Разработка и описание принципиальной схемы устройства

Принципиальная схема – это схема, определяющая полный состав элементов и связей между ними и, как правило, дающая детальное представление о принципе работы устройства. Принципиальной схемой пользуются при изучении принципов работы изделия и при его контроле, наладке и ремонте. Схема служит основанием для разработки другой документации.

Используя схему структурную, можно создать схему принципиальную, состоящую всё так же из генератора и делителя.

Генератор строится на микросхеме SN7400(DD1). Соединяя между собой выводы 1 и 2, 3-4-5, 6-9-10. Причём вывод 1 и 6 объединяем между собой через конденсатор С1, а выводы 2 и 8 через резистор R1. С вывода 8 снимаем выходную последовательность импульсов прямоугольной формы, заданной последовательности, причём частота импульсов зависит от выбранного резистора и конденсатора, чем больше их номиналы, тем меньшая частота у сигналов на выходе.

Делитель импульсов строится на микросхеме SN7490(DD2) - счётчике. Основой их служат триггеры со счетным входом. По логике действия и функциональному назначению счетчики импульсов подразделяют на цифровые счетчики и делители частоты. Первые из них обычно называют просто счетчиками. Делители частоты считают входные импульсы до некоторого задаваемого коэффициентом счета состояния, а затем формируют сигнал переключения триггеров я нулевое состояние, вновь начинают счет входных импульсов до задаваемого коэффициента счета и т. д.

Состоит микросхема из четырёх синхронных JK-триггеров. Микросхема SN7490 - двоично-десятичный четырехразрядный счетчик. В нем также четыре триггера, но первый из них имеет отдельные вход С1 (вывод 14) и отдельный прямой выход (вывод 12). Три других триггера соединены между собой так, что образуют делитель на 5. Входная последовательность от генератора DD1 с выхода 8 поступает на синхронизирующий вход 1 микросхемы DD2, выходной сигнал снимают с вывода 11.

В МС SN7400 ножка на питание – вывод 14, у МС SN7490 – вывод 5. Ножки общие – 7 и 10 соответственно.

 

Анализ принципиальной схемы устройства с помощью прикладных программ.

В качестве прикладной программы используем программу Electronics Workbench 512. Она предназначена для анализа принципиальных схем электронных устройств. В своём наборе элементов она имеет микросхемы, резисторы, конденсаторы, катушки, источники питания, контролирующие приборы. Для того, чтобы собрать схему делителя частоты на 5 нам нужно: 2 микросхемы SN7400 и SN7490, резистор номиналом 2 кОм, конденсатор номиналом 22 нФ, один источник постоянного питания, заземление и осциллограф. Схема собирается посредством соединения соответствующих ножек микросхем с другими элементами принципиальной схемы устройства.

Рисунок 4 Принципиальная схема делителя частоты на 5

 

Собрав данную, схему мы проверяем её работоспособность, включая тумблер и контролируя сигналы на осциллографе.

Рисунок 5 Временные диаграммы работы делителя частоты на 5

 

По данной осциллограмме мы можем увидеть: импульсы входной частоты (красного цвета) и импульсы выходной частоты (чёрного цвета). Не трудно заметить, что частота следования выходных импульсов в 5 раз ниже, чем входных. Следовательно, делитель работает верно, что и показывает нам прикладная программа.

 

Расчёт быстродействия и потребляемой мощности.

К основным параметрам цифровых интегральных микросхем относятся: 1)статические; 2)динамические; 3)интегральные.

Статические: МС К155ЛА3 - U0вых=0,4В; U1вых=2,4В; I0вх=-1,6мА; I1вх=0,04мА; I0вых=16мА; I1потр=8мА; I0потр=12мА.

МС К155ИЕ2 - U0вых=0,4В; U1вых=2,4В; I0вх=-1,6…-3,2мА; I1вх=0,04…0,16мА; Iпотр=53мА.

Динамические: МС К155ЛА3 – tзд.р.1,0=15нс, tзд.р.0,1=22нс

tр1= (tзд.р.1,0+tзд.р.0,1)/2=(15+22)/2=18,5нс.

 

МС К155ИЕ2 - tзд.р.1,0=50нс, tзд.р.0,1=48нс.

tр2= (tзд.р.1,0+tзд.р.0,1)/2=(50+48)/2=49нс.

 

tсраб.= tр1+ tр2=18,5+49=67,5нс

Интегральные: т.к. в данном устройстве используются МС малой и средней интеграции, то степень интеграции равна 2.

N=100, он показывает сколько элементарных элементов может войти в данную микросхему.

Потребляемая мощность.

P1=Uпит.1*Iпотр.2=5*12=0,06Вт

P2=Uпит.2*Iпотр.2=5*53=0,265Вт

Pr=1Вт

Pобщ.=P1+P2+Pr=0,06+0,265+1=1,325Вт

 

 

Расчёт надёжности.

Сначала необходимо определить интенсивность отказов λ(t) которое определяет число отказов n(t) устройства в единицу времени, отнесенное к среднему числу N_i устройств, работоспособных к моменту времени

Λ(t) = n(t)/(N_i ∆t), (1)

где ∆t – заданный отрезок времени.

Мое устройство представляет собой совокупность (систему) взаимосвязанных электронных, электрических и механических (ФСУ расчета) устройств, каждое из которых имеет свой показатель надежности. Надежность устройства как системы характеризуется потоком отказов Λ, численно равным сумме интенсивности отказов его отдельных устройств

Λ = ∑ λ _i (2)

^{i =1}

По данной формуле рассчитывается поток отказов устройства и отдельных узлов, состоящих, в свою очередь, из различных элементов, характеризующихся своей интенсивностью отказов.

Формула (2) справедлива для расчета потока отказов системы из n элементов в случае, когда отказ любого из них приводит к отказу всей системы в целом. Такое соединение элементов получило название логически последовательного или основного. Кроме того, существует логически параллельное соединение элементов (узлов, блоков, устройств), когда выход из стоя одного из них не приводит к отказу системы в целом.

Средняя наработка до отказа Т₀ – это математическое ожидание наработки устройства до первого отказа (может быть определена по потоку отказов)

Данные формулы позволяют выполнить расчет надежности устройства, если известны исходные данные – состав устройства, режим и условия его работы и интенсивности отказов его компонентов. При практических расчетах надежности возникают трудности из-за отсутствия достоверных данных о λ _i для большой номенклатуры элементов, узлов и элементов устройства. Выход из этого положения дает применение так называемого коэффициентного метода, который используется при расчете надежности устройства.

Сущность коэффициентного метода состоит в том, что при расчете надежности устройства используют абсолютные значения интенсивности отказов λ _i, а коэффициенты надежности k_i, связывающие значения λ _i c интенсивностью отказов λ _б какого – либо базового элемента

К.П. Т 1104.31.02.8846.ПЗ.

Изм Лист N докум. Подп. Дата

2

Лист

K_i = λ _i /λ _б

Коэффициенты надежности k_i практически не зависят от условий эксплуатации и для данного элемента являются константой, а различие условий эксплуатации учитывается соответствующим изменением λ_б. Обычно в качестве базового элемента выбирается металлопленочный резистор.

Устройство работает в закрытом помещении при температуре окружающей среды t⁰ = 20-25⁰C в непродолжительном режиме.