1.Аппаратура считывания сигналов. 1.1. Микростриповый детектор.

А. Введение. Обзор литературы.
1.Аппаратура считывания сигналов.
1.1. Микростриповый детектор.
1.2. Спектрометр с вершинным детектором.
1.3. Общее положение проектируемой схемы.
1.4. Используемые микросхемы
1.4.1
Регуляторы напряжения.
1.4.2
Драйвера.
1.4.3
Операционные усилителей.
1.4.4
Зарядочувствительный усилитель VA1' Ideas.
2. Технические требования к проектируемому блоку.
Б. Конструкторско-технологическая часть.
В. Специальная часть
1. Принцип работы блока
2. Создание элемента VA1'Ideas ?
3. Проектирование электрической схемы
4. Моделирование электрической схемы с целью получения
необходимых результатов.
4.1Переходные процессы
4.2Шумовые характеристики
4.3Параметрическое моделирование?
Г. Охрана труда
1. Исследование возможных вредных факторов при эксплуатации ЭВМ
и их
влияние на пользователя.
1.1 Введение
1.2. Выводы
1.3. Анализ влияния опасных и вредных факторов на пользователя
2. Способы защиты пользователей от воздействия на них опасных и
вредных
факторов
2.1. Методы и средства защиты от поражения электрическим током
2.2. Методы и средства защиты от ультрафиолетового излучения
2.3. Общие рекомендации при работе с вычислительной техникой
Вывод
Список литературы
Введение
Главной задачей физики элементраных частиц является исследование
природы, свойств и превращений элементарных частиц. В физике
элементраных частиц современные экспериментальные установки содержат
различного типа датчики для регистрации частиц.
В состав таких установок входит трековая система. Она предназначена
для регистрации траектории прохождения заряженной частицы: координат
области взаимодействия, углов вылета. Трековая система обычно выполняется
на полупроводниковых кремниевых детекторах.
Для функционирования кремниевых детекторов необходимы
высокоэффективные системы считывания данных в микроэлектронном
исполнении. Разработка микросхем считывания является сложной научнотехнической задачей, требующей современных методов моделирования и
проектирования, оригинальных схемотехнических и структурных решений,
выполняемых по субмикронным или нано-технологическим процессам.
В связи с этим возникает ряд проблем:
1. Отсутствие отечественных систем считывания
2. Создание современных установок считывания
3. Исследование взаимных превращений элементарных частиц
Эти и другие вопросы решает НИИЯФ им. Д.В. Скобельцына МГУ им.
М.В. Ломоносова.
На базе НИИЯФ им. Д.В. СКобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова была
создана лаборатория кремниевых детекторов. Результатами работы лаборатории
являются крупные эксперементальные установки. Одной из таких установок
является спектрометр с вершинным детектором. Сейчас создается установка
для работы в эксперементе СВД-3 в городе Протвино.
Технологический прогресс при производстве интегральных микросхем приводит к
созданию новых систем считывания на их основе. Таким образом для экспериментальной
установки СВД-3 необходимо создать блок регистрации сигналов ионизирующих
излучений . Эта задача легла в основу дипломной работы. Целью дипломного
проектирования является прогнозирования результатов работы узлов установки. Данная
задача решалась с помощью программы Orcad Capture.
Обзор литературы
1. Аппаратура считывания сигналов
В физике элементарных частиц современные экспериментальные установки
содержат различного типа датчики для регистрации частиц, электронику для считывания
и первичной обработки данных, инфраструктуру для поддержания их работоспособности
(криогенные системы, системы кондиционирования, электропитания), магниты для
создания внутри установки магнитного поля. В большинстве случаев, такие установки
создаются большими международными группами (коллаборациями).
В состав установок, как правило, входят следующие системы:
1).Трековая система
Траекторию прохождения заряженной частицы ругистриуют трековая
система. С помощью этой системы можно определить координаты области
взаимодействия, углов вылета. Реализуются такие системы обычно на основе
газовых ионизациооных детекторов или полупроводниковых кремниевых
детекторов.
2). Система идентификации
Система идентификации позволяет разделить типы заряженных частиц.
Чаще всего принцип работы заключается в измерении скорости пролета
частицы одним из трех способов: по углу излучения черенковского света в
специальном радиаторе, по времени пролета до точки регистрации, по удельной
плотности ионизации вещества. Совместно с измерением испульса частицы в
трековой системе это дает информацию о массе, а, следовательно, и о типе
частицы.
3). Калориметр
Калориметр служит для измерения энергии частиц путем их полного
поглощения. Различают два типа калориметров - электромагнитные и адронные.
В электромагнитных калориметрах частицы (фотоны и электроны)
образуют электромагнитный ливень в веществе и полностью поглощаются.
Выделенная энергия может быть измерена либо по величине вспышки
сцинтялляционного света, либо путем подсчета частиц ливня.
Калориметры, в которых возникает адронный каскад называют
адронными. Таким образом, при использовании электромагнитного и адронного
калориметров обеспечивается полное измерение энергии частиц, попадающих
в апертуру экспериментальной установки.
4). Мюонная система
Эту систему можно отнести к системе идентифицаии, которая отдельно
реализуется во внешней части детектора. Чаще всего она встраиваться в железо
трековой системы. Мюонная система позволяет отдлелить мюоны по их
способности проходить большие расстояния в веществе без поглощения.
В современных установках могут использоваться и другие системы идентификации
физических процессов.
1.1. Микростриповый детектор.
В современных экспериментах широкое распространение получили
полупроводниковые детекторы. Принцип работы основан на том, что при
прохождении ионизирующей частицы заряды, образованные в веществе
детектора, собираются на его электродах. Полупроводниковый детектор
обладает большими преимуществами по сравнению с другими детекторами.
Прежде всего, на образование пары носителей заряда в полупроводниковых
счетчиках требуется энергия порядка 3эВ, что в ~10 раз меньше, чем в
газах.Для очень точного определения координат частиц используют
полупроводниковые микростриповые детекторы. Они представляют пластины
монокристалла высокоомного кремния, на одной из поверхностей которой
создаются p-n переходы и наносятся тонкие электроды (стрипы), отстоящие
друг от друга на расстоянии ≈ 20-100 мкм, а другая покрывается металлическим
слоем. На электроды подается напряжение несколько десятков - сотен вольт.
Электронно-дырочные пары, образованные пролетающей заряженной частицей
в кристалле, двигаются к ближайшим электродам и регистрируются в виде
импульсов тока. Пространственное разрешение микростриповых детекторов
достигает 10 мкм и выше. Временное разрешение – 10-8 с.
Основным материалом для детекторов, как сказано выше, является кремний,
благодаря таким свойствам как: малая ширина запрещённой зоны, высокая
подвижность носителей заряда, сравнительно долгое время жизни электроннодырочных пар, а также возможность работы при комнатной температуре. Для
применения кремниевых сенсоров в физике высоких энергий крайне важными
стали два открытия. Во-первых, планарная технология, позволившая создавать
на поверхности кремния достаточно сложные структуры; во-вторых, появление
многоканальных интегральных микросхем малого размера, которые стало
возможно размещать в непосредственной близости от сенсоров.
Примером экспериментальной установки, на которой служит такой детектор,
является «СВД-2».
1.2 Спектрометр с вершинным детектором
Общая структура вершинного детектора показана на рис.1; она содержит
следующие части:
-пучковый телескоп, предназначенный для регистрации факта
прохождения и определения направления начальных, пучковых частиц от
ускорителя (протоны), и состоящий из трех пар сенсоров обеспечивающих
полное перекрытие площади пучка
(d-3мм);
-активная (трекочувствительная) мишень, в которой протоны в протонядерных взаимодействиях вызывают первичные взаимодействия, малая часть
которых (~10-4) содержит очарованные частицы или редкие события с большой
множественностью рожденных адронов, а так же узкие адронные резонансы;
-основаная трековая часть вершинного детектора, служащая для
регистрации треков, выделения первичной и вторичной вершин.
Основные элементы микрострипового сенсора и подключение
электроники показаны на рис.2 Микростриповые сенсоры вершинного
детектора представляют собой матрицы из линейных p+-n-переходов (стрипов)
шириной ~25 -50 мкм и длиной до 51 мм, расположенных параллельно друг
другу с постоянным шагом. Каждый стрип подключен к своему каналу
многоканального зарядочувствительного усилителя.
В вершинном детекторе используются микростриповые сенсоры трех
основных типов, которые обозначены как SVD-16, SVD-32, SVD-52. Они
представляют собой односторонние матрицы параллельных линейных p+-nпереходов. Различия между типами связаны с геометрическими размерами
сенсоров и шагом стрипов.
Ввиду того, что количество стрипов SVD-16 и SVD-32 одинаково, можно
оперировать структурой SVD-16.
Массив стрипов (элементы 1 на рис.3) для всех типов сенсоров
расположен параллельно одной из сторон кристалла. Каждый стрип
сформирован последовательными слоями: p+-имплантации, Si3N4, SiO2 и Al c
шириной слоев 10, 20, 20 и 13 мкм, соответственно. Активная область
определяется размерами областей p+-имплантации, однако несколько
превышает их.
Верхний Al-слой заканчивается разварочной площадкой, с помощью
которой производиться вывод сигнала. Каждый стрип соединен со своим
входом зарядочувствительного усилителя.
В микростриповых сенсорах вершинного детектора используется
емкостной съем сигнала с каждого стрипа. Это означает, что импульс тока от
частицы попадает на вход зарядочувствительного усилителя через переходную
емкость САС. В этом случаи величина сигнал от частицы не зависит от тока
утечки p+-n-переходов стрипа.
Рабочее запирающее напряжение смещения подается на каждый стрип
через поликремниевый резистор сопротивлением ~1 МОм, выполненный в виде
нескольких меандров (элементы 4 на рис.3). Одним концом резистор соединен с
Al-концом шины питания (элементы 3 на рис.3), охватывающим всю матрицу
стрипов, а другой конец соединен с полосой p+-имплантации стрипа. На шине
питания имеются по углам четыре расширения — площадки для микросварки,
предназначенные для подачи напряжения смещения на весь сенсор. Шина
питания окружена четырьмя охранными p+-кольцами (элементы 2 на рис.3).
Назначения охранных колец — уменьшать напряженность поля на краях
стрипов за счет более плавного падения потенциала от активной области к краю
сенсора.
Задняя сторона сенсора представляет собой неразделенный
металлизированный контакт к n-материалу. Al-металлизация блокирующего n+слоя снижает влияние дефектов обратной стороны на качество p+-n-переходов.
Для решения физических задач с использованием вершинного детектора
на мишень возложены следующие функции:
-выделение событий с первичным взаимодействием в мишени на стадии
выработки сигнала триггера 1-уровня;
-предварительная локализация вершины события, используемая далее в
формировании триггера 2-го уровня и последующей геометрической
реконструкции события;
-обеспечение возможности исследования А-зависимости (А — атомный номер)
механизмов образования очарованных частиц путем установки между её активными
слоями дополнительных пассивных слоев, выполненных из веществ с заметно
отличающимися значениями атомного номера, например, легкие (H, Li, C) и тяжелые
элементы (Au, Pb, Pt).
1.3 Используемые микросхемы
При проектировании блока регистрации был использован ряд микросхем
выполняющих следующие функции:
1.3.1 Регуляторы напряжения
1.3.2 Драйверы
1.3.3. Операционные Усилители
1.3.4. Зарядочувствительный усилитель VA1' Ideas
Ниже будет рассмотрен принцип действия каждого из них.
1.3.1 Регуляторы напряжения
Для питания любой схемы необходимо иметь источники стабильного
напряжения постоянного тока. За частую простые нерегулируемые источники
питания, выполненые по схеме трансформатор-неуправляемый выпрямительсглаживающий фильтр, оказываются невыгодными, так как выходное
напряжение зависит от нагрузки и напряжения сети. С помощью отрицательной
обратной связи, можно построить источник стабильного питания.
Такие стабилизаторы относятся к классу компенсационных. Они
универсальны и могут быть изготовлены в виде интегральных микросхем
стабилизаторов напряжения. Регулирующим элементом интегральных
микросхем стабилизаторов напряжения является транзистор.
Если он работает в активном режиме, то схема является линейным
стабилизатором напряжения, а если транзистор работает в ключевом режимеимпульсным.
Микросхемы ЛСН помимо силовых регуляторов имеют маломощную
схему управления. Трудность создания интегральных стабилизаторов
заключается в том, что транзисторы рассеивают значительную мощность,
вызывая нагрев кристалла. Это ухудшает стабильность схемы.
Линейный стабилизатор напряжения стоит на втором месте по массовости
применения после операционных усилителей.В упрощенном виде схема
линейного стабилизатора напряжения приведена на Рис. 3.4.
Рис.3.4. Базовая схема линейного стабилизатора напряжения.
Схема представляет собой операционный усилитель в неинвертирующем
включении с отрицательной обратной связью по напряжению, источника
опорного напряжение Uref и регулирующего транзистора VT1 включенного
последовательно с нагрузкой. Выходное напряжение Uout контролиутся с
помощью отрицательной обратной связи, выполненной на резистивном
делителе R1R2. Операционник играет роль усилителя ошибки, в качестве
которой здесь выступает разность между опорным напряжением Uref и
выходным напряжением делитя R1R2:
ΔU=UREF-UOUT(R1/R1+R2)
Принцип работы схемы. При уменьшении выходного напряжения Uout на
входе операционного усилителя появляется ошибка ΔU>0. Выходное
напряжения усилителя возрастет это приведет к увеличению тока базы, а,
следовательно и тока эмиттера регулируюшего транзистора до значения, при
котором выходное напряжения возрастет до первоначально уровня. В случаи
идеального ОУ установившееся значения ошибки, совпадающее с
дифференциальным входным напряжением операционного усилителя, близко к
нулю. Это означает что Uout=Uref(1+R1/R2)
Питание ОУ осуществяется от входного нерегулируемого однополярного
напряжения. Это накладывает ограничения на диапазон входных и выходных
сигналов.
Представленная на рис. 3.4 схема стабилизатора может быть выполнена в
виде интегральной схемы. Такие схемы выпускаются промышленностью на
несколько фиксированных значений стандартных выходных напряжений:
1.2...27 В. В таком исполнении схема может иметь только три внешних вывода:
вход, выход и общий вывод (Рис. 3.5).
Рис. 3.5. Типовая упрощённая схема линейного стабилизатора напряжения
Характерной особенностью данного стабилизатора является включение
регулируюшего n-p-n транзистора по схеме с общим коллектором. В зарубежной
литературе это устройство называют n-p-n-стабилизатор. Требования к
усилителю ошибки, не очень высоки и он выполнятся по простейшей схеме
дифференциального усилителя. Опорное напряжение может быть получено
различными способами. На рис. 3.5 в ачестве источника напряжения показан
стабилитрон VD1. За счет отрицательно обратной связи, выходное напряжения
стабилизатора установиться равным: Uout=Uref(1+R1/R2).
Интегральный стабилизатор имеет встроенную схему ограничения
выходного тока, в данном случаи состоящую из резистора R3 и транзистора
VT2. Если напряжения на R3 превысит величину 0.6В, транзистор VT2
откроется и предотвратит дальнейшее увелечения тока базы транзистора VT1,
следовательно выходной ток стабилизатора ограничен уровнем: Ioutmax≈0.6/R3.
Максимальная мощность, рассеиваема на выходном регулирующем транзисторе
VTU будет равна PT=Ioutmax(Uin-Uout).
При коротком замыкании нагрузки эта мощность может превысить
предельную мощность для регулирующего транзистора. Чтобы снизить
рассеиваемую на транзисторе мощность, в режиме КЗ, одновременно с
уменьшением выходного напряжения нужно снижать уровень ограничения
тока.
Защита от перегрева достикается тем, что уровень ограничения тока
Ioutmax делают зависимым от разности напряжений (UIN - UOUT). В рис.3.5
для этой цели служат резистор R5 и стабилитрон VD2.
Если разность напряжений остается меньшей, чем напряжение
стабилизации стабилитрона VD2, ток через сопротивление R5 не течет. В этом
случае уровень ограниченя тока остается 0.6В/R3. Если разность превысит
напряжения стабилизации стабилитрона, замыкается цепь делителя напряжения
на резистора R5-R4 и к эмиттерному переходу транзистора VT2 прикладывается
дополнительное положительное напряжения. Таким образом VT2 будет
открываться при меньших токах через регулирующий транзистор VT1.
1.3.2 Драйвер
Драйвер
(англ.
driver—
управляющее
устройство)—
электронное
устройство служит для преобразования электрических сигналов, целью
которого является управление. Драйвером называют отдельное устройство или
модуль,
обеспечивающие
преобразование
электрических
управляющих
сигналовв электрические или другие воздействия необходимые для управления
исполнительными и сигнальными элементами.
Драйвер (англ. driver— управляющее устройство)— электронное
устройство, предназначенное для преобразования электрических сигналов,
целью которого является управление чем-либо.
Драйвером обычно
называется отдельное устройство или отдельный модуль, микросхема в
устройстве, обеспечивающие преобразование электрических управляющих
сигналов в электрические или другие воздействия, пригодные для
непосредственного управления исполнительными или сигнальными
элементами.
В моем случаи в качестве драйвера используется буфер с тремя
состояниями на выходе. В отечественном производстве имеющий номер АП3.
МикросхемаАПЗ - представляет собой восемь инвертирующих буферных
элементов с повышенной нагрузочной способностью и возможностью перевода
выходов в высокоимпедансное состояние. Элементы деляться на две группы по
четыре, у кажлой из групп своий вход управления для включения элементов и
перевода их в третье состояние (Е1 и Е2). Включение элементов происходит
при подаче на соответствующий вход логического "0", при подаче логической
"1" происходит переход в высокоимпедансное состояние. Выходной втекающий
ток микросхемы в состоянии логического "0" при напряжении на выходе 0.5В
может достигать 24мА, вытекающий в состоянии логической "1" при
напряжение 2В достигает 15мА.
Микросхемы АП3-АП5 используют для буферизации и коммутации сигналов в
микропроцессорных устройствах, например, сигналов управления при
организации внутренних и внешних шин микро-ЭВМ. Основным назначением
является обеспечение однонаправленной передачи информации. Однако если
необходимо, то с их помощью можно обеспечить и двунаправленную передачу.
На рис.11 в качестве примера показано соединения выводов микросхемы АП4
для получения двунаправленного буферного элемента.
Расположение информационных входов и выходов микросхем АП3-АП5
сделано специально как показано на рис. для удобного их соединения.
Однако для двунаправленной передачи информации надо использовать
специально предназначенные для этой цели микросхемы.
1.3.3. Операционный усилитель
Операционный усилитель (ОУ) служит для выполнения
математических операций в аналоговых вычислительных машинах.ОУ это
усилители постоянного тока с низкими значениями напрядения смещения нуля
и входных токов и с высоким коэффициентом услиения. По размерам и цене
они мало отличются от отдельного транзистора. Преобразования сигнала
схемой на операционном усилителе исключительно определяется свойствами
цепей обратных связей усилителя и отличается выскойо стабильностью и
воспроизводимостью. Благодаря практически идеальным характеристикам ОУ
реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно
проще, чем на отдельных транзисторах. Простота изготовления операционных
усилителей поставила их на первое место по массовости производства и
практически полностью вытеснили отдельные транзисторы в качестве
элементов схем.
На практике ОУ чаще всего бывает охвачен цепью глубокой обратной связи.
Именно в совокупности с цепями обратной связи ОУ выполняет те
разнообразные операции, откуда и происходит его название. Типичная схема
ОУ с отрицательной обратной связью приведена на рисунке, где сопротивление
R1 включает в себя сопротивление источника питания Rг
На практике ОУ чаще всего бывает охвачен цепью глубокой обратной
связи. Именно в совокупности с цепями обратной связи ОУ выполняет те
разнообразные операции, откуда и происходит его название. Типичная схема
ОУ с отрицательной обратной связью приведена на рисунке, где сопротивление
R1 включает в себя сопротивление источника питания Rг
В таком варианте ОУ выполняет функцию стабильного усиления. Если
входное сопротивление ОУ существенно превышает значение сопротивлений
R1 и R2, то входным током операционного усилителя можно пренебречь и
считать I1=I2. Последние равенство можно записать в виде
(Eг – Uin-)/R1=(Uin- – Uout)/R2
Подставляя Uout=-KoUin- и проводя преобразования, получим коэффициент
усиления схемы:
K=Uout/Eг=(R2/R1)/(1+(1+R2/R1)/Ko).
Если коэффициент усиления ОУ достаточно велик, то вторым слагаемым в
знаменателе можно пренебречь, тогда
K= – R2/R1.
Предыдущее выражение является фундаментальным для ОУ. Оно показывает,
что при определённых условиях коэффициент усиления схемы зависит только
от параметров цепи обратной связи и не зависит от параметров самого ОУ. В
частности, коэффициент усиления схемы не зависит от температуры, от
напряжений питания и от изменений коэффициентов β, какими бы причинами
эти изменения не вызывались. Заменяя активные сопротивления R1 и R2
комплексными, можно получить желательные переходные и частотные
характеристики, по-прежнему не зависящие от параметров ОУ.
Реальные ОУ приближаются к идеальным в той или иной мере. В разработку и
производство ОУ в мире ежегодно вкладываются десятки миллионов долларов,
в основном компаниями США, которые лидируют в этой отрасли.
Отечественные изделия довольно точно повторяют технические решения
американских аналогов. Это позволяет использовать информацию и
рекомендации по применению, разработанные для них.
Количество производителей ОУ исчисляется десятками, а количество их типов,
существенно отличающихся друг от друга, насчитывает сотни. Оптимальный
выбор типа ОУ в значительной степени влияет на конечный результат
разработки.
В настоящее время в мире изготавливаются сотни наименований интегральных
ОУ. Все это многообразие можно разделить на группы, объединенные общей
технологией и схемотехникой, точностными, динамическими или
эксплуатационными характеристиками, причем эти группы могут пересекаться,
т.е. включать общие элементы.
С точки зрения внутренней схемотехники операционные усилители
можно разделить на биполярные, биполярно-полевые и КМОП. В биполярнополевых ОУ полевые транзисторы с управляющим p-n переходом или МОПтранзисторы обычно используются в качестве входных в дифференциальном
входном каскаде. За счет этого достигается высокое входное сопротивление и
малые входные токи.
1.3.4 Зарядочувствительный усилитель VA1' Ideas
Эта микросхема представляет собой 128 канальный малошумящий,
маломощный зарядочувствительный усилитель-шейпер. Обладает
возможностью одновременного выбора образца и хранения, имеет
мультиплексное аналоговое считывание и средства калибровки.
Принцип работы
Состоит из 128 параллельных зарядочувствительных усилителей. Выводы
со всех усилителей подключены к 128 каналам мультиплексора. Переключатели
мультиплексора контролируются регистром, который проходит параллельно.
Выход мультиплексора. идет непосредственно из чипа через выходной буфер
(сигнал “OUTP”-”OUTM”). Только один из переключателей мультиплексора
может быть в положении “ON”. То есть только один усилитель (канал) можно
наблюдать на выходе. Сигнал в регистре показан рябью в последовательности
от верхнего к нижнему каналу синхронизации “CKB”. Часы могут быть
остановлены в любой точке, которая оставит связь между текущим каналом и
выходом, который всегда включен.
В нормальном режиме работы 128 каналов подключены к детектору, с
которого поступает сигнал. После физического события каждый канал будет
интегрировать его возможный сигнал на 1 мкс. Как только пик будет достигнут
внешний сигнал “ HOLDB” должен применяться к образцу. Сразу после этого,
последовательное считывания может быть выполнено путем активации
выходного регистра с использованием “SHIFT_IN_B” и “CKB”.
Логическая часть чипа может быть сброшена либо с использованием
“DRESET”, либо просто путем одновременного запуская нормального
считывания.
Глава 2. Конструкторский-технологические особенности.
1. Конструктивные особенности
Ввиду того, что моей целью является расчет электрических схем
узлов. Мое участие в разработке печатной платы поверхностное. В данном
разделе я разобрал технологию создания платы. Печатная плата была
спроектирована в с помощью программы P-CAD, в ней была произведена
разводка элементов, создание сквозных отверстий и участков металлизации.
Плата представляет собой диск, в центре которого находиться кремниевый
детектор. К нему шиной подсоединяются микросхемы считывания VA1-3.
Далее идет разводка от микросхемы к каждому узлу.
Рис.№ Схема разводки платы
Ввиду того, что перед производством платы необходимо было проверить
работоспособность узлов, плата находиться в производстве.
Рис.№ Фотография платы
На рис. изображена печатная плата, как видно плата собрана на половину. Для
сравнения предоставляю изображения платы использовавшейся на установке
СВД-2
Рис.№ Фотография старого варианта
Если сравнить изображения нового варианта и старого видно, что
современный вариант представляет собой единый блок с узлами. Это снизило
занимаю узлами площадь, что позволило внести блок питания непосредственно
на диск. Раньше блок питания представлял собой отдельную схему
размещенную вне материнской платы. Предыдущая схема состояла из
материнской платы, на которой были размещены отдельные блоки в частности
блок выходного каскада и блок преобразователя уровня.
Так как новая плата является единым блоком рассмотрение отдельных узлов
невозможно. Для наглядности я так же выделил эти узлы при разводке.
Рис.№ Схемотехническое размещение элементов блока питания.
На рис.№ изображена разводка узла питания. На ней изображено
соединения регуляторов напряжения с резисторами и емкостями. Корпуса
микросхем регулятора напряжений имеют стандарт TO-220, поэтому
размещаются на плате по технологии сквозного монтажа. Остальные элементы
размещаются по ТПМ технологии.
Рис.№ Схемотехническое размещение узла преобразователя уровня.
На рис.№ изображен узел преобразователя уровня. Имеются контакты для
подключения к внешнему кабелю. Так как данный узел служит для управления
микросхемы считывания, режим задается из вне путем подачи
соответствующего сигнала. Корпуса драйвера 90LV032 изготавливаются по
технологии SOIC и размещаются путем поверхностного монтажа. Буфера
74AC240 и 74AC244 имеют корпуса типа DIP и для их размещения
используется технологии сквозного монтажа.
Рис.№ Схемотехническое размещения узла усилительного выходного каскада.
На рис.№ изображен выходной каскад. Данный каскад имеет
инструментальный усилитель AD8129, повторитель Buf634 и контакты для
подключения кабеля. Корпуса AD8129 и BUF634 выполнены по технологии
SOIC, что позволяет разместить их путем поверхностного монтажа.
При производстве платы, за исключением тех микросхем, корпуса
которых предназначены только для сквозного монтажа, используется
технология поверхностного монтажа (ТПМ) или по по английски surface-mount
device(SMD)
SMD-технология использовалась для размещение емкостей, резисторов и
микросхем типа SOIC. При размещении микросхем типа TO-220 и DIP 20
использовалась сквозная технология.
SMD-техонлогия(технология поверхностного монтажа) — технология
изготовления электронных изделий на печатных платах. Компоненты для
поверхностного монтажа называют чип-компонентами. В настоящее время эта
технология является наиболее распространенным методом конструирования и
сборки электронных узлов на печатных платах.
Технологию поверхностного монтажа печатных плат также называют ТМП
(технология монтажа на поверхность), SMT (surface mount technology) и SMDтехнология (от surface mounted device — прибор, монтируемый на
поверхность). Преимущества и недостатки данной технологии.
К преимуществам можно отнести следующие факторы:
-Отсутсвия выводов у компонентов приводит к снижению массы и размеров
печатных узлов, а так же у повышениию интеграции за счет увеличения
плотности компоновки и трассировки.
-Уменьшения длины выводов и более плотной компоновки приводит к
улучшению электрических характеристик.
-Лучшая ремонтопригодность, так как упрощается очистка контактных
поверхностей от припоя.
- Возможность двустороннего размещения деталей.
-Снижение числа отверстий выполненых на плате
-Упрощение автоматизации.
-Снижение себестоимости серийных изделий
К недостаткам можно отнести следующие факторы:
- Повышенные требования к качеству топологии печатных плат.
- Повышенные требования к температуре пайки и её зависимость от времени,
так как нагреву подвергается весь компонент
- Жесткая связка безвыводных компонентов и материала печатных плат
- Высокие начальные затраты
- Высокие требования к качеству и хранению технологических материалов
2. Повышенные требования к качеству проектирования топологии печатных
плат.
3. Повышенные требования к точности температуры пайки и её зависимости от
времени, так как при групповой пайке нагреву подвергается весь компонент.
4. Жесткая связка безвыводных компонентов и материала печатных плат.
5. Высокие начальные затраты, связанные с создание опытных образцов из-за
необходимости наличия специального оборудования для единичного и
опытного производства.
6. Высокие требования к качеству и условиям хранения технологических
материалов.
Технология сквозного монтажа (Through Hole Technology, THT) является
родоначальником большенства современных технологических процессов
сборки электронных модулей. Эта технология представляет собой метод
монтажа компонентов на печатную плату, при котором выводы компонентов
устанавливаются в отверстия платы и припаиваются к контактным площадкам и
металлизированной внутренней поверхности отверстия.
Глава 3. Специальная часть.
1. Причины создания нового блока.
Предыдущая схема выпускалась в 2005 году. Ввиду этого основной
причиной является, то что элементы устарели и больше не выпускаются. Таким
элементом стал зарядочувствительный усилитель VA1'. Была произведена
замена, на новую микросхему VA1-3. В отличии от VA1', VA1-3 обладает
другими логическими уровнями, другим смещением. В связи с этим надо
создавать новые микросхемы, что бы управлять и получить сигнал. Изменилось
необходимое питания, было 4 вольта теперь 3,5 вольт. Другие логические
уровни и другое смещение. Устранены недоставки предыдущей схемы.
Применен дифференциальный съем сигнала с помощью инструментального
усилителя, в те времена не было необходимых быстродействующих
инструментальных усилителей. Это основные факторы модернизации платы.
Ввиду изменения была повышена степень интеграции введен блок питания.
Удалось сократить площадь и поместить их на плате.
2. Принцип работы схемы.
Данный блок служит для регистрации ионизирующего излучения .
Кремниевый детектор фиксирует когда через него пролетает частица в нем
возникает электрический импульс тока на уровне 10-20 нс, этот ток
преобразуется в напряжение при помощи емкости. Амплитуда этого заряда
зависит от свойств частиц, типа, энергии и тд. На емкости появляется заряд
связанный с напряжением этой емкости. Емкость небольшая ~10 мкФ и
минимальная частица с зарядом в 3.6fC дает ток ~0.18 мкА. В зависимости от
ядра частицы амплитуда будет изменяться по закону Z2 .Таким образом если
будет зафиксирована частица гелия, то амплитуда будет в 4 раза больше
минимальной. Съем сигнала происходит по следующему механизму. Сначала
преобразовываем ток в напряжение. После этого стоит полосовой активный
фильтр (широкополосный), который формирует форму сигнала. Далее идет
схема аналоговой памяти. И так на 128 каналах. С помощью мультиплексора
опрашивается каждый канал и если есть сигнал то на выходном каскаде
получаем сигнал с мультиплексора.
Необходимо так же отметить, то что узлы на плате размещены
симметрично, поэтому каждый узел дублирует себя.
Рассмотрим каждый из узлов по отдельности.
3.1. Узел питания.
Блок питания представляет собой внутренний источник питания, который
обеспечивает необходимое напряжения для питания платы, а так же
дополнительно стабилизирует это напряжение. Для начала необходимо
рассмотреть электрическую схему. На рис.№ изображена принципиальная
электрическая схема данного узла. Она состоит из трех управляемых
регуляторов напряжения LM337, трех управляемых регуляторов LM317 и имеет
по одному неуправляемому стабилизатору LM7805 и LM7905.
Рис.№ Электрическая схема узла питания
Разберем причину выбора каждого из них по отдельности. Начну по
порядку, микросхема LM317 (LM117) представляет собой позитивный
регулятор напряжения, который при входном напряжении от 1В до 25В
способен на выходе дать стабильное напряжение нужного значения. Схема
включения
Регулировка выходного напряжения осуществляется сопротивлением R1 и R2.
Vout= 1,25 V (1+
R2
)+ Iadj (R2)
R1
Мне необходимо получить выходное напряжение в 1,5В. Для этого я
использовал значения сопротивлений R1=240 Ом и R2=100 Ом.
Как показывают результаты моделирования эта задача была достигнута.
На рис.№ изображена характеристика постоянного тока для регулятора
напряжения LM317. Как видно из характеристики значение 1.5В достигается
при подаче внешнего смещения в 3.4В. И в дальнейшем уже не изменяется.
Так же необходимо рассмотреть поведение микросхемы во временном
диапазоне для этого мною был смоделирован переходной процесс.
На рис.№ изображена характеристика переходных процессов. По ней
можно судить о том, что за время действия сигнала у нас устанавливается
необходимое значение в 1,5В. Однако при подаче смещения возникает всплеск
напряжения до значения 5В, этот всплеск надо учитывать при выборе
дальнейших элементов.
Рис.№ Характеристика постоянного тока для LM317.
Рис.№ Характеристика переходных процессов
Далее идет микросхема LM337 в функциональном исполнении эта
микросхема отличается от предыдущей только тем, что работает в негативном
режиме, то есть на выходе будет отрицательное напряжение.
Необходимо было получить напряжение номиналом в -2В. Так как схема
включения такая же, то регулировка напряжение так же осуществляется
сопротивлением R1' и R2'.
Vout= − 1,25 V (1+
R2 '
)
R1 '
Так как теперь мне надо получить напряжение другого значения, то
сопротивление так же другое так у меня значение R1'=200 Ом, а R2'=R2=100
Ом.
Как показывают результаты моделирование этот участок так же работает
исправно.
На рис.№ изображена характеристика постоянного тока для регулятора
напряжения LM337. Как видно из характеристики значение -2В достигается при
подаче внешнего смещения в 2.4В. И в дальнейшем уже не изменяется.
Так же необходимо рассмотреть поведение микросхемы во временном
диапазоне для этого мною был смоделирован переходной процесс.
На рис.№ изображена характеристика переходных процессов. По ней
можно судить о том, что за время действия сигнала у нас устанавливается
необходимое значение в -2В. Существенных отклонений при подаче смещения
нет, поэтому схема работает исправно.
Рис.№ Характеристика постоянного тока для LM317.
Рис.№ Характеристика переходных процессов
Так же в этом блоке используются микросхемы LM7805 и LM7905.
Для начала так же рассмотрим позитивный стабилизатор напряжения
LM7805. В отличии от предыдущих микросхем этот стабилизатор напряжения
не имеет регулирующего элемента. Выходное напряжение данного класса
стабилизаторов показано в номере. В моем случаи мне надо получить
напряжение в 5В поэтому мой выбор пал на микросхему LM7805.
Схема включения.
В моем случаи было добавлено ещё сопротивление в 1кОм для
обеспечения постоянного напряжения.
На рис.№ изображена характеристика переходных процессов
стабилизатора напряжения LM7805. Из нее видно, что необходимое значение в
5В держится во всем временном диапазоне.
Микросхема LM7905 представляет собой аналог LM7805 с единственной
разницей в том, что на выходе получаем отрицательное напряжение.
На рис.№ изображена характеристика переходных процессов
стабилизатора напряжения LM7905. Из нее видно, что необходимое значение в 5В держится во всем временном диапазоне.
Рис.№ Характеристика переходных процессов
Рис.№ Характеристика переходных процессов
Ввиду того, что создание блока базируется на предыдущем варианте,
необходимо сравнить оба варианта и показать изменения в конструкции.
Блок питания в предыдущем варианте был реализован на отдельной
плате, поэтому принципиальная схема состоит из двух листов.
Рис.№а) Электрическая схема предыдущего варианта.
Рис.№ б) Электрическая схема предыдущего варианта.
При создании использовались, те же регуляторы напряжения, поэтому
результаты идентичны предыдущем.
3.2. Преобразователь уровня
Преобразователь уровня служит для управления микросхемы. На входе имеется
NIM сигнал в котором логический 0 имеется значение 0 вольт, логическая 1
имеет значение -0,7. Таким образом подавая 1 мы управляем микросхемой.
Подавая нужный сигнал на входы clock hold reset shift.
Преобразователь уровня меняет значение напряжения на выходе получаем
либо 0 либо 1. Элемент 90LV032 представляет из себя драйвер, который
формирует сигнал от внешнего источника. Подает его на буфер 74AC240
который преобразует полученный сигнал либо в логический 0 либо в
логическую 1.
На рис.№ изображена электрическая схема преобразователя уровня. С каждого
кабеля сигнал поступает на драйвер 90LV032, далее в котором усиливается и
поступает на буфер 74AC244 если на выходе необходимо получить не
инвертированный сигнал или на буфера 74AC240 если необходимо получить
инвертированный сигнал.
Рис.№ Электрическая схема преобразователя уровня.
Выходной сигнал подбирается таким образом, что бы обеспечить
работоспособность микросхемы считывания.
Рис.№ Форма выходного сигнала.
В моем случаи форма сигнала показана на рис.№ Для сравнения привожу
полученный результат. На рис.№ выходная характеристика сигнала. Сверху
показаны логические уровни на каждом выходе. Снизу напряжение
поступающее с драйвера. По форме сигнала можно судить, что он близок к
требуемому. Однако с течением времени происходит разогрев и напряжение
нарастает.
Данный результат можно сравнить с предыдущим блоком.
Создание предыдущего блока было экспериментальным и это отразилось
на блоке преобразователя уровня. Он состоял из 2х частей. На рис.№ а)
изображена первая часть она представляет из себя схему содержащую
высокоскоростной усилитель LM6121, компаратор LM319, ОУ LM324 и
линейный драйвер 74AC241. На вход схемы подается импульс, величина
которого ~0.7В. С помощью усилителя LM6121 сигнал усиливается и приходит
на компаратор LM319, который сравнивает сигналы. Получив сигнал с
компаратора, буфера 74АС241 преобразует его либо в логический «0» либо в
логическую «1».
На рис.№ изображена выходная характеристика с одного из компараторов
и выходной сигнал с буфера 74АС241. Из характеристики видно, что сигнал
исказился.
Вторая часть схемы легла в основу современного варианта, так как в ходе
эксперимента было показано, что существенной разницы нет, а занимая
площадь первого варианта (рис.№ а) значительно больше.
Рис.№ а)Электрическая схема старого преобразователя уровня
Рис.№ Выходной сигнал с компаратора и логический уровень.
На рис.№ б) изображена вторая часть схемы, которая легла в основу
современного узла.
рис.№ б)Электрическая схема старого преобразователя уровня
3.3. Выходной усилительный каскад.
Усилительный каскад необходим для усиления полученного сигнала и
подачи его на АЦП для дальнейшей обработки с помощью ЭВМ и
соответствующих программ. Представляет собой инструментальный усилитель
AD8129 . Данный усилитель имеет интегрированный вход. Верхний работает
как обычный операционный усилитель . Нижний задает смещение не
зависимое от внешний источников . Задачи инструментального усилителя
состоит в том чтобы преобразовать дифференциальный выход в полярный и
произвести масштабирование. Далее идет драйвер с нагрузкой в 50 Ом. Он
необходим для того что бы не было потерь и искажений при переходе к кабелю.
На рис.№ показана электрическая схема усилительного каскада. В состав
этой схемы должна входить микросхема AD8129 фирмы Analog Devices. Однако
SPICE моделей этой микросхемы нету. И мне пришлось заменить её схожий
инструментальный усилитель EL4430 фирмы Intersil Corporation, поэтому
результат может немного отличаться в ходе реального эксперимента. Так же
была произведена замена буфера BUF634 фирмы Bur-Brown опять же в
следствии некорректной SPICE модели. Аналогом этой ИМС стал драйвер
фирмы Linear Technology LT1010.
На инструментальный усилитель подается сигнал с микросхемы
считывания. Этот сигнал представлен в виде короткого импульса небольшой
величины ~10-100мВ. Такой сигнал не возможно преобразовать в цифровой
сигнал, поэтому необходимо его усилить. Коэффициент усиления был подобран
и имеет значение Ku=25. Так как напряжение в 2вольта уже можно
дифференцировать. Таким образом с выхода усилителя идет сигнал значением в
2В. Ввиду того, что этот сигнал должен передаться по кабелю на АЦП
необходимо сделать сопротивление нагрузки такое же как сопротивление
кабеля. Для этого используется драйвер с нагрузкой 50 Ом.
Рис.№ Электрическая схема усилительного каскада.
Рис.№ Временная диаграмма выходного каскада.
На рис.№ изображена временная диаграмма выходного каскада. На
верхней характеристике изображен входной сигнал. Сигнал представлен в виде
импульса напряжением 10-100мВ. Снизу изображен выходной сигнал, который
был усилен до 2.5В.
Схему усилительного каскада предыдущего варианта нет возможности
получить. Мне известно только, что в нее входило два усилителя один из
которых использовался как обычный дифференциальный усилитель, а второй
создавал необходимое смещение для сигнала. На выходе стоял драйвер с
нагрузкой в 50 Ом для того, что бы не искажать сигнал при переходе на кабель.
Глава 4 Охрана труда
1. Опасные и вредные факторы при использовании ЭВМ и их
влияния на пользователя.
1.1. Введение.
Охрана труда - это система законодательных актов, технических,
организационных, гигенических и лечебно-профилактических мероприятий и
средств, обеспечивающих безопасность здоровья и сохранения
работоспособности человека в процессе труда.
Любой производственый процесс связан с появление опасных и вредных
факторов.
Опасный фактор - это производственный фактор, воздействия которого
может привести к травме или другому резкому внезапному ухудшению
здоровья.
Вредный фактор - это производственный фактор, приводящий к
снижению работоспособности или летальному исходу.
Конфигурация компьютеризированного рабочего места для работы над
дипломом:
- ПК на основе процессора с набором устройств ввода-вывода и хранения
информации
- Лазерный принтер HP Laserjet 1005
- LCD монитор Acer V193HQ 18.5'
- рарешение по горизонтали - 1366 пикселей, по вертикали - 768 пикселей
- яркость и контрастность легко регулируемые
Питание ЭМВ производиться от сети 220В. Безопасным для человека
напряжение является напряжение 40В, таким образом при работе на ЭВМ
опасным фактором является поражение током.
Во время работы компьютера дисплей создает ультрафиолетовое
излучения, при плотности которого > 10 Вт/м2, оно становиться вредныи
фактором. Воздействия излучения особенно сказывается при длительной работе
с компьютером.
1.2. Выводы
При эксплуатации перечисленных элементов вычислительной техники
возникают следующие опасные и вредные факторы:
1. Поражение электрическим током.
2. Ультрафиолетовое излучение.
1.3. Анализ влияния опасных и вредных факторов
Влияние тока
Электрический ток проходя через тело человека, оказывает следующие
воздействия.
1. Термическое - нагрев биологической среды и тканей.
2. Электролитическое - разложение плазмы
3. Биологическое - спобность тока возбуждать и раздражать живые ткани
организма.
4. Механическое - пасность механического травмирования в результате
судорожного сокращения мышц.
Тяжесть поражения зависит от: величины тока, времени воздействия, пути
протекания, рода и частоты тока, состояния человека, пола и возраста человека.
Ток, воздействуя на человека, приводит к травмам:
- общие травмы
- судорожное сокращение мышц
- потеря сознания с нарушением работы органов дыхания и кравообращения
- состояния клинической смерти
- местные травмы
- электрические ожоги
- электрический знак
Опасным переменным током является ток 20-100Гц. Так как компьютер
питается от сети переменнного тока частотой 50Гц, следовательно этот ток
является опасным для человека.
Влияние ультрафиолетового излучения
Ультрафиолетовым излучением называется электромагнитное излучение в
области коротких волн и лежит в диапазоне длин волн ~200-400нм.
Различают следующие спектральные области:
1. 200-280 нм- бактерицидная область спектра.
2. 280-315 нм- зрительная область спектра
3. 315-400 нм- оздоровительноая область спектра.
При больших дозах и длительном воздействии возникают следующие
последствия:
1. Серьезные повреждения глаз
2. Меломанный рак кожи
3. Кожно-биологический эффект
4. Фототоксичные реакции.
2.Способы защиты от воздействия на них опасных и вредных факторов
2.1. Способы защиты от поражения электрическим током
Зануление— преднамеренное соединение нетоковедущих частей с нулевым
защитным проводником
Защитное зануление применяется в трехфазных сетях с глухо заземленной
нейтралью, в установках до 1000В и является основным средством обеспечения
электробезопасности.
Принцип защиты пользователей при занулении заключается в отключении сети
за счет тока короткого замыкания, который вызывает отключение ПЭВМ от
сети.
Для отключения ПЭВМ от сети в случае короткого замыкания или других
неисправностей в цепь питания ПЭВМ необходимо ставить автомат с Jном =8А.
2.2.Способы защиты от ультрафиолетового излучения
Биологический эффект воздействия определяется внесистемной единицей эр: 1
эр— это поток (280-315 нм), который соответствует потоку мощностью 1 Вт.
Воздействие ультрафиолетового излучения сказывается при длительной работе
за компьютером.
Максимальная доза облучения:
7.5 мэр*ч/ м2 за рабочую смену;
60 мэр*ч/м2 в сутки.
Чтобы защититься от ультрафиолетового излучения применяют:
защитный фильтр или специальные очки (толщина стекол 2 мм, насыщенных
свинцом);
побелка стен и потолка (ослабляет на 45-50%).
2.3. Общие рекомендации при работе с вычислительной техникой
Для защиты от вредных факторов имеющих место при эксплуатации ЭВМ
необходимо придерживаться следующих рекомендаций:
правильно организовывать рабочие места;
правильно организовать рабочее время оператора, соблюдая ограничения при
работе с вычислительной техникой.
Выводы по дипломному проекту.
В рамках данной дипломной работе было выполнено:
 Проведен поиск SPICE-моделей используемых в электрической схеме.
 Создана принципиальная электрическая схема узла блока питания,
преобразователя уровня и усилительного каскада
 Проведено моделирования узла блока питания с целью прогноза
результата.
 Проведено моделирование узла преобразователя уровня с целью
прогноза результата.
 Проведено моделирования узла усилительного каскада с целью
прогноза результата.
 Проведен анализ полученных результатов
В ходе данной дипломной работы были промоделированы следующие
схемы: блок питания, преобразователь уровня, выходной усилительный каскад.
Блок питания представляет собой внутренний источник питания, который
обеспечивает необходимое напряжения для питания платы, а так же
дополнительно стабилизирует это напряжение. Результат моделирования
представлен в виде графика. На графике видно, что напряжение стабильное,
однако имеется всплеск, который надо учитывать.
Усилительный каскад необходим для усиления полученного сигнала и
подачи его на АЦП для дальнейшей обработки с помощью ЭВМ и
соответствующих программ. Анализ полученной характеристики позволяет
заключить, то что узел работает исправно усиливает входной сигнал в 20-25 раз.
Передает сигнал на кабель без искажений.
Преобразователь уровня служит для управления микросхемы. На входе
имеется NIM сигнал в котором логический «0» имеется значение 0 вольт,
логическая «1» имеет значение -0,7. Таким образом подавая «1» мы управляем
микросхемой.