Схемотехника и системотехническое проектирование

1. 1

Схемотехника и
системотехническое
проектирование
Ст. преподаватель
Снесарев С.С.
Кафедра ЭГА и МТ

2. 1

Схемотехника и системотехническое
проектирование
1
Курс «Схемотехника и СМТП» включает в себя изучение устройств
формирования и обработки сигналов различного назначения, разработку
структурных, функциональных и принципиальных схем приборов и блоков
приборов контроля качества и диагностики.
При разработке приборов особое внимание уделяется проектированию
различных функциональных узлов, их особенности конструкции, изучению
принципа работы, в общем случае определяющим цель и назначение самого
прибора в целом.
К основным этапам проектирования в схемотехнике электронных
устройств относятся:
Разработка общей (обобщенной) структурной схемы прибора;
Разработка структурных схем электронных блоков, содержащихся в
приборе;
Разработка функциональной схемы прибора;
Разработка и расчет электрических принципиальных схем блоков.
При этом решаются задачи оптимизации, заключающиеся в типизации и
унификации разрабатываемого оборудования.

3. 2

Типизация
Кол-во
Решение задач
унификации и типизации
– способ ликвидации многообразия деталей и изделий
путем обоснованного сведения к ограниченному числу избранных типов, при
котором параметры избранных типов получены в виде предпочтительного
ряда.
Унификация – метод планирования конструкторских разработок и
производства, который предусматривает рациональное сокращение числа
типов изделий путем создания рядов изделий на основе базовой
конструкции.
Таким образом, решение этих двух задач позволяет упростить схемы
разрабатываемого устройства и сократить количество используемых
компонентов (элементов) для этих схем (рис.1).
Общее количество
используемых типов
элементов
Общее количество
разрабатываемых блоков
Время
Рис.1. Пример оптимизации процесса разработки электронных схем.

4. 3

Общая (обобщенная) структурная схема прибора - это изображение
в упрощенном виде используемых в приборе блоков и систем (на
макроуровне). Как правило, она объединяет большинство приборов одного
класса по структуре построения. Пример обобщенной структурной схемы
представлен на рис.2.
Излучающий
блок
Блок приемоизлучения
(датчики или
антенны)
Приемный
блок
Блок
управления и
синхронизации
Блок
индикации
Блок
обработки
(ЭВМ)
Блок питания
К блокам
прибора
Рис.2. Пример обобщенной структурной схемы измерительного
комплекса.

5. 4

Электрическая структурная схема блока – это представление
конструкции блока в виде отдельных его компонентов с указанием связей
между ними. В отличие от обобщенной структурной схемы, электрическая
структурная схема одного и того же блока для одного и того же типа
прибора может различаться, в зависимости от назначения и характеристик
прибора. Например, на рис.3. показаны 2 структурные схемы приемного
блока гидролокатора бокового обзора, имеющие различия.
От источника
сигнала
(антенны)
От источника
сигнала
(антенны)
Полосовой
фильтр
Предварит
ельный
усилитель
Усилитель
ВАРУ
Регулируемый
усилитель
От блока
управления
(закон ВАРУ)
От блока
управления
(Усиление)
Полосовой
фильтр
ВАРУ
Детектор
Видеоусилитель
АЦП
К блоку
обработки
Масштабир
ующий
усилитель
Буферный
усилитель
АЦП
К блоку
обработки
От блока
От блока
управления управления (Код
(закон ВАРУ) коэффициента
усиления)
Рис.3. Структурные схемы приемного блока комплекса ГБО
с различным назначением.

6. 5

Электрическая
структурная
схема
позволяет
определить
тип
используемых компонентов для дальнейшего создания схемы электрической
принципиальной. При описании электрической схемы необходимо указывать
количественные и качественные показатели используемых субблоков.
Например, по рис.3 может быть следующее описание одного из субблоков:
«полосовой фильтр, используемый для выделения рабочей полосы прибора,
должен обеспечивать полосу от N кГц до M кГц по уровню -3dB, с
коэффициентом подавления -20dB/дек. Целесообразно выполнить его на
элементах повышенной добротности по схеме Линквица с использованием L
и C компонентов».
При построении структурной схемы рекомендуется использовать
цифровую нумерацию блоков с последующей их расшифровкой. Так, для
верхнего рис.3. можно обозначить блоки, как: 1 – полосовой фильтр, 2 –
усилитель ВАРУ, 3 – регулируемый усилитель, 4 – детектор, 5 –
видеоусилитель, 6 – АЦП (аналого-цифровой преобразователь).

7. 6

Схема электрическая функциональная – аналог электрической
структурной схемы с указанием вида и назначения используемых устройств.
Назначение устройств выполняется в виде специальной символики. Таким
образом, в отличие от структурной схемы, показывающей, из каких
субблоков состоит блок, функциональная схема дает понятие о принципе
работы блока. В связи с этим, при описании функциональной схемы
необходимо пояснять, что происходит непосредственно с сигналом,
проходящим через блок.
Дополнительные пояснения по работе блока выполняются в виде
диаграмм напряжений (токов либо других параметров), которые являются
дополнением к функциональной схеме устройства (прибора или блока).
Некоторые из основных функциональных элементов показаны на рис.4.
1
Активный
полосовой
фильтр
Усилитель
Амплитудный
детектор
Повторитель
Селектор
Рис.4. Некоторые основные обозначения на функциональной схеме.

8. 7

Пример функциональной схемы и диаграммы напряжений для нее7
показаны на рис.5.
U1
U2
G
U3
U4
U1
U3
f1
f2
G
U5
U5
U4
U2
U6
G
G
U14
U16
fт
DD6DD9
CT
G DC a
DD2.2
U6
U7
U8
t
U9
R T
S
U10
U12
U11
U13
C
&
Q
U15
U17
T
R
G
D
.
.
.
g
U10
HG1
U11
U13
U14
ВАРУ
U15
1
U18
U16
U17
U18
Рис.5. Пример функциональной схемы и ее диаграммы напряжений.

9. 8

Схема электрическая принципиальная – графический материал,
определяющий принцип действия устройства на уровне элементов. Включает
в себя графическое изображение элементов, а также их электрические
связи. Дополнительной конструкторской документацией к принципиальной
схеме является перечень элементов, заключающий в себе соответствие
позиционного обозначения элемента на принципиальной схеме с его типом и
номиналом, указанном в перечне.
Нумерация элементов на принципиальной схеме выполняется по
приоритету «слева-направо», «сверху-вниз» согласно ГОСТ.
Электрическая принципиальная схема создается путем схемотехнических
решений для реализации соответствующих блоков или субблоков. Таким
образом, существует множество вариантов принципиальных схем для
создания какого-либо блока или устройства в целом. Так, к примеру,
генератор сигналов прямоугольной формы определенной частоты и
амплитуды можно выполнить с использованием транзисторных схем, схем на
операционных усилителях или цифровых схем.

10. 9

Пример электрической принципиальной схемы показан на рис.6.
От источника сигнала
К нагрузке
1-й каскад активного
фильтра низкой частоты
2-й каскад активного
фильтра низкой частоты
усилитель
DA1.2
4
DA1.1
2
X1
In
C1
Цепь
Вход
К
Выход
1
NU
2
NU
3
GND
4
R1
R2
Out
In
C2
R4
C5
R5
R6
6
X2
5
DA2
In
+U
-U
R3
8
3
1
In
C3
Out
7
2
a
b
In
C4
1
Out
+U
In
-U
К
Цепь
1
Выход
a
2
+15В
b
3
-15В
4
GND
8
3
7
a
b
Рис.6. Электрическая структурная и электрическая принципиальная схема
блока активного фильтра нижних частот.

11. 10

При разработке электрической принципиальной схемы учитываются те
характеристики устройства, которые являются наиболее важными. В
качестве примера с генератором можно изобразить несколько идентичных
схем (рис.7)
C1
R1
Uвых
R2
DD1.1
DD1.2 DD1.3
4
9
1
& 3
& 6
& 8
2
R1
5
10
C1
ZQ1
R3
DD1.4
12
13
R3
& 11
Период T=2t1 = 2τln(1 + βп)/(1-βп),
где
βп = R2 /(R3 + R4) —
коэффициент ПОС (положительной
обратной связи).
Рис.7. Варианты схемотехнического решения генераторов
прямоугольных импульсов (формулы указаны для правой схемы).

12. 11

Все схемы выполняются в соответствии с требованиями ГОСТов ЕСКД.
Номера схем присваиваются после цифр номера Э1, Э2, Э3 соотвественно.
Например: ТКГУ 223048.002 Э1 – Излучающий тракт. Схема электрическая
структурная.
После выбора и расчета схемы выполняется моделирование данной схемы
при помощи какой-либо программы, позволяющей выполнить данную задачу
по необходимым нам параметрам моделирования. Одними из таких программ
является MicroCAP, LabView и Electronic WorkBench.
MicroCAP – система, основанная на математическом синтезе электронных
объектов и их анализа различными методами. Данная система содержит в
себе множество вариантов и разновидностей алгоритмов обработки
электрических схем. Возникла она в связи с необходимостью перехода при
данном моделировании на вычислительные ресурсы в макромасштабе (ранее
при помощи ЭВМ производился расчет отдельных компонентов схем, сейчас
требуется расчет модулей, блоков и подсистем). Причем в последние годы
все более актуальными являются вопросы решения схемотехнических задач
в таких многокритериальных нелинейных областях, как СВЧ техника (с
частотами до нескольких гигагерц), учет теплового воздействия на
компоненты электронных устройств, помехозащищенность и др., в которых
проектировщики систем анализа электронных схем еще не добились
желаемого результата.

13. 12

Пример моделирования при помощи системы MicroCAP показан на рис.8.
В данном случае использовался активный фильтр Чебышева.
Рис.8. Схемотехническое моделирование принципиальной схемы.

14. 13

Результаты моделирования выводятся в виде графиков либо значений для
необходимых параметров, указанных перед работой. В данном случае это
амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики (рис.9).
Рис.9. Результаты моделирования схемы активного фильтра.

15. 14

Новейшие пакеты моделирования, такие, как LabView, позволяют
производить комплексный и системный анализ устройств, что приводит к
возможности моделировать не отдельные блоки, а сразу весь прибор.
В современной схемотехнике существует множество разработок,
позволяющих упростить конструирование и изготовление приборов при
помощи улучшенных технологий производства электронных компонентов.
Одной из таких разработок явилось создание высоко-интегрированных
производительных
микроконтроллеров,
микропроцессоров
и
программируемых схем, как логических (ПЛИС), так и аналоговых (ПАИС).
Программи́ руемая логи́ ческая интегра́ льная схе́ма (ПЛИС, англ.
programmable logic device, PLD) — электронный компонент, используемый
для создания цифровых интегральных схем. В отличие от обычных цифровых
микросхем, логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а
задаётся посредством программирования (проектирования).
Альтернативой ПЛИС являются заказные БИС, которые существенно
дороже и компьютеры (микроконтроллеры), которые из-за программного
способа реализации алгоритмов медленнее ПЛИС.

16. 15

В качестве примера на рис.10 изображена схема блока обработки
информации при помощи 8-разрядного микроконтроллера 8748 семейства
MCS-48 и АЦП ICL7109.
Рис.10. Схема блока обработки сигнала и внешний вид ПЛИС ALTERA и
микропроцессора.

17. 16

Список литературы.
1. Основы радиоэлектроники. Москва, МАИ, 1993.
2. Ю. Г. Толстов, А. А. Теврюков. Теория электрических цепей. Москва,
Высшая школа, 1971.
3. Р. Коутс, И. Влейминк. Интерфейс «Человек-компьютер». Москва,
издательство МИР, 1990.
4. В. А. Прянишников. Электроника. Курс лекций. С/Пб, Солон-Питер, 1993.
5. Ерошенко В.В., Малакеев А. К., Поливанов С. А.. Справочник по
транзисторам., Воронеж, «Коммуна», 1991.
6. Л. М. Фолкенберри. Справочное пособие по ремонту электрических и
электронных систем., М., Энергоатомиздат, 1989.
7. Схемотехника1. Курс лекций.
8. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1989.
9. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1993, т. 1
10. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. М.: Высш. Шк., 1991.
11. Рогинский В. Ю. Современные источники питания., С/Пб, «Энергия»,
1989г.