, практически неремонтопригодны и дорогостоящи.

ГОСТ 23751-86 устанавливает пять классов точности для ЭПМ. Платы 1- го и 2-го классов точности используются при установке дискретных элементов, при малой или средней насыщенности ими монтажной поверхности. Платы 3-го класса используют при установке микросхем и микросборок, а также безвыводных навесных элементов при средней и высокой насыщенности ими монтажного пространства. Печатные платы 4-го класса точности используются при высокой степени насыщенности, а 5-го класса - при очень высокой степени насыщенности микросборками и БИС монтажного пространства.

Учитывая количество используемых микросхем и ЭРЭ в разрабатываемой конструкции, число внешних и внутренних связей, а также конструктивные ограничения, накладываемые требованием по использованию стандарта ISA, наиболее целесообразно выбрать для разрабатываемой ПП модуля 3-ий класс точности. Следовательно, в качестве метода изготовления ПП можно выбрать комбинированный негативный метод. Наиболее часто используемые материалы - фольгированные стеклотекстолиты.

Выбор данного класса точности будет подтвержден в дальнейшем (после конструктивно-технологического расчета элементов печатного монтажа (ЭПМ)) выбором и расчетом конкретных значений размеров ЭПМ, вытекающих из конструктивно-технологических и электрических требований.

Для защиты печатных проводников и поверхностей основания ПП от воздействия припоя, защиты элементов проводящего рисунка от замыкания навесными элементами целесообразно применение диэлектрического покрытия (например, на основе лака).

Планку для крепления платы модуля АЦП к задней панели ПЭВМ, в которую встраивается устройство, целесообразно изготовить из листовой анодированной стали.

Конкретные марки применяемых материалов указаны в технологической части проекта.

После обоснования и принятия схемотехнических решений необходимо произвести расчет надежности модуля АЦП и сопоставить полученные результаты с требованиями, изложенными в ТЗ.