Проектирование эквалайзера с активными фильтрами

Основы структуры конструирования как процесса - связь между ТЗ и наилучшим его вариантом (решением) - которая позволяет определять основные положения для подразделения существенных рабочих этапов конструирования:

а. В ТЗ содержаться (в явной или не явной форме) необходимые и достаточные данные для всех возможных решений;

б. Каждое отдельное решение является комбинацией функционирующих элементов (ТР), характеризуемых определенным действием;

в. Каждое решение имеет недостатки (ошибки), число которых возможно минимизировать;

г. ТР с минимальным числом недостатков является оптимальным.

Эти положения определяют строгую (единственно возможную) последовательность действий при конструировании объектов: повторения (возвраты) допустимы и необходимы.

Отсюда следует основные этапы конструирования как процесса:

1. Проанализировать ТЗ.

2. Выявить ТР, целесообразные комбинации которые дают все возможные решения задачи

3. Найти содержащиеся в каждом решении недостатки и принять меры к уменьшению их количества (ошибки должны быть исключены полностью) или их действия (Улучшенные рабочие принципы).

4. Выявить ТР с минимальным числом недостатков - путем сравнительной оценки (Оптимальный рабочий принцип).

5. Изготовить КД для практической реализации объекта.

Основные требования к объекту, которые должны обеспечивать максимальное его соответствие конкретным условиям применения:

- соответствие своему назначению и высокая производительность; высокое качество, надежность и ремонтопригодность. Результат выполнения этих требований - обеспечение назначенного (гарантийного) ресурса;

- удобство применения, функциональные свойства, необходимые для выполнения нужных операций; (специализация или универсальность)

- соответствие конструкции объекта условиям изготовления его конкретными технологическими способами, на конкретном производстве в конкретном количестве. (Литье, штамповка, сварка и т.д.; - единичное - серийное - массовое; одно - серия (и) - много).

- возможность изготовления объекта на конкретной производственной базе предприятия-изготовителя с минимальными затратами (конструктор должен учитывать имеющиеся оборудование, инструмент, оснастку для изготовления, сборки и контроля; квалификацию персонала и состояние технологической дисциплины и т.п.).

- соответствие конкретным условиям технологической подготовки производства (это - материалы, полуфабрикаты, заготовки их наличие и дефицитность).

- соответствие требованиям СТ (ГОСТ, ОСТ, СТП),ТУ, правил, инструкций, норм, так называемые нормативно-технические материалы

- КД на объект должен соответствовать требованиям ЕСКД.

В процессе изучения и анализа ТЗ конструктор:

- наводит справки;

- знакомится с литературой;

- изучает чертежи, приложенные к ТЗ, и аналогов;

- уточняет ТТ к объекту и выясняет ограничения (условия, которые обязательно должны быть соблюдены при решении задачи).

При Выявлении ТР Рекомендуется руководствоваться следующими соображениями:

- следует идти от необходимого к желаемому, а от желаемого к допустимому.

- качество конструкции объекта зависит от качества идеи или принципа, использованного в ТР объекта. Следует находить побольше ТР для выбора наилучшего; разрабатывать варианты известных ТР ;стремиться выяснить все необходимые детали, способные повлиять на конструируемый объект.

- оценивать сравнительную важность каждого варианта, чтобы облегчить выбор оптимального или создать компромиссный. Избегать поспешных решений и чрезмерного влияния авторитетных решений. Правильно оценивать результаты расчетов и рационально их использовать.

- добиваться простоты конструкции. Например, если предполагается ввести новый узел или изменить уже существующий, надо уточнить, нельзя ли вообще обойтись без них.

- избегать сложных, многодетальных конструкций. Не использовать в конструкции объекта элементы (узлы и механизмы), работоспособность которых сомнительна и требует экспериментальной проверки.

- Улучшение конструкции по некоторым параметрам за счет ухудшения качества, надежности и безопасности работы ее недопустимо.

Требования предъявляемые к конструкции обычно противоречивы. Поэтому, улучшая один параметр объекта, конструктор влияет на др., нередко ухудшая их. Важно оценить эти влияния, принимая компромиссное решение, которое в конкретном случае будет оптимальным.

При оценки требований, предъявляемых к объектам разработки, необходимо учитывать следующее:

- уменьшение массы объекта вызывает уменьшение прочности и жесткости.

- компактная, малогабаритная конструкция влечет за собой улучшение условий сборки, обслуживания, регулировки и ремонта.

- применение дешевых материалов вызывает ухудшение прочности, износостойкости и долговечности.

- создание простой конструкции объекта накладывает ограничения на технические и технологические возможности его работы.

- увеличение скорости действия механизма приводит к росту инерционных сил и нагрузок на детали и узлы.

- разбивка конструкции на модули (узлы) для облегчения организации их сборки (или транспортировки) ведет к уменьшению жесткости конструкции, повышает трудоемкость сборки.

- создание конструкции для разных режимов работы и разных операций (универсальной) наносит экономический ущерб при эксплуатации объекта на одной операции.

Для нахождения лучшего конструктивного решения конструктор должен создать как можно больше вариантов конструкции, т.к. в каждом варианте возможно решение тех или иных вопросов в разной степени.

Методы, которые активизируют и направляют творческое мышление на пути создания новых, нешаблонных, нестандартных решений:

- инверсия (сделай наоборот) - метод получения нового ТР путем отказа от традиционного взгляда на задачу. При этом взгляд на задачу осуществляется обычно с диаметрально противоположной позиции. Если говорить об элементах объект, то они обычно меняются местами;

- аналогия (метод прецедента) - использование ТР из др. областей науки и техники. Аналогичные решения, используемые для решения инженерных задач, могут быть заимствованы из живой природы как конструкции и элементы биомеханики.

- эмпатия - отождествление личности конструктора с объектом разработки, т.е. элементом или процессом: "вхождение в образ". Этот метод приводит к новому взгляду на задачу;

- комбинирование - использование в конструкции в разном порядке и в разных сочетаниях отдельных ТР, процессов, элементов. При этом можно найти новое качество, дополняющий положительный эффект;

- компенсация - уравновешивание нежелательных и вредных факторов средствами противоположного действия;

намизация - превращение неподвижных и неизменных элементов конструкции в подвижные и изменяемой формы;

- агрегатирование - создание множества объектов или их комплексов, способных выполнять различные функции, либо существовать в различных условиях. Достигается путем изменения состава объекта или структуры его составных частей.

- компаундирование - состоит в том, что для увеличения производительности параллельно соединяются два технических объекта. Соединение производится различными приемами:

а) блочно-модульное конструирование - предусматривает создание изделий на основе модулей и блоков. Модуль - составная часть изделия, состоящая преимущественно из унифицированных или стандартных элементов различного функционального назначения;

б) резервирование (дублирование) - увеличение числа технических объектов для повышения надежности изделия в целом;

в) мультипликация - повышение эффективности за счет использования нескольких рабочих органов, выполняющих одни и те же функции (по местам; многодетальная обработка; многоэтажные конструкции; многослойные конструкции и т.п.);

г) метод расчленения - заключается в мысленном разделении традиционных технических объектов с целью упрощения выполняемых или функций и операций;

д) секционирование предполагает дробление ТО на конструктивно подобные составные части - секции, ячейки, блоки, звенья;

е) ассоциация - использование свойства психики при появлении одних объектов в определенных условиях вызывать активность других, связанных с первыми. Совпадение определенных признаков разных объектов позволяет найти нехарактерные решения;

ж) идеализация - падение реальных объектов нереальными, неосуществимыми свойствами и изучение их как идеальных (точка, линия, абсолютно твердое (черное) тело и др.). Этот метод позволяет значительно упростить сложные системы, обнаружить существенные связи и применить математические методы исследования;

з) перенос свойств (или метод "фокальных" объектов) - конструируемый объект помещают в "фокус" внимания и переносят на него свойства или функции нескольких произвольно выбранных объектов.

1. Анализ технического задания, электрической схемы, оценка элементной базы

Современная аудиоаппаратура и акустические системы в полной мере обеспечивают высококачественное воспроизведение звука лишь в специально оборудованном помещении, предназначенном для прослушивания музыки. Большинство же жилых помещений, особенно небольших размеров, непригодно для этой цели. В любой точке подобных помещений имеет место такое явление, как интерференция (сложение с разными фазами) звуковых волн, пришедших непосредственно от акустических систем и отраженных от стен, потолка, пола, мебели. При этом на некоторых частотах возникают стоячие волны - пучности и провалы интенсивности звука с неравномерностью до 20 дБ, что вызывает необходимость регулировки АЧХ аудиосистемы в определенных полосах частот.

Недостаточная звукоизоляция помещения приводит к тому, что прослушивать звуковые программы приходится с уровнем, значительно сниженным по отношению к тому, на котором они формируются (примерно 90 фон). В результате, для сохранения тембра звучания требуется подъем уровня громкости на частотах ниже 200 и выше 5000 Гц. Соответствующая компенсация, которую вводят в регуляторы громкости, как правило, бывает неполная.

Регулирование АЧХ необходимо и для решения других задач: корректирования звучания фонограмм невысокого качества и погрешностей АЧХ аппаратуры, компенсирования возрастных изменений слуха, подбора тембрального звучания по вкусу слушателя. Для этого применяются эквалайзеры.

Эквалайзеры пользуются заслуженной популярностью у любителей звуковоспроизведения. Только эти устройства позволяют существенно менять качество акустического звукового сигнала и тем самым исправлять некоторое «несовершенство» тракта источник сигнала -- усилитель -- акустика с учетом индивидуального восприятия конкретного слушателя. Регулируя коэффициент передачи эквалайзера на выбранных частотных интервалах звукового сигнала, можно добиться улучшения звуковоспроизведения даже аппаратов среднего уровня, в том числе и монофонических конструкций.

Применение в эквалайзерах активных полосовых фильтров позволяет увеличить эквивалентную добротность фильтров, а значит, уменьшить их полосу пропускания и увеличить крутизну спада. Это в свою очередь позволяет увеличить количество регулируемых интервалов и сконструировать так называемый графический эквалайзер.

Вариант исполнения устройства - стационарная РЭА, работающая на открытом воздухе, что соответствует:

работе на открытом воздухе со следующими климатическими условиями: диапазон температур от 233до 333К; влажность 93 %; удары отсутствуют, вибрация от 10 до 30Гц, виброускорение 19,6 м /с2, пониженное атмосферное давление 61 кПа;

отсутствием механических перегрузок во время работы;

транспортированием в амортизирующей упаковке;

хранением в складских условиях в климатических зонах изготовителя и потребителя.

При конструировании такой аппаратуры возникает общая задача защиты от вибрации, ударов, пыли в условиях нормального атмосферного давления.

Данный вариант - эквалайзер с семью полосами и глубиной регулирования ±15 дБ на всех частотах. Операционный усилитель DА1 выполняет роль нормирующего усилителя. В цепи обратной связи операционного усилителя DA2 включены семь фильтров с центральными частотами 40, 100, 270, 700, 2000, 5000, 12 500 Гц. Ширина полосы фильтра определяется параметрами двухзвенной RС-цепи.

При проектировании возникает задача выбора ЭРЭ. Основными параметрами выбора является: номинальные значения соответствуют схеме электрической принципиальной, а условия эксплуатации должны соответствовать ТУ.

Поскольку данное устройство относится к классу бытовой аппаратуры, то в качестве разъема для подведения питания выбран стандартный разъем А16М500; в качестве разъемов для входного и выходного сигнала - А10F330 (разъем типа “Jack”).

Регулировку коэффициента передачи в отдельных полосах производят переменными резисторами, поэтому для удобства использования эквалайзера выбираются переменные резисторы серии SL-30V1 (с линейным регулятором, так что положение их движков на панели регулировок наглядно отражает форму АЧХ).

Для сохранения стереобаланса при любом положении регуляторов необходимо, чтобы значения резонансной частоты и добротности фильтров в левом и правом каналах отличались друг от друга не более чем на 5 %. Отличие их от расчетных значений менее существенно. Для этого в устройстве используются пассивные компоненты с малым допуском (танталовые чип конденсаторы и толстопленочные чип резисторы).

Для уменьшения массы и габаритных размеров готового устройства выбираются планарные корпуса микросхем мА741, R01374 и вМ324.

2. Расширенное техническое задание

Наименование изделия: "Эквалайзер с активными фильтрами".

Эквалайзер представляет собой многополосный регуляторы тембра, позволяющий осуществлять одновременную и взаимонезависимую регулировку на нескольких частотах, предназначен для формирования нужной амплитудно-частотной характеристики.

Основные параметры РЭА, влияющие на конструкцию прибора: напряжение питания (плюс 5В); Номинальная величина входного сигнала 250 мВ. центральные частоты фильтров: 40, 100, 270, 700, 2000, 5000, 12 500 Гц; глубина регулирования ±15 дБ.

Конструкция должна обеспечивать необходимый уровень стандартизации и унификации.

При проектировании должны учитываться требования к внешнему виду изделия, определяемые правилами технической эстетики и условиями эксплуатации. Форма изделия прямоугольная, корпус из лёгкого и прочного сплава алюминия с покрытием чёрного цвета. Габаритные размеры корпуса определяются размерами печатной платы.

Данный прибор относится к стационарной РЭА, работающей на открытом воздухе, что соответствует 2 группе по ГОСТ16019-78. Характеристики внешних воздействий одинаковы для режимов хранения, перевозки и работы: диапазон температур от 233до 333К; влажность 93%; удары отсутствуют, вибрация от 10 до 30Гц, виброускорение 19,6м/с2, пониженное атмосферное давление 61кПа.

При конструировании должны учитываться требования эргономики к конструкции РЭА. Она должна быть приспособлена к эксплуатации неквалифицированным человеком. С этой целью корпус должен быть снабжён всеми необходимыми переключателями, расположенными на видном и легкодоступном месте с надписями, объясняющими их назначение. Все токоведущие части аппаратуры должны быть надёжно изолированы от случайного контакта с человеком.

Среднее время наработки на отказ должно быть не менее 10 тысяч часов.

Гарантийный срок эксплуатации 2 года. Запасной инструмент и приспособления не предусматриваются.

При конструировании должна быть обеспечена возможность использования прибора как законченной функциональной части.

3. Разработка конструкции

На этапе предварительной компоновки определена необходимость разработки печатной платы, схемы электрической принципиальной и ее размеров. Основными критериями размещения ИС и ЭРЭ на печатной плате являются: плотность теплового режима, равномерное распределение масс элементов по поверхности платы.

Установка корпусных микросхем и ЭРЭ должна производиться в соответствии с ОСТ 4.ГО.010.030 для соответствующих групп эксплуатации РЭА. После трассировки платы производится расчёт минимальных необходимых размеров элементов проводящего рисунка печатной платы с учётом протекающих токов. Определяются диаметры контактных площадок, ширина проводников и зазора между ними, а также зазоры между проводниками и контактными площадками. С помощью электромагнитной совместимости определяется помехоустойчивость платы.

На следующем этапе расчётов определяется прочность ячейки в условиях механических воздействий: вибрации. При необходимости следует ввести дополнительную защиту, например, амортизаторы. Для защиты от влаги печатных проводников применяют органические лаки УР-231, обеспечивающие твёрдое, прочное покрытие от минус 60 до плюс 1200С.

Корпус является основным элементом при функционально-блочном конструировании. Масса несущих конструкций составляет примерно 70 процентов общей массы аппаратуры. Поэтому желательно придерживаться следующих требований:

а. упростить несущую конструкцию до наименьшего числа деталей;

б. широко применять лёгкие сплавы и пластмассы;

в. использовать гальванические и лакокрасочные покрытия, имеющие минимальную массу.

Особое внимание уделяется вопросам выбора технологического варианта исполнения конструкции, выбора марки материала, выбора метода осуществления разъёмных и неразъёмных соединений. Исходя из этих требований выбирается алюминиевый сплав с кремнием и медью, который хорошо обрабатывается резанием, коррозионная стойкость удовлетворительная и по техническим характеристикам подходит для изготовления корпусов приборов. Для придания сплаву повышенной коррозийной стойкости будет применяться покрытие из анилинового красителя чёрного цвета, что позволяет улучшить теплоотдачу излучением.

Крепление платы к корпусу осуществляется креплением разъемов в пазы и прикручиванием переменных резисторов к лицевой панели. Винтовое соединение удовлетворяет требованиям прочности, а также простоты разборки изделия при необходимости.

Следующий шаг - проектирование конструктивных элементов защиты блока РЭА от механических воздействий: выбор и расчёт системы амортизации. Выбираем систему размещения амортизаторов и их число, типы амортизаторов, способы предохранения крепёжных изделий от самоотвинчивания; способы повышения жёсткости элементов конструкции.

Далее производится выбор конструктивных элементов электрического монтажа:

- выбор способа обеспечения электрических соединений;

- выбор припоя и флюса;

- выбор марки материала, сечения жилы, вида изоляции монтажных проводов.

4. Конструкторские расчеты

4.1 Расчет объемно-компоновочных характеристик устройства

а) Рассчитываем площадь печатной платы , мм2 по формуле:

(1)

где: Кs - Коэффициент запаса;

Ks = 2;

K - коэффициент использования площади;

K = 2;

Sустi - установочная площадь i-го элемента, мм2;

Sуст1=8,0 - установочная площадь резистора;

Sуст2=12,0 - установочная площадь конденсатора;

Sуст3=446,5 - установочная площадь переменного резистора;

Sуст4=121,0 - установочная площадь микросхемы мА741;

Sуст5=40,0 - установочная площадь микросхемы R01374;

Sуст6=72,0 - установочная площадь микросхемы вМ324;

Sуст7=150,0 - установочная площадь разъема А16М500;

Sуст8=450,0 - установочная площадь разъема А10F330;

Ki - число элементов i-го типоразмера;

K1=35 - число резисторов;

K2=17 - число конденсаторов;

K3=7 - число переменных резисторов;

K4=1 - число микросхем мА741;

K5=1 - число микросхем R01374;

K6=7 - число микросхем вМ324;

K7=1 - число разъемов А16М500;

K8=2 - число разъемов А10F330;

n - число используемых типоразмеров;

n=8;

Учитывая площадь защемленной зоны платы(Sз=1982,мм2) выбираем площадь платы и линейные размеры равные 26400 мм2 и 120220 мм соответственно.

б) Рассчитаем коэффициент заполнения объема устройства K по формуле:

(2)

где: Vуст - установочный объем устройства, мм3;

Vуст=396000;

Vустi - установочный объем i-го типоразмера, мм3;

Vуст1=8,0;

Vуст2=19,2;

Vуст3=6697,5;

Vуст4=242,0;

Vуст5=80,0;

Vуст6=144,0;

Vуст7=1620,0;

Vуст8=6750,0;

в) Рассчитаем объемную массу устройства g, г/см3;

(3)

где: MЭi - масса i-го элемента, г;

MЭ1=2,30;

MЭ2=2,10;

MЭ3=1,90;

MЭ4=1,80;

MЭ5=1,57;

MЭ6=1,50;

MЭ7=8,00;

MЭ8=8,30;

Исходя из сделанных расчетов, можно считать, что устройство разработано корректно.

4.2 Расчет параметров электрических соединений

Для изготовления печатной платы применяем стеклотекстолит СФ-1-35 ГОСТ 10376-78.

Поскольку в схеме применяются поверхностно монтируемые компоненты (ЧИП - компоненты), то выбираем четвертый класс точности изготовления.

а) Определим минимальную ширину печатного проводника bmin1, мм:

(4)

где: Imax - максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках, А;

Imax = 0,5 (исходя из анализа схемы электрической принципиальной);

jдоп - допустимая плотность тока, А/мм2;

jдоп=20 (для проводников толщиной 35 мкм, полученных комбинированным методом);

t - толщина проводника;

t=0,035;

б) Определим минимальную ширину проводника исходя из допустимого падения напряжения bmin2, мм по формуле:

(5)

где: - удельное объемное сопротивление, для плат изготовленных комбинированным методом, Оммм2/м;

=0.05;

l - длинна проводника, м;

l=0.33;

Uдоп - допустимое падение напряжения, В;

Uдоп=0,5;

в) Определим номинальное значение диаметров монтажных отверстий d, мм по формуле:

(6)

где: dэ - максимальный диаметр вывода устанавливаемого элемента, мм;

dэ=1,4;

dно- нижнее предельное отклонение от номинального диаметра, мм;

;

r - разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода, мм;

r=0.1;

г) Определим максимальное значение диаметров монтажных отверстий , мм по формуле:

(7)

Исходя из данных расчетов, выбираем отверстие диаметром =1,7 мм.

д) Рассчитаем минимальный эффективный диаметр контактных площадок D1min, мм по формуле:

(8)

где:

- расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки, мм;

=0,035;

и - допуски на расположение отверстий и контактных площадок, для плат изготовленных по четвертому классу точности;

=0.20;

=0.08;

е) Рассчитаем минимальный диаметр контактной площадки Dmin, мм по формуле:

(9)

где: hф - толщина фольги, мм;

hф=0,02;

ж) Рассчитаем максимальный диаметр контактной площадки Dmax, мм по формуле:

(10)

и) Определим минимальную ширину проводников bmin, мм по формуле:

(11)

где: =0.15, мм (для плат четвертого класса точности);

к) Определим минимальную ширину проводников bmin, мм по формуле:

(12)

Определим минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка.

л) Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой определяется по формуле, мм:

(13)

где: L0 - расстояние между центрами рассматриваемых элементов, мм;

L0=3,75;

- допуск на расстояние и расположение проводников, мм;

=0.1;

м) Минимальное расстояние между двумя контактными площадками S2min, мм определяется по формуле:

(14)

н) Минимальное расстояние между двумя проводниками S3min, мм определяется по формуле:

(15)

В таблице 1 приведены параметры отверстия с диаметром 1,7 мм

Таблица 1 - диаметры отверстий

Диаметр вывода, dэ, мм	d, мм	dmax, мм	D1min, мм	Dmin, мм	Dmax, мм
1.40	1.60	1.80	2.33	2.36	2.4

4.3 Расчет теплового режима

Исходными данными для проведения теплового расчета являются следующие величины:

а. длинна блока L1=0.22 м;

б. ширина блока L2=0.12 м;

в. высота блока L3=0.02 м;

г. коэффициент заполнения Кv=0.167;

д. мощность, рассеиваемая в блоке P=9 Вт;

е. давление вне корпуса блока Рн=101316 Па;

ж. давление внутри корпуса блока Рв=101316 Па;

з. мощность, рассеиваемая самым нагреваемым элементом Рэл=0.3 Вт;

и. площадь элемента Sп=121 мм2;

к. предельная температура на элементе Tэ.эл=393оК

л. температура среды Тс=298оК;

м. материал корпуса - алюминиевый сплав;

а) Площадь поверхности корпуса Sk, м2 вычислим по формуле:

(16)

б) Вычисляем условную поверхность нагретой зоны Sз, м2 по формуле:

(17)

в) Удельная мощность корпуса прибора qk , Вт/м2 вычисляется по формуле:

(18)

г) Удельная мощность нагретой зоны qз , Вт/м2 вычисляется по формуле:

(19)

д) Коэффициент Q1, зависящий от удельной мощности корпуса прибора, вычисляется по формуле:

(20)

е) Коэффициент Q2, зависящий от удельной мощности нагретой зоны, вычисляется по формуле:

(21)

ж) Коэффициент Кн1, зависящий от давления воздуха вне корпуса прибора вычисляем по формуле:

(22)

и) Коэффициент Кн2, зависящий от давления воздуха внутри корпуса прибора вычисляем по формуле:

(23)

к) Нагрев корпуса прибора QK, оК вычисляется по формуле:

л) Перегрев нагретой зоны Qз, оК:

м) Средний перегрев воздуха в блоке Qв, оК:

н) Удельная мощность элемента qэл, Вт/мм2температуру которого нужно определить

п) Перегрев поверхности элемента Qэл, оК:

(27)

р) Перегрев окружающей среды элемента Qэл, оК:

(27)

с) Температура корпуса прибора Тк, оК:

(28)

т) Температура воздуха в приборе Тв, оК:

(29)

у) Температура нагретой зоны Тз, оК

ф) Температуру корпуса микросхемы Тэл, оК:

Для нормального функционирования элементов устройства их температура не должна быть выше, оговоренной в ТУ. Это касается и материалов корпуса, а также элементов крепежа. Поверим соблюдение условий по формулам:

(32)

(33)

(34)

(35)

Подставляя значения в формулы 32 - 35 получаем:

(32)

(33)

(34)

(35)

Анализируя полученные данные, делаем вывод, что в нашем устройстве тепловые режимы не нарушат работоспособность изделия.

4.4 Расчет на механическое воздействие

Произведем оценку вибропрочности платы. Плата закреплена практически по всей площади. Данные для расчета следующие:

длина печатной платы 0.22 м;

ширина печатной платы 0.12 м;

толщина печатной платы 0.2 м;

коэффициент Пуасона 0.28;

масса печатной платы с элементами 300 г;

модуль упругости 3.2·1010 Н/м2;

возмущающая частота 30 Гц;

дикримент затухания материала 300;

виброускорение 19.6 м/с2.

а) Рассчитаем собственную частоту платы:

(36)

где: a - ширина печатной платы,

b - длина печатной платы,

М- масса печатного узла,

Д- цилиндрическая жесткость.

(37)

где: E - модуль упругости,

h - толщина платы,

V - коэффициент Пуансона,

Проверяем условие:

f0>>f

245.477>>30

условие выполняется.

б) Рассчитаем максимальный прогиб печатной платы по формулам:

(38)

где: - амплитуда вибросмещения основания

- коэффициент передачи по ускорению

(39)

где: a0(f) - виброускорение

(40)

где: - коэффициент расстройки

- показатель затухания

К1, К2 - коэффициенты зависящие от закрепления платы

К1=1,2, К2=1,2

(41)

(42)

где: f - частота возмущения,

- дискримент затухания,

в) Определим допустимый прогиб печатной платы с радиоэлементами по формуле:

(43)

где: b - размер стороны печатной платы параллельно которой установлено большинство элементов:

Проверим выполнение условия:

Условие выполняется, дополнительных элементов для уменьшения механического воздействия не требуется.

4.5 Расчёт надёжности

а) Вычислим значение суммарной интенсивности отказов элементов устройства:

(44)

где - средне групповое значение интенсивности отказов элементов j,

nj - количество элементов в j группе,

kHj - коэффициент нагрузки элементов в j группе,

k - число сформированных групп однотипных элементов.

С использования обобщенного эксплуатационного коэффициента выполним приближенный расчет электрических режимов и условий эксплуатации элементов все нужные значения находятся в таблице 2:

(45)

где КЭ- обобщенный эксплуатационный коэффициент.

Для стационарной аппаратуры, работающей на открытом воздухе КЭ=2,5

Таблица 2 - параметры элементов

Группа элементов	Кол-во элементов в группе, nj	Интенсивность отказа элементов в группе. 0j*10-6, 1/ч	Коэффициент нагрузки KHj	Произведение *106

Конденсаторы	17	0,035	0,5	0,0175	0,175
Резисторы	35	0,03	0,3	0,009	0,117
Переменные резисторы	7	0,03	0,3	0,009	0,117
Микросхемы	9	0,01	0,3	0,003	0,015
Пайка	266	0,02	0,2	0,004	0,772

С учетом обобщенного эксплуатационного коэффициента:

б) Рассчитаем время наработки на отказ по формуле:

(46)

в) Рассчитаем вероятность безотказной работы за время t0 ,

t0 =30000 ч.

(47)

Расчет показал, что рассчитанная надежность больше, чем заданная.

4.6 Расчет показателей качества

а) Коэффициент применяемости деталей:

(48)

где: NТ ор =2 - число типоразмеров оригинальных деталей в изделии,

NT=3 - общее число типоразмеров деталей в изделии, без учета нормализованного крепежа:

б) Коэффициент применяемости электро радиоэлементов:

(49)

где: - количество типоразмеров оригинальных радиоэлементов в изделии

- общее количество типоразмеров радиоэлементов в изделии.

в) Коэффициент повторяемости деталей и узлов:

(50)

где NТ =3 - количество типоразмеров деталей,

ЕТ=1 - количество типоразмеров узлов,

Nд =4 - общее число деталей,

Е=1 - общее число узлов.

г) Коэффициент повторяемости радиоэлементов:

(51)

где NТэрэ=6 - количество типоразмеров радиоэлементов,

Nэрэ=71 - общее количество радиоэлементов,

д) Определим коэффициент механизации подготовки радиоэлементов к монтажу:

(52)

где Nмпэрэ=10 - число радиоэлементов, подготовленных к монтажу механизированным способом,

Nмэрэ=71 - число монтажных радиоэлементов

е) Коэффициент автоматизации и механизации монтажа изделия:

(53)

где Nав =230 - число соединений, полученных автоматизированным способом,

Nм =266 - общее число монтажных соединений,

ж) Определим комплексный показатель технологичности:

(54)

где Ki - i-й показатель качества,

Фi - функция, характеризующая весовую значимость i-го показателя качества,

и) Рассчитаем нормативный комплексный показатель:

(55)

где Ka - комплексный показатель изделия аналога

Ka=0.85,

Kсл - коэффициент сложности нового изделия по сравнению с изделием аналогом

Kсл=0.89,

Kту - коэффициент учитывающий изменения технического уровня основного производства завода- изготовителя нового изделия по отношению к заводу- изготовителю изделия аналога

Kту =0.82,

Kот, Kоп - коэффициент, учитывающий применение уровня организации производства и труда завода изготовителя нового изделия по отношению к заводу - изготовителю изделия аналога,

Kот=0.95,

Kоп=0.91,

Kпр - коэффициент учитывающий изменения типа производства (отношение коэффициента серийности нового изделия к тому же коэффициенту по изделию аналогу),

Kпр=0.7,

к) Определим технологичность изделия:

(56)

Так как К>1, то изделие технологично.

Выводы и заключения

Разработано устройство «Эквалайзер с активными фильтрами».

В процессе разработки были произведены необходимые расчёты такие как: конструкторские расчёты, электрических соединений, теплового режима, расчёт на механические воздействия, показателей качества, надёжности, подтверждающие что устройство разработано корректно.

Чертежи и пояснительная записка выполнены в соответствии со стандартами ЕСКД.

Литература

1. Tehnium, 1991, N 5, pag. 8-10. “Эквалайзеры” - РАДИО № 12, 1991 г.

2. Арзуманов С. “Электронная обработка гитарного сигнала” - http:/www.guitar.ru

3. “Выдержки из ГОСТа по оформлению текстовых документов ГОСТ 2.105--95” - http:/www.standards.ru

4. КОЗЛОВА. “Графический эквалайзер” - Радио, 1988г.

5. “Несущие конструкции РЭА” - под редакцией Овсищера.

6. “Разработка и оформление конструкторской документации РЭА” - под редакцией Романычевой Э.Т. Москва “Радио и связь” 1989г.

7. Уваров А. “P-CAD, ACCEL EDA. Конструирование печатных плат. Учебный курс.” - Санкт-Петербург “Питер”, 2001г.