Обоснование функциональных, электрических схем и выбор элементной базы.
2.1 Состав и назначение функциональной схемы
На рис 2.1, а также в приложении (формат А3), приведена схема электрическая функциональная.
Рис. 2.1. Функциональная схема устройства.
Состав функциональной схемы: Адаптер, Стабилизатор напряжения, Фильтр 1, 2, Ключи 1…8, Мультиплексоры 1…6, Ограничитель тока 1…6 , 7, Микроконтроллер, Интегральный таймер, Фильтр 3, 4, Регулятор громкости, Время задающая цепь, Индикаторы, Нагрузка регистра, Ключ установки, Ограничитель тока 8, Выход.
Назначение элементов функциональной схемы:
1. Адаптер предназначен для вырабатывания напряжения питания 12В.
2. Стабилизатор напряжения предназначен для поддержания выходного напряжения +5В.
3. Фильтр 1, 2 предназначен для сглаживания напряжения Стабилизатора напряжения.
4. Ключи 1…8 предназначены для передачи данных на Мультиплексоры 1…6.
5. Мультиплексоры 1…6 предназначены для уплотнения канала связи.
6. Ограничитель тока 1…6, 7 предназначен для защиты входных узлов Микроконтроллера.
7. Микроконтроллер предназначен для операций опроса всех манипуляторов и организаций Midi-интерфейса.
8. Интегральный таймер предназначен для усиления звуковых сигналов.
9. Фильтр 3, 4 предназначен для сглаживания сигнала Интегрального таймера.
10. Регулятор громкости предназначен для изменении громкости звука.
11. Время задающая цепь предназначен для создания тактовой частоты 4 мГц.
12. Индикатор предназначен для светового сигнала о изменении параметров устройства.
13. Нагрузка регистра предназначена для ограничения тока на регистре.
14. Ключ установки предназначен для перехода в режим настройки.
15. Ограничитель тока 8 предназначен для стабилизации тока на выходе.
16. Выход предназначен для подключения к комьютеру.
Работа функциональной схемы: При включении Адаптера в сеть, программа управляющая Микроконтроллером осуществляет опрос Ключей 1…8. При нажатии на любой Ключ 1…8 отправляется Midi-сообщение на Мультиплексоры 1..6. Программа Микроконтроллера осуществляет организацию Midi-интерфейса операциями сдвига. При вычислении положения Регулятора громкости значение сравнивается с записанным в прошлый цикл опросом. Положение движка Регулятора громкости оцифровывается в пятибитный код. Ключем установки устройство переводят в режим настройки, об этом сигнализирует Индикатор, сообщения о нажатиях Ключей 1..8 не передается на Выход. Нажатие любого Ключа 1…8 приводит к переключению соответствующего номера Мультиплексора 1…6. Сигнал поступает на Выход устройства.
2.3 Состав и назначение принципиальной схемы
На рис 2.2, а также в приложении (формат А3), приведена схема электрическая принципиальная.
Рис. 2.3. Принципиальная схема устройства.
Состав принципиальной схемы: Адаптер (ХР1), Стабилизатор напряжения (DA1), Фильтр 1 (С1), Фильтр 2 (С2), Ключи (SB1…SB8), Мультиплексоры (DD1…DD6), Ограничитель тока (R1…R6), Ограничитель тока (R7), Микроконтроллер (DD7), Интегральный таймер (DA2), Фильтр 3( C3), Регулятор громкости (R10, R11), Время задающая цепь (С4, ZQ1, C5), Фильтр 4 (С6), Индикатор (HL1, R12), Напряжение регистра (R13), Ключ установки (SB49), Ограничитель тока 9 (R8, R9), Выход (XS1)
Назначение элементов принципиальной схемы:
1. XP1 предназначен для вырабатывания напряжения питания 12В.
2. DA 1 предназначен для поддержания выходного напряжения +5В.
3. C1 предназначен для сглаживания напряжения DA1.
4. C2 предназначен для сглаживания напряжения DA1.
5. SB1…SB8 предназначены для передачи данных на DD1…DD6.
6. DD1…DD6 предназначены для уплотнения канала связи.
7. R1…R6 предназначены для защиты входных узлов DD7.
8. R7 предназначен для защиты входного узела DD7.
9. DD7 предназначен для операций опроса всех манипуляторов и организаций Midi-интерфейса.
10. DA2 предназначен для усиления звуковых сигналов.
11. C3 предназначен для сглаживания сигнала DA2.
12. R10, R11 предназначен для изменениия громкости звука.
13. C4, ZQ1, C5 предназначен для создания тактовой частоты 4 мГц.
14. C6 предназначен для сглаживания сигнала DA2.
- HL1, R12 предназначен для светового сигнала о изменении параметров устройства.
- R13 предназначена для ограничения тока на регистре.
- SB49 предназначен для перехода в режим настройки.
- R8, R9 предназначен для стабилизации тока на выходе.
- XS1 предназначен для подключения к комьютеру.
Работа принципиальной схемы: При включении XP1 в сеть, программа управляющая DD7 осуществляет опрос SB1…SB8. При нажатии на любой SB1…SB8 отправляется Midi-сообщение на DD1…DD6. Программа DD7 осуществляет организацию Midi-интерфейса операциями сдвига. При вычислении положения R10, R11 значение сравнивается с записанным в прошлый цикл опросом. Положение движка R10, R11 оцифровывается в пятибитный код. SB49 переводит устройство в режим настройки, об этом сигнализирует HL1, R12 сообщения о нажатиях SB1…SB8 не передается на XS1. Нажатие любого SB1…SB8 приводит к переключению соответствующего номера DD1…DD6. Сигнал поступает на XS1.
2.4 Выбор и обоснование технических параметров элементной базы.
Данные элементной базы проектируемого устройства берутся из описания схемы электрической принципиальной (рис. 2.2) и заносятся в таблицу 2.1.
Допустимые уровни эксплуатации стандартной элементной базы для печатных плат с металлизацией переходных отверстий показаны в таблице 2.1.
Таблица 2.1. Допустимые уровни эксплуатации стандартной элементной базы
| Наименование и тип элемента | Количество, шт. | Диапазон температур, °С | Потребляемая мощность, Вт |
| Резистор, R1-R13, металлоокисный | -55 до +155 °С | 0.125 | |
| Конденсатор электролитические С1, С4, С5 | -40…+85 | - | |
| Конденсатор С2, С3, С6, танталовый оксидный | -40 до +105 °С | - | |
| Стабилизатор напряжения DA1, КР142ЕН5А | -45…+125 | ||
| Интегальный таймер DA2 КР1006ВИ1 | -10...+70 | ||
| Мультиплексоры DD1…DD6 К561КП2 | -45…+85 | ||
| Микроконтроллер DD7, PIC16F84 | -45…+90 | 0.1 | |
| Кварцевый резонатор ZQ1, 4 МГц | -20 до +70 °С | ||
| Индикатор HL1 | -55 до +100 °С | ||
| Кнопки, SB1…SB49, | - |
Основные размеры компонентов печатной платы для поверхностного монтажа приведены таблице 2.2.
Таблица 2.2 Основные размеры компонентов печатной платы для поверхностного монтажа.
| Порядковый номер по схеме/количество N шт | Наименование компонента, Типоразмер | Длина компонента, L(мм) | Ширина компонента, W(мм) | Высота компонента, H(мм) | Диаметр, мм | Технические параметры | Объем компонента, (мм3) V=L*W*H*N | Установочная площадь, (мм2) S = L*W*N |
| R1-R9, R13/10 | Резистор SMD0805 | 2,0 | 1,2 | 0,4 | Рабочее напряжение, В 150; Номинальная мощность, Вт 0.125; Номинальное сопротивление кОм, 1; 200 Ом; 470Ом Отклонение,% 5; Рабочий диапазон температур, оС -55 -+125 Влажность, % | 0,96 | 2,4 | |
| R11, R12/2 | Резистор SMD1206 | 3,2 | 1,6 | 0,5 | Рабочее напряжение, В 150; Номинальная мощность, Вт 0.125; Номинальное сопротивление кОм, 30; 2,2 кОм; Отклонение,% 5; Рабочий диапазон температур, оС -55 -+125 Влажность, % | 2,56 | 5,12 | |
| С1, С4, С5/3 | Конденсатор ЕСАР | - | 5,4 | Номинальное напряжение, В 50; Номинальная емкость мкф, 1; Отклонение,% 10; Рабочий диапазон температур, оС -45 -+ 85 Влажность, % | 2,125 | 2,5 | ||
| С2 | Конденсатор ТЕСАР | 2,8 | - | 3,5 | Номинальное напряжение, В 50; Номинальная емкость мкф, 0,1; Отклонение,% 10; Рабочий диапазон температур, оС -45 -+ 85 Влажность, % | - | - | |
| С3, С6/2 | Конденсатор SMD0805 | 2,0 | 1,25 | 0,85 | Номинальное напряжение, В 50; Номинальная емкость мкф, 0.062; 0,01; Отклонение,% 10; Рабочий диапазон температур, оС -40 -+105 Влажность, % | 2,125 | 2,5 | |
| DA1 | Cтабилизатор Напряжения КР142ЕН5А SMD | 7,5 | 1,2 | Напряжение: 5 В, ток: 1,5 А, рабочая температура: 0 до +125 °C. | 37,5 | |||
| DA2 | Итегральный таймер КР1006ВИ1 SMD | 9,5 | 3,8 | 1,2 | Корпус КР10068И1 Напряжение: 5,5 В | 84,3 | 75,2 | |
| DD7 | Микроконтроллер PIC16F84 SMD | 25,4 | 1,75 | Корпус: SOIC18 Напряжение: 5,5 В, Частота 20 МГц | 266,7 | 152,4 | ||
| DD1…DD6 | Мультиплексор К561КП2 SMD | 19,43 | 7,87 | 1,3 | Напряжение: 5,25 В, Корпус: SO16, Температура: 0…+70 С | 198,79 | 152,9 | |
| ZQ1 | Кварцевый резонатор 4 МГц, SMD | 11,5 | 4,8 | 3,8 | Тип корпуса: HC-49S, Частота: 4 МГц, температура: от -10°C до +60°C | 209,76 | 55,2 | |
| HL1 | Светодиод АЛ307БМ SMD5730 | 3,2 | 2,8 | 1,9 | Напряжение: 2 В. | 17,024 | 8,96 | |
| SB1…SB8,SB49 | Кнопка 7914G-1-000E SMD | 5,0 | 5,0 | 0,76 | - | 7,6 | ||
| Общая площадь, мм2 | 2211,35 | |||||||
| Общий объём, мм3 | 1778,6 |
Площадь элементов , мм2 - S = l*d
Объем, мм3 - V = l * d*h
В таблицу 2.3 заносятся тип компонента, условно-графическое обозначение (УГО), конструкция и тип корпуса, примечание, в котором приводятся дополнительные параметры компонентов.
Таблица 2.3. Тип компонента, условно-графическое обозначение (УГО), конструкция и тип корпуса.
| № | Тип компонента | Условно-графическое обозначение (УГО), ГОСТ | Конструкция, тип корпуса | Примечание |
| Резистор SMD1206 |  | Мощность: 2 Вт, напряжение: 5 В, рабочая температура: -55 …+125°C | ||
| Резистор SMD0805 |  | Мощность: 1Вт, напряжение: 500 В, рабочая температура: -55 …+155°C | ||
| Конденсатор SMD1206 | ГОСТ 2.728-74 | Точность: 30%, рабочая температура: -25 до +60 °C | ||
| Конденсатор ЕСАР | ГОСТ 2.728-74 | ЕСАР  | Максимальное напряжение: 5 В, рабочая температура: -40 до +105 °С | |
| Конденсатор TECAP | ГОСТ 2.728-74 | TECAP  | Рабочая температура: -55…85 °С, Напряжение: 16 В. | |
| Стабилизатор напряжения КР142ЕН5А SMD |  |  | Напряжение: 5 В, ток: 1,5 А, рабочая температура: 0 до +125 °C. | |
| Интегральный таймер КР1006ВИ1 SMD |  |  | Напряжение: 5 В, ток: 1,5 А, рабочая температура: -45 до +70 °C. | |
| Микроконтроллер PIC16F84 SMD |  |  | Рабочая температура: -40 до +85 °C, частота: 20 МГц, напряжение: 5,5 В. | |
| мультиплексор К561КП2 SMD |  |  | Рабочая температура: -55 до +125 °C, напряжение: 5,5 В. | |
| Кварцевый резонатор 4 МГц SMD |  |  | Частота: 4 МГц, рабочая температура: от -10°C до +60°C | |
| Светодиод АЛ307БМ SMD |  |  | Напряжение: 2 В, рабочая температура: -20 до +70 °С | |
| Кнопки SMD |  |  | Напряжение: 24 В, рабочая температура: -55 до +125 °C |