Выбор и обоснование аналоговых ЭРЭ

2.3. Выбор и обоснование аналоговых ЭРЭ.

 

Аналоговые элементы – транзисторные ключи, диоды и стабилитроны – выбираем конкретно для каждого узла при детальном проектировании функциональных узлов. Ввиду того, что планируемое энергопотребление проектируемого устройства невелико, а массогабаритные показатели ограничены размерами телефона-трубки, выберем аналоговые элементы, имеющие наиболее малые размеры, но обладающие достаточным запасом по мощности для данного устройства.

В качестве аналоговых микросхем применяемых в устройстве используем широко распространённые универсальные микросхемы для телефонных аппаратов отечественного производства :

-          в качестве импульсного номеронабирателя – КР1008ВЖ10;

-          в качестве вызывного устройства – КР1064ПП1.

 

 

2.4. Выбор и обоснование пассивных элементов.

 

При выборе пассивных элементов электрической цепи: резисторов, конденсаторов и так далее, будем руководствоваться, в основном, принципом максимальной миниатюризации, так как для проектируемого устройства не требуется резервирования по мощности пассивных элементов, ввиду очень небольших токов и напряжений в схеме.

2.5. Схемотехнические требования при разработке принципиальной схемы.

Для обеспечения комплексной надежности устройства необходимо стремиться к уменьшению:

-          количества ЭРЭ и электрических связей;

-          коэффициента нагрузки активных элементов.

3. Построение функциональной схемы блока оповещения. Функциональная схема блока оповещения состоит из следующих основных узлов:

-         узел датчика, представляющий собой RS-триггер;

-         узел счёта и выбора выходных сигналов, выделяемых микросхемой-счётчиком секундных и минутных импульсов (сигнал включения ключа поднятия трубки, сигнал имитации нажатия клавиши «повтор», сигнал звукового оповещения);

-         электронные ключи поднятия трубки и нажатия клавиши «повтор» на биполярных транзисторах, управляемые соответствующими сигналами узла счёта и выбора выходных сигналов;

-         стандартная схема телефона трубки на интегральной микросхеме номеронабирателя с выходом импульсного ключа с открытым стоком и микросхеме вызывного узла с выходом на пьезоэлектрический излучатель.

Также в состав схемы телефона трубки входит наборное поле телефонной клавиатуры и микрофон с динамическим излучателем.

4. Разработка принципиальной схемы и электрический расчёт. 4.1. Выбор элементной базы охранного устройства.

Для построения электрической принципиальной схемы охранного устройства необходимо выбрать элементную базу. Как указывалось выше, логические элементы устройства решено взять на основе ИМС структуры КМДП серий К176 и К561.

Узел датчика (RS-триггер) выполним на логических элементах ИМС К561ЛЕ5.

В качестве основной ИМС узла счёта и выбора выходных сигналов возьмём ИМС для построения электронных часов К176ИЕ18, ввиду очень удобного использования для задания временных интервалов счётчика минутных и секундных импульсов. Данная микросхема также имеет выходы звуковых сигналов, которые удобно использовать для оповещения абонента по телефонной линии.

Также, для задания выбранных временных интервалов подсчёта количества дозвонов до абонента и интервалов между дозвонами, выбираем в качестве десятичного счётчика-делителя ИМС К561ИЕ8.

Как указывалось выше, в качестве аналоговых микросхем телефона-трубки выбираем ИМС отечественного производства – импульсный номеронабиратель КР1008ВЖ10 и вызывное устройство на КР1064ПП1.

В качестве ключевых элементов выбираем транзисторы КТ502Е и КТ503Е, очень хорошо зарекомендовавшие себя в схемах телефонов.

Пассивные элементы в данном устройстве не требуют повышенной точности номиналов, поэтому резисторы и конденсаторы выбираем исходя из стандартного ряда.

Полупроводниковые диоды выбираем КД102Б, как наиболее подходящие по размерам и электрическим параметрам.

  4.2. Справочные данные. 4.2.1. Микросхема К176ИЕ18.

ИМС К176ИЕ18 предназначена для использования в электронных часах. В её состав входят кварцевый генератор с внешним кварцевым резонатором на частоту 32768 Гц и два делителя частоты: СТ2 на 32768 и СТ60 на 60. При подключении к микросхеме кварцевого резонатора, она обеспечивает получение частот 32768, 1024, 128, 2, 1, 1/60 Гц. Импульсы с частотой 128 Гц формируются на выходах микросхемы Т1-Т4 с открытым стоком (выходной ток по выходам – 12 мА), их скважность равна 32/7 (для обеспечения надёжного запирания вакуумных люминесцентных индикаторов по их сеткам), сдвинуты они между собой на четверть периода. Эти импульсы предназначены для коммутации знакомест индикатора часов при динамической индикации. Импульсы с частотой 1/60 Гц подаются на счётчик минут, импульсы с частотой 1 Гц могут использоваться для подачи на счётчик секунд. Частота 1024 Гц предназначена для звукового сигнала будильника и для опроса разрядов счётчиков при динамической индикации. Вход Q микросхемы используется для изменения яркости индикатора, при подаче на него логической 1 можно в 3,5 раза увеличить скважность импульсов на выходах Т1-Т4 и во столько же раз уменьшить яркость свечения индикатора. Также в микросхеме имеется специальный формирователь звукового сигнала. При подаче импульса положительной полярности на вход HS, на выходе HS появляются пачки импульсов отрицательной полярности с частотой 2048 Гц и скважностью 2. Длительность пачек – 0,5 с, период повторения – 1 с. Выход HS выполнен с открытым стоком. Сигнал присутствует на выходе HS до окончания очередного минутного импульса на выходе M микросхемы.

Напряжение питания микросхемы – от 3 до 15 В.

HS HS M S1 Q S2 T1 T2 T3 R T4  F Z Z

 
 
 

^{R1 22MR2 510 к}

^{Z1 32768 Гц}

_{С1 С2 С3}

_{3…15 36 4…20}

 Рис. 4.1. Типовая схема включения микросхемы К176ИЕ18.

Назначение выводов микросхемы :

1      - T3

2      - T2 выходы 128 Гц;

3      - T1

4      - S1 - выход секундных импульсов 1 Гц;

5      - R - вход (запуск) счётчика, сброс данных в ноль;

6      - S2 - выход 2 Гц;

7      - HS - выход формирователя звукового сигнала 2048 Гц;

8      - GND - земляной вывод;

9      - HS - вход запуска формирователя звукового сигнала;

10  - M - выход минутных импульсов 1/60 Гц;

11  - F - выход опроса разрядов счётчиков 1024 Гц;

12  - Z выводы генератора для подключения

13  - Z внешнего кварцевого резонатора;

14  - Q - вход регулировки яркости свечения индикатора;

15  - T4 - выход 128 Гц;

16              - U_cc - напряжение питания.

4.2.2. Микросхема К561ИЕ8.

ИМС является десятичным счётчиком с дешифратором. Микросхема имеет три входа – вход установки исходного состояния R, вход для подачи счётных импульсов отрицательной полярности CN и вход для подачи счётных импульсов положительной полярности CP. Также она имеет десять дешифрированных выходов 0…9. Внутренняя схема содержит пятикаскадный счётчик Джонсона и дешифратор, который преобразует двоичный код в сигнал, появляющийся последовательно на каждом выходе счётчика. Счётчик имеет выход переноса P. Положительный фронт выходного сигнала переноса появляется через десять периодов тактовой последовательности и используется поэтому как тактовый сигнал для счётчика следующей декады.

Максимальная тактовая частота – 2 МГц.

Длительность импульса запрета счёта  300 нс.

Длительность тактового импульса  250 нс.

Длительность импульса сброса  275 нс

 ( вид сверху )

.

Рис. 4.2. Цоколёвка корпуса К561ИЕ8 (пластмассовый корпус типа 2104.16-4).

 

Таблица истинности микросхемы К561ИЕ8 :

Логические уровни входных сигналов			действие
R	CN	CP
1 0 0 0 0 0 0	X   1 0 X 1	X 0   X 1   0	0=B P=B 1/9=H Счёт Счёт Нет счёта Нет счёта Нет счёта Нет счёта

    4.2.3. Микросхема К561ЛЕ5.

ИМС К561ЛЕ5 представляет собой четыре логических элемента 2ИЛИ-НЕ объединённых в одном корпусе.

Рис. 4.3. Цоколёвка корпуса К561ЛЕ5 (пластмассовый корпус 201.14-1).

4.2.4. Импульсный номеронабиратель 1008ВЖ10.

1008ВЖ10 – электронный номеронабиратель с импульсным набором номера (аналог микросхемы KS5851 фирмы SAMSUNG). Служит для преобразования нажатия кнопки клавиатуры в последовательность токовых импульсов. Входные данные вводятся с клавиатуры, представляющей собой матрицу кнопок (клавиш) 3x4. Программирование паузы (единичная пауза равна 1,6 мс) можно производить после каждой набранной цифры нажатием клавиши [ * ].

Стабилизатор напряжения включается при замыкании вывода 2 на «землю» (вывод 6). Предназначена для применения в кнопочных телефонных аппаратах с расширенными функциональными возможностями.

Микросхема выполнена по КМОП-технологии.

Особенности микросхемы:

-          внутреннее ОЗУ рассчитано на 32 цифры;

-          повтор последнего набранного номера с помощью клавиши [ # ];

-          программирование паузы с помощью клавиши [ * ];

-          встроенный стабилизатор напряжения питания;

-          имеет помехозащищённые входы для клавиатуры;

-          выходы с открытым стоком.

Электрические параметры :

Напряжение питания в статическом режиме, В	1,5
Частота генератора, кГц	2,4
Импульсный коэффициент (отношение длит. импульса к длит. паузы )	3:2 / 2:1
Длительность удержания клавиши для уверенного ввода значения цифры, мс	20
Время восстановления выхода MUTE после завершения формирования последней цифры, мс	5
Частота импульсов внутри кодовой посылки, Гц	10 или 20
Длительность нажатия «рычага», необходимая для сброса регистра адресации памяти, мс	300
Длительность времени «антидребезга», мс	14
Длительность межцифровой паузы, мс	800 или 400

Предельно допустимые значения параметров и режимов :

Параметр	Символ	Значение		Единица измерен.
		³	£
Напряжение питания	Ucc	2,0	6,0	В
Максимальный ток потребления	Icc	-	150	мкА
Максимальный ток потребления в статическом режиме	Icc	-	1	мкА
Максимально допустимое сопротивление контакта клавиатуры в замкнутом сост.	Ron	-	1	КОм

(Вид сверху)

1 18

2 17

 

3 16

4 15

5 1008ВЖ10 14

6 13

7 12

8 11

9 10

Рис. 4.4. Цоколёвка корпуса 1008ВЖ10 (пластмассовый корпус типа 2104.18-10).

Назначение выводов микросхемы :

1         - U_cc - напряжение питания ;

2         - U_ref - вход схемы ограничения ;

3         - COL1

4         - COL2 - клавиатурные входы (столбцы);

5         - COL3

6         - GND - земля ;

7         - RD

8         - C - выводы для подключения RC-цепи генератора;

9         - RC

10     - PPS - выбор частоты импульсов кодовой посылки;

11     - M/B - выбор отношения импульс/пауза;

12     - MUTE - выход разговорного ключа;

13     - ROW4

14     - ROW3 - клавиатурные входы (строки);

15     - ROW2

16     - ROW1

17     - HS - вход от «рычажного переключателя» (положение трубки);

18     - DP - выход импульсного ключа.

Блок задания режимов

Логика управления

Входная логика клавиату ры

Рис. 4.5. Структурная схема 1008ВЖ10 :  

Блок формирования выходных сигналов

ОЗУ 32x4 бит

13

14 12

15

16 18

3

4 18

5

17

 11 2

генератор

11 1

10 6

7 8 9

4.2.5. Микросхема КР1064ПП1.

В настоящее время АО «Светлана» в г.С.-Петербурге выпускает специализированную микросхему вызывного устройства КР1064ПП1 (зарубежный аналог – L3240 фирмы «SGS-THOMSON»). Микросхема генерирует сигнал с двумя периодически переключающимися частотами (с соотношением 1,38) и непосредственно управляет пьезоэлектрическим излучателем. Встроенный гистерезис блокирует возможность ошибочного запуска от помех в линии и импульсов номеронабирателя.

Напряжение включения ИС – в пределах 12,1÷13,1 В.

Напряжение выключения - 7,9÷8,9 В.

Ток вызова без присоединённой нагрузки I_сс  1,8 мА.

Амплитуда выходного напряжения U_вых.= (U_cc- 5) В.

 

Рис. 4.6. Структурная схема ИС КР1064ПП1.

Назначение выводов ИС КР1064ПП1 :

Вывод ИС	Обозначение	Назначение выводов ИС
1 2 3 4 5 6 7 8	LN1 0V C R UOT1 OUT2 U LN2	Вход напряжения переменного тока. Общий вывод. Вывод подключения конденсатора, управляющего переключениями частот, fпер.= 750/С (нФ). Вывод подключения резистора, управляющего тоном звуковой частоты, f1=3,56x104/R(кОм); f2=f1/1,38. Выход напряжения звуковой частоты. Инверсный выход напряжения звуковой частоты. Напряжение питания. (Ucc< 32 В). Вход напряжения переменного тока.

Рис.4.7. Схема включения ИС ВУ КР1064ПП1.

4.3. Описание работы электрической схемы охранного устройства с автодозвоном по телефонной линии.

В состав схемы входят:

-          узел датчика на элементах DD1, R1, R2, C1;

-          узел счёта и выбора выходных сигналов (сигнал включения ключа поднятия трубки, сигнал имитации нажатия клавиши «Повтор», сигнал звукового оповещения), собранный на элементах DD3, DD4, DD5, DD2, ключах поднятия трубки VT2, VT3, ключе нажатия клавиши «Повтор» - на VT1;

-          стандартная схема телефона-трубки на ИС номеронабирателя с выходом импульсного ключа с открытым стоком (типа 1008ВЖ10) и ИС вызывного узла на микросхеме КР1064ПП1 (элементы DA1, C2, C3, C6, R3, R4, BQ1).

Телефонная часть схемы особенностей не имеет, принцип работы такой схемы на базе микросхемы - импульсного номеронабирателя достаточно широко рассмотрен в популярной справочной радиотехнической литературе, например, в [ 4 ]. Рассмотрим работу узла датчика, счёта и ключей.

Если переключатель SA1 не включён, к телефонной линии подключена схема телефона-трубки, при этом охранное устройство работает в обычном режиме телефона-трубки (принимает вызовы, осуществляет набор номера и т.п.).

При нажатии на кнопку SA1 напряжение питания подаётся на схему, в результате чего происходит зарядка конденсатора С1 (время, необходимое для выхода из охраняемого помещения), и элемент DD1.4 переводит RS-триггер в состояние ожидания (на выходе DD1.1 присутствует логический «0», датчик охраны – нормально замкнутый). При срабатывании датчика (размыкании) на выходе DD1.1 появляется логическая «1», что приводит к запуску схемы счёта на ИС DD2. С выхода 4 DD2 секундные импульсы подаются на тактовый вход DD4, что приводит к появлению на соответствующих выходах DD4 логической «1», которая через RS-триггер на DD5 управляет ключом поднятия трубки на R14, R13, VT2, VT3, а также через ключ R15, VT1 имитирует нажатие клавиши «повтор» телефонной части устройства. При появлении логической «1» на выводе 11 DD4 разрешается подача звукового сигнала с выхода 7 DD2 через C8 на базу VT5 и далее в телефонную линию.

Минутные импульсы, снимаемые с выхода 10 DD2, необходимы для организации цикла работы охранного устройства и через DD5.1, DD5.2 подаются на вход 15 DD4 (для сброса счётчика DD4 и, соответственно, ключей), а также поступают на счётный вход DD3 (для организации подсчёта количества дозвонов до абонента).

После отработки заданного счётчиком DD3 числа дозвонов до абонента (в нашем случае – шесть), через элемент DD1.4 схема приводится в исходное состояние и переходит в режим ожидания.

Практически, для активизации охранного устройства необходимо сделать следующее:

-          проложить охранный шлейф от устройства до датчика (микропереключатель или геркон в двери, окнах и т.п.);

-          при не включённом переключателе SA1 функции телефона остаются неизменными;

-          при необходимости поставить помещение под охрану - набрать номер и дозвониться до выбранного абонента (всё это без включения SA1);

-          после чего нажать режим «охрана» переключателем SA1 и в течение 30 секунд выйти из квартиры (замкнуть датчик охраны).

Информация о набранном номере удерживается в памяти 1008ВЖ10 до тех пор, пока на входе устройства – 60 В от реальной телефонной линии. В случае кратковременного разрыва охранного шлейфа (размыкания датчика) устройство автоматически «снимает трубку», шесть раз с интервалом в одну минуту дозванивается до заранее записанного в память номера и подаёт характерный сигнал тревоги.

Главным достоинством схемного решения разрабатываемого устройства является то, что питание схемы осуществляется от напряжения телефонной линии, в связи с очень малым энергопотреблением применённых микросхем, выполненных по КМДП-технологии. Учитывая, что наличие питающего напряжения в современных телефонных линиях очень высока, можно обойтись и без резервирования питания устройства охраны, что в значительной степени удешевляет конструкцию прибора. Кроме того, резервирование питания устройства приводит (при срабатывании системы резервирования) к меньшей помехозащищённости схемы и повышению вероятности ложного срабатывания охранного устройства. В этом отношении разрабатываемое устройство свободно от перечисленных недостатков.

Схема охранного устройства по своим характеристикам соответствует ГОСТ 7153-85 – «Аппараты телефонные общего применения. Технические условия» и может применяться в качестве индивидуального охранного устройства для помещений.

4.4. Расчёт элементов принципиальной схемы.  Электрический расчёт электронного ключа.

Аналоговые ключи предназначены для коммутации аналоговых сигналов от источника на нагрузку с малыми искажениями. Они широко применяются в ЦАП, АЦП, устройствах выборки и запоминания сигналов, для коммутации аналоговых сигналов источников на общую нагрузку и для других целей. Аналоговые ключи могут коммутировать ток и напряжение. В нашем случае необходим коммутатор напряжения.

В цепи для коммутации напряжения нагрузка должна иметь достаточно высокое сопротивление по сравнению с выходным сопротивлением источника сигнала. Реальные аналоговые ключи вносят погрешность при передаче сигнала от источника в нагрузку. Основными параметрами ключа, определяющими величину погрешности, являются: остаточное напряжение на замкнутом ключе, остаточный ток разомкнутого ключа и конечное время переключения. Основной задачей проектирования аналоговых ключей является минимизация перечисленных параметров, и тем самым уменьшение погрешности, вносимой ключами при коммутации сигнала.

Рис. 4.9. Транзисторный ключ с гальванической цепью управления.

Источником питания аналогового ключа служит коммутируемое напряжение U_вх, значение которого может изменяться в широких пределах и достигать весьма малых значений (десятков милливольт). При подаче отрицательного управляющего нарпяжения U_упр< 0 транзистор закрывается, через резистор R_к будет протекать тепловой ток коллектора и напряжение между коллектором и эмиттером U_кэ = U_вх – I_к0 R_к  U_вх. Пусть под действием отпирающего напряжения U_упр > 0 в базовой цепи проходит ток I_б. Для всех значений коллекторного тока I_к<< β I_б(I_к= U_вх/R_к , β – коэффициент передачи базового тока) транзистор будет насыщен и напряжение U_кэ очень мало. В режиме насыщения коллекторный и эмиттерный переходы открыты, выходное напряжение U_кэ = U_бэ- U_бк. При глубоком насыщении транзистора (I_б β/ I_к > 3…4) остаточное напряжение на замкнутом ключе

U_кэφ_т/β_I+I_б r_эн ,

где β_I – коэффициент передачи базового тока при инверсном включении транзистора; φ_т – тепловой потенциал, пропорциональный абсолютной температуре (при 300 К φ_т  26 мВ); r_эн – объёмное сопротивление области эмиттера насыщенного транзистора.

Выходное сопротивление насыщенного транзистора (сопротивление замкнутого ключа) R_вых обычно составляет единицы и десятки Ом и может быть определено по формуле

R_вых   ,

где r_кн  - объёмное сопротивление области коллектора, насыщенного транзистора.

Рассмотрим влияние цепи управления на свойства ключа. Состояние его определяется уровнем управляющего напряжения U_упр и значением сопротивления R_б. Стоит отметить, что схема может коммутировать как положительное, так и отрицательное напряжение U_вх.При отрицательном управляющем напряжении U_упр' транзистор должен быть заперт (U_бк< 0, U_бэ < 0) и напряжение U_вых= 0. Если на входе действует положительное напряжение U_упр'', транзистор будет насыщен, а напряжение U_вых= U_вх . В насыщенном режиме в схеме установятся следующие токи: I_б = (U_упр'' – U_бэ – U_вх) / R_б , I_н = U_вых / R_н .

Исходя из приведённых формул рассчитаем R_б :

R_б = (U_упр'' – U_бэ – U_вх) / I_б

R_б = ( 3 - 0,6 – 0,4) / 0,00002 = 100 кОм.

5. Конструкторско-технологическая часть. 5.1. Разработка конструкции устройства.

Печатная плата охранного устройства является основным элементом при проектировании РЭА. Она объединяет печатные узлы и другие элементы. Разработку конструкции печатной платы можно производить исходя из базовых несущих конструкций, то есть исходя из размеров корпуса стандартного кнопочного телефона-трубки, величина которых, независимо от производителя, отличается незначительно, в зависимости от образцов. Это позволяет повысить коэффициент заполнения объема, уменьшить массу и габаритные размеры изделия. Таким образом, применяем пластмассовый корпус телефона-трубки, производством которых занимаются многие отечественные цеха по выпуску пластмассовой продукции.

Для пайки применяют припой ПОС – 61.

Габаритные размеры печатной платы в длину и ширину соответственно: 150 мм и 60 мм.

Высота определяется высотой установки применяемых радиоэлементов на печатной плате и составляет 15 мм.