Акустичний мікшерний пульт

Вступ

Використання електрообладнання в музичній сфері стало невід'ємним елементом в роботі з музикою, починаючи від створення музики, закінчуючи її прослуховуванням. Існує багато різноманітних видів обладнання для роботи з акустикою, і немаловажними серед всіх є пристрої змішування акустичних сигналів. Необхідність накладати декілька електричних акустичних сигналів один на одного породила створення цього класу приладів — мікшерів. Мікшери стали найважливішими елементами в процесах створення та запису музики, та інших акустичних програм.

Сфера застосування мікшеру дуже широка, мікшери використовуються на радіостанціях, телебаченні, студіях звукозапису, на концертах та в багато інших місцях.

Існують різноманітні види мікшерів, відрізняючихся конструкцією, за призначенням, та ін., але в переважній більшості пристрої змішування акустичних сигналів — це мікшерні пульти. Пультами вони називаються тому, що використовуються для керування декількома вхідними акустичними сигналами та змішування їх в один канал.

Мікшерні пульти поділяються на наступні основні типи:

— Студійні мікшерні пульти — багатоканальні (десятки вхідних каналів), використовуються в студіях звукозапису, там де необхідно скласти велику кількість акустичних сигналів. Вони робляться тільки стаціонарними, мають великі габаритні розміри та масу. Мають дуже велику вартість.

— Концертні мікшерні пульти — вони використовуються при проведення концертів для зведення акустичних сигналів музичних інструментів та подавання змішеного сигналу на акустичні портали.

— Радіотелевізійні - використовуються в телерадіокомпаніях для підготовки телерадіол програм.

— DJ мікшерні пульти — використовуються в клубах для змішування декількох відтворювачів звуку та мікрофону для створення музичних програм.

Dj мікшерні пульти на відмину від всіх інших пультів завдяки своєї спеціалізації мають на багато більшу аудиторію користувачів. Вони мають невеликі габаритні розміри, масу, вартість. Використовуються паралельно з аудіо програвачами та підсилювачами звуку утворюючи акустичну систему.

Сфера виробництва Dj мікшерних пультів користується щільною увагою виробників акустичного обладнання, як дуже прибуткова і перспективна галузь виробництва.

1. Склад та аналіз технічного завдання

1.1 Аналіз вимог до конструкції пристрою

Мікшерний пульт представляє собою пристрій для комутації декількох пристроїв відтворювання звуку, мікрофонів з акустичними колонками або акустичним порталом, з можливістю корегування параметрів вхідного та вихідного сигналу.

Для виконання своєї первинної функції він повинен мати змішуючий блок. У блока повинні бути такі виводи:

· входи кожного каналу аудіо сигналів відтворювачів і мікрофону.

· виходи головного каналу, монітору, навушників.

З виходів головного каналу буде зніматись сигнал для подачі на наступний підсилювач, для подачі на акустичні колонки. Для підключення апаратури на виході каналу повинен бути стандартний штекер типу RCA з розділенням на лівий та правий канали. У разі необхідності сумісність з професійним обладнанням можна зробити виходи типу XLR на кожний канал.

До пульта можуть приєднуватись різноманітні пристрої відтворення звуку, з різними параметрами сигналу. Для узгодження вихідного рівня приєднаних пристроїв з режимом роботи мікшера на вході пристрою повинен бути регулятор чутливості.

Для корегування частотних параметрів вхідного сигналу, на кожному каналі повинен бути еквалайзер, не менше ніж трьох смуговий. Для корегування нижнього діапазону частот, середнього та верхнього.

В тракті кожного стерео каналу повинен бути регулятор гучності. Він повинен знаходитись перед блоком змішування сигналів, після еквалайзеру.

Повинна бути можливість прослуховування кожного каналу в навушниках, з можливістю вибору каналів для прослуховування, як кожного окремо, так і вибірково по декілька.

Акустичні канали з програвачів підєднуються в блок змішування через кроссфейдер. В блоці змішування сигнали відтворювачів і сигнал мікрофону змішуються в один стерео канал.

На виході блоку змішування повинен бути вихідний підсилювач, з регулюванням гучності головного вихідного каналу (мастер каналу). Для попередження перевантаження мастер каналу повинен бути графічній індикатор на кожний моно-канал.

Повинна бути передбачена можливість виводу мастер каналу на навушники з та без виводу цього ж сигналу на мастер вихід пристрою.

Для більш якісного мікшування звукових потоків, можливе використання лічильнику ритму: лічильник кількості ударів на хвилину з цифровим індикатором на якому відображується останнє значення ритму. В ньому повинна бути можливість вибору каналу, ритм якого необхідно бачити.

1.2 Розробка технічного завдання

Виходячи з вимог конструкції конкретизуємо завдання пристрою:

· На входи підключення звуковідтворювачів встановлюється попередній підсилювач для узгодження пристрою з джерелами сигналу. Параметри такі:

o Робочій діапазон: 20−20 000 Гц

o Відношення сигнал шум, не менше — 80 дБ

o Номінальна вхідна напруга — 0,25 В

o Коефіцієнт гармонік в номінальному частотному діапазоні, %, не більше 0,05

· Мінімум трьох смуговий еквалайзер для корекції вхідних сигналів. Регулювання в діапазоні ± 11дБ, для кожного каналу, та окремо для сигналу мікрофону.

· Входи:

o 2 основних стерео канали

o 1 мікрофонний моно-канал

· Виходи:

o основний вихідний стерео канал (головний мікс)

o вихід для монітору

o вихід для навушників

· Динамічний діапазон 130 дБ

· Світлодіодні індикатори рівня сигналу на входах кожного каналу, окрім мікрофонного, та на головному вихідному каналі.

· Діапазон робочих частот — 20−20 000Гц

· Відношення сигнал шум, не менше 80 Дб

· Коефіцієнт гармонік в номінальному частотному діапазоні, %, не більше 0,25

· Перевантажувальна здатність на входах, дБ 15−20

· Блок живлення під напругу мережі живлення 220 В, 50Гц

· Надійний та міцний корпус, здатний захистити прилад від механічних пошкоджень, та електромагнітних впливів.

1.3 Склад ТЗ

1) Найменування, та область застосування виробу

Акустичний мікшерний пульт, застосовується для змішування декількох акустичних сигналів з можливістю підстроювання рівня сигналу та АЧХ кожного каналу.

Мікшерний пульт використовується при виступі музикантів на концертах, для змішування сигналу з декількох інструментів або програвачів.

2) Підстава для розробки

Підставою для розробки є завдання на курсовий проект видане кафедрою КіВРА.

3) Мета та призначення розробки

Метою роботи є розробка конструкції мікшеру, який характеризується порівняно низькою собівартістю, зручністю експлуатації та при цьому необхідною якістю обробки: зробити пристрій з оптимальним відношенням параметрів ціна якість.

4) Технічні вимоги

a) Склад виробу і вимоги до конструкції

Виріб являє собою мікшерний пульт, який складається з восьми блоків:

· Блоків обробки сигналу кожного каналу (4шт). По одному блоку на кожний моно-канал.

· Блоку обробки сигналу мікрофона

· Блок змішування каналів

· Блок обробки вихідного сигналу

· Блок живлення 220 В 50Гц

· Всі блоки, за винятком блока живлення знаходяться на одній платі. При необхідності, або для оптимізації конструкції пристрій можливо розбити на блоки. Пристрій повинен бути розташований в одному корпусі з габаритними розмірами, мм, не більше:

· Довжина 500±2мм

· Ширина 200±3мм

· Висота 10±3мм Маса не повинна перевищувати 1.0±0.1 кг.

b) Технічні характеристики

c) Вимоги до надійності

Пристрій повинен бути відновлюваний і ремонтопридатний за ГОСТ 27.002−89.

d) Вимоги до технологічності

Вимоги до технологічності за ГОСТ 14.201−83. Рівень технологічності повинен бути зорієнтований на передові технології. Виготовлення деталей і складання повинні забезпечити зниження працеємності. Всі комплектуючі вироби повинні проходити вхідний контроль на відповідність вимогам ТУ.

e) Вимоги до стандартизації та уніфікації

В конструкції повинні бути максимально використані стандартні та уніфіковані деталі та вузли.

Коефіцієнт уніфікації повинен бути, не менше 0.6

Коефіцієнт стандартизації, не менше 0.4

f) Вимоги до складальних частин конструкції, сировини та експлуатаційних матеріалів

В конструкції повинні бути використані деталі та матеріали, що випускаються серійно промисловістю і дозволені до застосування в РЕА загального призначення.

g) Умови експлуатації і вимоги до технічного обслуговування і ремонту

Кліматичне виконання виробу УХЛ 4.2 — за ГОСТ 15 150–69

Норми механічного впливу за ГОСТ 25 467–82

h) Вимоги до електромагнітної сумісності до індустріальних радіозавад

Пристрій повинен відповідати вимогам до електромагнітної сумісності до індустріальних радіозавад за ГОСТ 22 505–83.

5) Естетичні і ергономічні вимоги

Естетичні вимоги за ГОСТ 23 852–79

Ергономічні вимоги за ГОСТ 16 035–81

6) Патентно-правові вимоги

Патентно-правові вимоги не вимагаються

7) Вимоги до маркування та упаковки

Перетворювач повинен бути упакований в індивідуальну тару. Маркування на тарі і на перетворювачі проводити згідно ГОСТ 24 388–88.

8) Вимоги до транспортування і зберігання

Транспортувати в упакованому вигляді згідно ГОСТ 23 088–80 з параметрами:

9) Вимоги до безпеки обслуговування

Пристрій повинен задовольняти умовам безпеки згідно ГОСТ 12.2.006−87. Потрібно забезпечити відсутність гострих кромок конструкції, наявність відкритих ділянок пристрою які знаходяться під струмом.

10) Економічні показники

Забезпечити мінімальну вартість продукції

Обсяг випуску 75 шт. за рік. Крім цих вимог необхідно забезпечити конкурентноздатність.

11) Стадії та етапи розробки

1. Технічне завдання.

2. Технічна пропозиція.

3. Ескізний проект.

4. Технічний проект.

5. Захист проекту.

2. Аналіз електричної схеми мікшера

2.1 Опис функціональної і структурної схеми мікшера

Функціональна схема пристрою.

На рис. 2.1 зображена функціональна схема пристрою.

Входи 1 і 2 — це стерео входи для підключення звуковідтворюючої апаратури. Вхід 3 призначений для підключення мікрофону, він моно-канал.

Блок обробки вхідного сигналу представляє собою каскади попереднього підсилювача з регуляторами деяких його параметрів (чутливість, коефіцієнт підсилення, та ін.). На кожний моно-канал окремий підсилювач (5 шт).

На виході блоку обробки вхідного сигналу, на кожному з стерео-каналів, рівень сигналу контролюється за допомогою графічних світлодіодних індикаторів.

В блоці частотного корегування сигнал проходить частотну обробку, для підвищення, або зменшення вибраних частотних складових сигналу, з подальшим підсиленням вихідного сигналу.

Сигнали з блоку частотного корегування подаються в блок змішування, який змішує сигнали на двох шинах: головного каналу та каналу навушників. В шину змішування каналу навушників сигнали з попереднього блоку можуть подаватись вибірково в різноманітних комбінаціях.

Блок вихідної обробки представляє собою вихідні підсилювачі з регуляторами їх параметрів. Він складається з двох каналів: головного вихідного каналу, та каналу навушників. На канал навушників може подаватися сигнал з шини змішування каналу навушників або з шини змішування головного каналу.

На виході блоку вихідної обробки рівень сигналу головного каналу контролюється графічним індикатором. Вихід цього каналу розділяється на вихід головний, та вихід монітору.

Рис. 2.1

Структурна схема пристрою.

Структурна схема пристрою зображена на рис. 2.2.

Пристрій складається з сукупності пяти трактів обробки звукового сигналу, 1 — 4 на 2 стерео входи та 5 канал мікрофону. Кожний тракт складається з попереднього підсилювача, еквалайзера та вихідного підсилювача тракту.

Виходи 6, 7 — це вигоди головного каналу, з них сигнал подається на акустичні системи, монітори та на звуко-записуючі прилади. Виходи 8 та 9 — це вихід на навушники.

Попередній підсилювач підсилює вхідний сигнал, який подається з звуковідтворюючих пристроїв до необхідного рівня. Рівень сигналу вибирається регулюючим резистором. Для зручності настройки, на виході цього каскаду встановлюється світло-діодний індикатор рівня сигналу (СДІ), за його допомогою легко бачити рівень сигналу в каналі.

Після попереднього підсилювача сигнал проходить еквалайзер (Е). Де регуляторами можливо вибирати підсилення або придушення частотних складових сигналу.

Вихідний сигнал еквалайзера подається на шину змішування проходячи регулятори гучності каналу та кроссфейдер.

Кроссфейдер — це стерео потенціометр з перехресним включенням. Таким чином при русі ручки кросфейдера в один з боків, опір одного стереоканалу буде зменшуватись, а другого одночасно збільшуватись.

Після кроссфейду сигнали потрапляють в блок змішування, де сигнали окремо змішуються для каналу навушників, та головного вихідного каналу. На виході цього блоку буде два стереоканали. Один головний, другий для навушників.

Вихідні сигнали підсилюються до необхідного рівня, який контролюється світло-діодними індикаторами і подається на виходи.

Рис. 2.2

Канал мікрофону не проходить кроссфейдер, він розділяється на два однакових канали і подається в блок змішування на шину головного сигналу, для складання з лівим і правим каналами головного вихідного сигналу.

Головний вихідний сигнал паралельно може також подаватись на навушники.

2.2 Опис електричної принципіальної схеми пристрою

Електрична схема пристрою складається за наступних блоків:

· Попередній підсилювач акустичного сигналу звуковідтворювачів.

· Попередній мікрофонний підсилювач.

· П’яти смуговий еквалайзер.

· Підсилювач, регулятор гучності акустичного сигналу звуковідтворювачів.

· Підсилювач, регулятор гучності мікрофонного сигналу.

· Змішувач, вихідний підсилювач.

· Індикатор рівня сигналу (світлодіодний).

Розглянемо кожний з них окремо.

Попередній підсилювач акустичного сигналу звуковідтворювачів.

На рис 2.3 зображено електричну принципову схему попереднього підсилювача сигналу.

Рис. 2.3 — Попередній підсилювач сигналу

Схема базується на використанні операційного підсилювача в якості активного елемента. Операційний підсилювач використовується серії ВА4558. Серія цих операційних підсилювачів має велику розповсюдженість завдяки своїм характеристикам. Для використання в розробляєму пристої цей операційний підсилювач був використаний завдяки низькому рівні власного шуму.

Операційний підсилювач включений по схемі неінвертуючого підсилювача з негативним зворотнім зв’язком. Зворотній зв’язок в операційних підсилювачах характеризує параметри підсилення та частотні характеристики схем в яких використовуються. В даній схемі елементи зворотного зв’язку підібрані таким чином, щоб проводилася частотна корекція вхідного сигналу акустичних відтворювачів.

Схема має наступні технічні характеристики:

Попередній мікрофонний підсилювач.

На рис 2.4. зображено мікрофонний підсилювач.

Рис 2.4 — Попередній мікрофонний підсилювач

Він має наступні технічні характеристики:

Мікрофонні підсилювачі використовуються для підсилення сигналів, маючих низьке значення напруги (0,2−2 мВ), до рівня 0,1−0,3 В.

Значення ЕРС на виході мікрофону дуже низьке, тому необхідно забезпечити в мікрофонному підсилювачі мінімальний рівень шумів, приведений до входу.

Ще одна вимога до мікрофонного підсилювача — це необхідність мати запас по перевантаженню не менше 26 дБ, що зменшує вірогідність появи значних нелінійних спотворень підсилює мого сигналу.

Для забезпечення описаних потреб був використаний операційний підсилювач, тому що операційні підсилювачі мають значні показники надійності, дуже низькі значення рівня шумів, прості в експлуатації.

Операційний підсилювач серії ВА4558 (Uвх.шума = 1 мкВ) включений по схемі неінвертуючого підсилювача з негативним зворотнім зв’язком, підібраним таким чином, щоб проходила відповідна корекція частотних характеристик мікрофонного сигналу: зменшення високих частот для рівномірної частотної характеристики підсилювача.

П’яти смуговий еквалайзер

Еквалайзер виготовлений на базі мікросхеми СХА135AS фірми SONY. Схема підключення мікросхеми зображена на рис. 2.5, вона рекомендована фірмою SONY для мікросхем СХА135AS. Регулятор балансу та гучності за ненадобністю достатньо зробити на підстроючому резисторі або на постійному резисторі, зафіксував максимальне значення гучності, та оптимальне значення балансу.

Схема має наступні технічні характеристики:

Напруга живлення мікросхеми еквалайзеру 4 — 10 В, наприклад стандарт — 9 В, напруга живлення всіх інших мікросхем в приладі - ±15 В. Недоцільно робити додатковий блок живлення на 9 В, тому живлення буде подаватись на мікросхему через резистор ний дільник, який буде зменшувати напругу живлення мікросхеми СХА135AS до необхідного рівня.

Рис. 2.5 — Еквалайзер п’яти смуговий

Змішувач акустичного сигналу.

На рис. 2.6. зображено акустичний змішувач двох стерео-сигналів.

Сам змішувач складається з резисторів R99 — R121, де R 107 та R108 регулятори гучності першого та другого каналів відповідно, а R117 — кроссфейдер.

Принцип роботи змішувача такий: на резисторах сигнал падає до низького рівня і після резисторів накладається один на одного, після цього отриманий змішаний сигнал низького рівня подається на підсилювач звукової частоти, де підсилюється до необхідного робочого рівня. Завдяки низьким рвням сигналів при змішуванні взаємний вплив сигналів різних каналів дуже низький, тому змішувач має добру розв’язку по каналам.

Вихідний підсилювач змішувача зроблений на базі операційного підсилювача включеного по схемі інвертуючого підсилювача, у такого підсилювача. Для змінювання коефіцієнту передачі підсилювача в зворотній зв’язок можливо вмикати змінний резистор.

Рис. 2.6 — Змішувач акустичного сигналу

Індикатор рівня сигналу (світлодіодний).

На рис 2.7 зображена схема світлодіодного індикатора рівня сигналу на 10 світлодіодах. Індикатор зроблений на мікросхемі LM3915, її напруга живлення 3 — 20 В. Максимальне значення вхідної напруги — 1,3 В, що відповідає акустичному сигналу. Світлодіоди з 1го по 6-ий повинні бути зеленими або синіми, 7,8 — жовтими, 9,10 — червоними.

На вхід подається сигнал паралельно з головним шляхом сигналу з виходів вихідних підсилюючіх каскадів.

Робочій рівень вхідного сигналу мікросхеми вибирається резисторним дільником напруги R161 R163.

Рис. 2.7 — Світлодіодний індикатор рівня сигналу

2.3 Вимоги до електричних параметрів функціональних вузлів

Мікшерний пульт складається з декількох функціональних вузлів, всі вони повинні бути за можливістю малошумлячими, та мати малий коефіцієнт нелінійних спотворень для збільшення відношення сигнал шум. Не повинно бути в пристрої сильно випромінюючіх елементів, щоб зменшити вплив випромінювання на якість сигналу, та зменшити рівень шумів пристрою.

Для уніфікації та зручності всі блоки повинні мати однакову напругу живлення, щоб не робити для кожного блоку окремі блоки живлення.

Такі вузли, як вхідні підсилювачі, повинні бути витривалі до перавантажень порядку 20 дБ.

Вузел змішування сигналів повинен бути мало залежний від параметрів вхідного опору, щоб різкі зміни параметрів сигналу одного каналу не відображались на сигналах інших каналів. Це дасть добру розвязку між каналами.

В пристрої, для регулювання загального рівня сигналів каналу, та в кросфейдері, будуть використовуватись повзункові резистори (потенціометри). Це необхідно для зручного та наглядного керування гучності та співвідношення потужності каналів. Вони повинні бути якісні, щоб не виникало шумів та різких звуків при регулюванні.

3. Розробка та обґрунтування конструкції пристрою

3.1 Обґрунтування вибору конструкції

Проектуємий пристрій представляє собою, перше за все, пульт керування. Оператор, завдяки такому пульту, буде здійснювати різноманітні маніпуляції з звуковими сигналами. Тому особливу увагу, при розробці конструкції пристрою, треба приділяти питанням ергономіки, щоб у пристрою був інтуїтивно зрозумілий інтерфейс, всі органи керування були легко доступні та не заважали один одному.

Так як проектуємий пристрій — пульт, панель органів керування буде зверху пристрою, як зображено на рис. 3.1.

Рис. 3.1 — Загальний вигляд корпуса мікшерного пульта

Вхідна, вихідна та ін. комутація буде знаходитись на задній панелі, це сигнальні вхідні та вихідні роз`єми, роз`єми живлення. Виняток — вихідний роз`єм для навушників, він повинен знаходитись або на панелі органів керування, але так, щоб не заважати легкому доступу о всіх органів керування, або на передній панелі.

Такий варіант конструкції продиктований тим, що пристрій не використовується сам по собі, а використовується разом з іншою апаратурою утворюючи цілу систему. Тому загальна конструкція не повинна кардинально відрізнятись від інших пристроїв для зручного збирання системи. Ця система не є стаціонарною, вона збирається перед використання, та розбирається після закінчення роботи. Загальний вигляд системи в якій буде використовуватись проектує мий пристрій зображена на рис. 3.2.

Рис. 3.2 — Загальний вигляд системи в якій використовується пульт

Всі компоненти системи розміщуються на столі, підєднуються один до одного сигнальними кабелями, підводяться кабелі живлення та вихідні сигнальні кабелі, тому зручно коли вони всі знаходяться позаду приладів. Їх легко збирати та розбирати, та вони не будуть заважати при роботі.

Мікшер не повинен сильно перевищувати висоту сусідніх приладів, та не бути набагато тоншим за них. Оптимальний варіант, це коли всі пристрої будуть однакової висоти. Так як на висоту таких пристроїв нема стандартів, і на стадії проектування невідомо з яким саме обладнанням буде використовуватись наш пристрій, то орієнтуватись треба на середнє значення висоти випускаємого обладнання, це 7−10 см.

Для зменшення впливу зовнішніх факторів на мікшер, для уникнення наводок, для зменшення вірогідності факторів викликаючи збільшення рівня шуму та погіршення якості сигналу, а також для збільшення міцності приладу та надійності корпус матеріалу буде металевий.

3.2 Компоновка передньої панелі пристрою. Урахування вимог ергономіки

Як було сказано, питанням ергономіки в проектуванні пристрою виділяється багато уваги, тому що для конструкції пульта це питання є одне з най головних. Від варіанту розташування компонентів керування буде сильно залежати компонування пристрою на блоки, та розміщення цих блоків в корпусі.

Загальна схема розташування органів керування має доволі стандартизований вигляд в усіх аналогічних пристроїв, вона зображена на рис. 3.3.

Рис. 3.3 — Зони для розташування органів керування

Площа панелі для органів керування розбивається на зони розділені на групи по призначенню:

1. Керування, підстройка вхідного сигналу, вибір режиму роботи входу: лінійний вхід, підсилення вхідного сигналу на попередньому підсилювачі, рівня вхідного сигналу.

2. Регулювання тембру сигналу (еквалайзер).

3. Міксування каналів: вибір гучності кожного каналу, вибір каналів для виведення на навушники, вибір процентного вмісту каналів в вихідному сигналі.

4. Регулювання сигналу виводимого на навушники.

5. Регулювання параметрів головного вихідного сигналу: гучність, баланс, гучність та баланс монітору.

З урахуванням розмірів використаних радіо-компонентів, та вимог ергономіки скомпонована панель керування буде мати вигляд рис. 3.4.

Рис. 3.4 — Вигляд панелі керування мікшерного пульта

1. Керування вхідними сигналами, індикація вхідних сигналів.

2. Еквалайзер

3. Керування змішуванням сигналів

4. Настройка вихідного сигналу, індикація його рівня.

Згідно схеми розташування органів керування можна розбити проектуємий пристрій на конструктивно-функціональні вузли.

3.3 Компоновка конструктивно-функціональних вузлів

В вибраному варіанті корпусу з горизонтальним розміщенням плат можливо зробити все на одній платі, або розбити на блоки, функціональні вузли.

Робити весь прилад на одній друкованій платі досить не ефективно, та не вигідно. Це призведе до її громіздкості, складності трасування, зменшення надійності, збільшенні витрат на виготовлення, а це в свою чергу зробить більшу ціну пристрою, зменшить його надійність та ускладнить можливий ремонт.

Щоб запобігти цім проблемам розіб'ємо плату на блоки.

Розбиття та спосіб розміщення в корпусі функціональних вузлів прямо залежить від передньої панелі пристрою, тому що передня панель має велику вагу в розробці приладу. В залежності від панелі пристрій розділено на функціональні вузли наступним чином:

1. блок вхідних каскадів

2. блок корекції тембру

3. блок змішування

4. блок вихідних каскадів

5. блок живлення Схема розміщення вузлів в корпусі показана на рис. 3.5.

Рис. 3.5 — Схема розміщення функціональних вузлів в корпусі пристрою

Таким чином пристрій буде складатись з п’яти друкованих вузлів з'єднаних шлейфами та дротами. Далі блоки будуть нумеруватись А1, А2… А5 відповідно.

3.4 Розробка топології і конструкторсько-технологічні розрахунки плати

Розглянемо розрахунок елементів провідникового малюнку з врахуванням технології виготовлення друкованої плати.

Сторони прямокутної друкованої плати розташовані паралельно лініям координатної сітки. Оскільки в пристрої використовуються елементи з відстанями між виводами 2,54 мм, 1,76 мм та 1,0 мм, то будемо використовувати координатну сітку з кроком дорівнюючим найменшому кратному дільнику цих трьох чисел, таким чином крок координатної сітки буде дорівнювати 0,04 мм. Провідниковий малюнок і отвори наноситься точно по координатній сітці. Базу координат зазвичай вибирають в лівому нижньому куту. Елементи провідникового малюнка розташовують від краю плати, або не металізованого отвору (діаметром більше 1.5 мм), на відстані не менше товщини плати.

Визначення розмірів друкованої плати.

Плати А2, А3, А4, А5, виходячи з компонування передньої панелі, мають габаритні розміри набагато більше необхідного мінімума для розташування на ній всіх елементів, та розведення плати, тому проблем розведенням цих плат не виникає. Під плату А1 виділено не багато місця, тому для неї доцільно зробити розрахунки мінімально необхідного розміру плати.

Розрахунок площі елементів

Під площею елемента розуміється площа самого елемента плюс площа необхідна для трасування.

Площа і-того елемента розраховується за формулою:

де a та b — габаритні розміри елемента; m — коефіцієнт, що залежить від складності плати (0.85…0.9), беремо 0.9; n = 0.2; K — кількість виводів елемента;K_з — кількість задіяних виводів елемента.

А1:

Розрахунок площі плати

де — площа і-того елемента; K_щ — коефіцієнт щільності розташування, що залежить від складності плати (0.8…1), беремо 0.9.

Вибираємо плату розміром 128×58мм.

Ці розміри — це мінімально необхідні розміри плати для того, щоб розмістити на ній елементи, та провести трасування.

Розрахунок розмірів контактних площадок та ширини провідників.

Визначення ширини провідників

Розрахуємо номінальне значення ширини провідника t:

t — номінальне значення ширини провідника:

— нижнє граничне відхилення провідника (для друкованих плат другого класу точності = 1 мм. [1, ст. 302, таб.12.6].

Де — максимальний струм, протікаючий по провіднику (для нашого пристрою не більше 100мА); j_мax — максимально допустима густина струму (для нашого пристрою j_мax =25A/мм2; hф — товщина фольги (hф = 0.035 мм).

Номінальне значення ширини провідника:

t = 0,114 + 0,1 = 0,214 мм Для плати другого класу точності номінальне значення провідника дорівнює 0.25 мм.

Ширина провідника визначається з урахуванням густини струму яка проходить через провідник (20А/мм².) і струму, що проходить через провідник.

Також ширина провідника обмежується знизу методом виготовлення плати.

Визначимо ширину провідника за наступною формулою:

де, I — величина струму, I=0,15А.

Визначення ширини зазорів між провідниками

Величину зазорів вибираємо з точки зору технології 0.3мм (хімічний метод), оскільки великих напруг на платі між провідниками нема.

Визначення типу і розмірів контактних площадок

Номінальне значення діаметру монтажного отвору, для всіх елементів (крім SMD) розраховують за формулою:

— максимальне значення діаметру виводу;

— різниця між мінімальним значенням діаметру виводу;

— нижнє граничне відхилення номінального значення діаметру Розрахуємо номінальне значення діаметру монтажного отвору для елементів пристрою:

= 0,6 мм; = 0,1 мм; = 0,2 мм

= 0,6 + 0,1 + 0,2 = 0,9 мм Мінімальне значення діаметру контактної площадки знаходиться за формулою:

— діаметр монтажного отвору; d = 0.9 мм;

— допуск на отвори, = 0.1 мм;

— гарантійний поясок на зовнішньому слої, = 0.1 мм;

— верхня границя відхилення ширини провідника з покриттям

= 0.08 мм;

— нижня границя відхилення ширини провідника з покриттям

=0.08 мм;

— допуск на розташування отворів, = 0.15 мм;

— допуск на розташування контактних площадок, = 0.25 мм.

D = 0.9 + 0.1 + 2 • 0.1 + 0.08 + (0.152 + 0.252 + 0.082)¹² = 0.6 мм Вибираємо рекомендоване значення D = 1.8 мм.

Тепер приведемо значення основних параметрів друкованого малюнка:

o товщина провідників hф = 0.035 мм;

o ширина провідників t = 0.25 мм;

o відстань між краями провідників Smin = 0.45 мм;

o діаметр монтажних отворів в платі d₁ = 0.9 мм

o резисторів, конденсаторів), d₂ = 1.6 мм (для підстроювального резистора

o діаметр контактної площадки для виводів живлення 220 В D₂₂₀=4мм

o мінімальний діаметр контактних площадок D = 1.6 мм.

Використовуючи отримані данні проведемо трасування електричних плат мікшерного пульта.

3.5 Розробка конструкції деталей і вибір конструкційних матеріалів

Вибір резисторів.

При виборі резисторів враховуємо наступні показники:

— електричні характеристики;

— вартість;

— надійність;

— конструктивні характеристики;

— гранична температура;

— шуми.

Оцінку проводимо за методикою викладеною у.

Так як жоден тип резисторів не переважає над іншими за всіма показниками, то при виборі оптимального типу резистора варто керуватися компромісним варіантом. Кожному показнику привласнюється вага в залежності від важливості критерію, кожному типу резистора привласнюється бал. Оцінку робимо за десятибальною шкалою. Результати оцінок зібрані в таблицю 1.

Таблиця 3.1 — Результати оцінок резисторів

Таким чином, згідно сумарного коефіцієнту ефективності вибираємо резистори типа SMD 0603, що набрали найбільшу кількість балів.

Таблиця 3.2 — Параметри резистору SMD 0603

Вибір конденсаторів

Так як існують типи конденсаторів електролітичні і неелектролітичні, котрі перекривають весь необхідний нам діапазон.

Параметри оцінки:

— габаритні розміри;

— вартість;

— технологічність установки;

— вологостійкість;

— діапазон робочих температур,

— допустиме відхилення ємності від номінальної;

Результати приведені в таблицях 3.3 та 3.4.

Таблиця 3.3 — Результати оцінки електролітичних конденсаторів

Вибираємо конденсатори типа К50 — 16, які набрали найбільшу кількість балів.

У якості неелектролітичних конденсаторів можна використовувати наступних типів:

Таблиця 3.4 — Результати оцінки неелектролітичних конденсаторів

Вибираємо конденсатори типу SMD 0603, які набрали найбільшу кількість балів.

Обґрунтування конструкційних матеріалів.

Матеріал корпусу

Враховуючи те, що розробляємий пристрій буде постійно транспортуватись, він повинен мати міцний корпус, здатний захістити прилад від механічних впливів здатних його пошкодити. Також корпус повинен бути здатен захістити пристрій від впливу електромагнітних впливів, через які можливе погіршення якості сигналу, тому що в схемі присутні ланки з низькими рівнями сигналів, на які легко можуть вплинути електричні завади.

З цих причин в якості матеріалу корпуса вибрано сталь.

Деталі корпуса будуть виготовлятися штампуванням, тому сталь необхідно вибирати придатну до штамповки. Для виготовлення корпуса використаємо сталь марки 08Ю ГОСТ 9045– — 93, вона задовольняє всім заданим параметрам та вимогам розробляємого приладу.

Матеріал друкованих плат

При виборі матеріалу для друкованої плати необхідно врахувати наступні параметри:

§ tgд

§ модуль пружності

§ теплостійкості

§ діелектрична проникність

§ електрична проникність

§ вологостійкість Для вибору матеріалу друкованої плати нам необхідно одна плата з одностороннім фольгова ним покриттям та дві з двостороннім фольгова ним покриттям, візьмемо декілька матеріалів і розглянемо їх характеристики (таб.3.4) і виберемо найкращий з них.

Таблиця 3.5 — Матеріали друкованих плат

По даним таблиці, вибираємо склотекстоліт фольгова ний СФ-2−1.5 і для плати з односторонньою фольгою СФ-1−1.5. цей матеріал має більшу вологостійкість та кращі електричні параметри як видно з таблиці.

4. Розрахунки, підтверджуючі робото здатність пристрою

4.1 Розрахунок теплового режиму

Визначальними параметрами для розрахунку є питомі потужності розсіювання блоку приладу в цілому та нагрітої зони q_к та q₃ відповідно:

q_к=P₀/S_к

q₃= P₀/S₃

де P₀ — потужність, що розсіюється приладом. В нашому випадку основна потужність виділяється на блоці живлення та невелика частина на платі. В загальному випадку P₀=10Вт.

S_к — площа поверхні корпусу приладу;

S₃ — умовна поверхня нагрітої зони.

S_к=2(l₁•l₂+(l₁+l₂)•l₃)

S₃=2•(l₁•l₂+(l₁+l₂)•l₃•k₃)

де l₁, l₂, l₃ — відповідно довжина, ширина та висота корпусу;

k₃ — коефіцієнт заповнення об'єму.

S_к=2•(0,283•0,166+(0,283+0,166)•0,08)=0,166 м²

S₃=2•(0,283•0,166+(0,283+0,166)•0,08•0,2)=0,108 м²

Тоді маємо q_к=10/0,166 =60,2 Вт/м²; q₃=10/0,108=92,6 Вт/м²

В загальному випадку перегрів корпусу герметичного апарату, що працює при температурі t=35°С відносно навколишнього середовища визначається залежністю:

х₁=0,1472•q_к-0,2962•10^-3 q_к²+0,3127•10^-6•q_к³

де q_к — питома потужність корпусу приладу, Вт/м²

х₁=0,1472•60,2 -0,2962•10^-3 •60,2 ²+0,3127•10^-6•60,2 ³= 7,3°С

Перегрів нагрітої зони визначається аналогічною залежністю

х₂=0,1390•q₃-0,1223•10^-3•q₃²+0,0698•10^-6•q₃³

де q₃ — питома потужність нагрітої зони, Вт/м²

х₂=0,1390•92,6−0,1223•10^-3•92,6²+0,0698•10^-6•92,6³=11,8°С

Зміна атмосферного тиску зовні корпусу впливає на перегрів корпусу приладу відносно температури навколишнього середовища, а в середині корпусу — на перегрів нагрітої зони відносно температури корпусу приладу. Наявність отворів враховується коефіцієнтом, який залежить від відносної площі отворів.

P=S_П/(l₁•l₂)

де S_П — сумарна площа отворів, м². В нашому випадку S_П=0,01 м².

Р=0,01/(0,283•0,166)=0,21

по результатам експериментальних випробувань встановлена залежність

k_П=0,29+1/(1,41+4,95•Р)

справедлива в діапазоні значень: 0? Р?0,8.

k_П=0,29+1/(1,41+4,95•0,21)=0,69

Виходячи з цього визначається перегрів корпусу блока

х_к=0,93•К_Н1• k_П

перегрів нагрітої зони

х_з=0,93 k_П(х₁• К_Н1+(х₂/0,93- х₁)• К_Н2),

коефіцієнт К_Н1 визначається тиском повітря зовні приладу:

К_Н1=0,82+1/(0,925+4,6•10^-5•Н₁),

а коефіцієнт К_Н2 залежить від тиску середовища у середині приладу та визначається за формулою:

К_Н2=0,80+1/(1,25+3,8•10^-6•Н₂),

де Н₁ та Н₂ — атмосферний тиск, МПа, зовні та у середині приладу відповідно. Виходячи з цього маємо:

К_Н1=0,82+1/(0,925+4,6•10^-5•0,1)=1,9

К_Н2=0,80+1/(1,25+3,8•10^-6•0,1)=1,6

х_к=7,5•1,9•0,69=9,7°С

х_з=0,93• 0,69 (16,2•1,9+(21,6/0,93- 16,2)• 1,6)=16,5°С

По отриманим даним визначаємо перегрів повітря у приладі

хв=0,6• хз

де х_з — перегрів нагрітої зони.

х_в=0,6•26,5=15,9°С

Визначаємо середню температуру повітря у приладі за формулою:

T_в= х_в+t_c

де t_c — температура оточуючого середовища;

T_в=15,9+35=50°С

Визначаємо температуру корпусу приладу за формулою:

T_к= х_к+ t_c

T_к=9,7+35=44,7°С

Визначаємо температуру нагрітої зони за формулою

T_з= х_з+ t_c

T_з=16,5+35=51,5°С

Отримані значення задовольняють роботоздатність пристрою.

4.2 Розрахунок віброміцності та удароміцності друкованої плати

Вібрації - це коливання конструкції, викликані періодичними впливами. Вібрації РЕА виникають при транспортуванні та експлуатації.

У результаті впливу вібрації можуть виникати механічні ушкодження елементів, порушитись контакти, цілісність пайок, різьбових та інших з'єднань.

Конструкція плати повинна бути вібростійкою і віброміцною. Вібростійкість визначає здатність апаратури до динамічних навантажень. Віброміцність визначає здатність апаратури витримувати без руйнування тривалі вібраційні навантаження.

Для розрахунку використаємо программу PLATA2VER21 згідно рекомендації [6, с. 44].

Вхідні данні для програми:

с — густина матеріалу плати,

а, b, h — габаритні розміри плати, мм.

Габаритні розміри плат приведені в таблиці 4.1.

Таблиця 4.1 — Габаритні розміри друкованих плат

Для розрахунку параметрів друкованих плат введемо вихідні данні для розрахунку в програму PLATA.

Розрахунки проводяться для точки геометричної середини плат.

Нижче наведенні результати роботи програми для кожної з плат мікшерного пульта.

Плата А1

РАСЧЕТ ЧАСТОТНЫХ И АМПЛИТУДНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

длина платы, мм 59,0

ширина платы, мм 123,0

толщина платы, мм 1,500

способ закрепления сторон:

оперты четыре вершины механические характеристики материала:

модуль упругости, ГПа 9,8

коэффициент Пуассона 0,20

плотность, г/см³ 1,90

КМП 0,32

предел прочности, МПа 245,0

предел выносливости, МПа 55,0

масса распределенных ЭРЭ, кг 0,074

параметры вибрационного воздействия:

частота, Гц 20,0

амплитуда, мм 1,250

виброперегрузка, g 2,00

параметры ударного импульса:

длительность, мс 5,0

амплитуда, g 25,00

форма — прямоугольная РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА:

собственная частота платы, Гц 52,5

вибропрочность:

коэффициенты передачи ускорений:

N точки x, мм y, мм eta (x, y)

1 25,000 60,000 2,472

относительные деформации:

N точки z, мм tet (x), рад tet (y), рад

1 1,888 0,23 858 0,16 735

ударная прочность:

коэффициенты передачи ускорений:

N точки x, мм y, мм eta (x, y)

1 25,000 60,000 1,767

относительные деформации:

N точки z, мм tet (x), рад tet (y), рад

1 0,753 0,9 519 0,6 677

минимальные коэффициенты запаса прочности материала платы в расчетных точках относительно предела выносливости

sigv = 55,0 МПа при вибрационных нагрузках n = 5,83

при ударах n = 14,61

Плата А2

РАСЧЕТ ЧАСТОТНЫХ И АМПЛИТУДНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

длина платы, мм 123,0

ширина платы, мм 95,0

толщина платы, мм 1,500

способ закрепления сторон:

оперты четыре вершины механические характеристики материала:

модуль упругости, ГПа 9,8

коэффициент Пуассона 0,20

плотность, г/см³ 1,90

КМП 0,32

предел прочности, МПа 254,0

предел выносливости, МПа 55,0

масса распределенных ЭРЭ, кг 122,000

параметры вибрационного воздействия:

частота, Гц 20,0

амплитуда, мм 1,200

виброперегрузка, g 1,92

параметры ударного импульса:

длительность, мс 5,0

амплитуда, g 25,00

форма — прямоугольная РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА:

собственная частота платы, Гц 1,7

вибропрочность:

коэффициенты передачи ускорений:

N точки x, мм y, мм eta (x, y)

1 60,000 45,000 1,010

относительные деформации:

N точки z, мм tet (x), рад tet (y), рад

1 0,012 0,12 0,15

ударная прочность:

коэффициенты передачи ускорений:

N точки x, мм y, мм eta (x, y)

1 60,000 45,000 1,000

относительные деформации:

N точки z, мм tet (x), рад tet (y), рад

1 0,000 0,0 0,0

минимальные коэффициенты запаса прочности материала платы в расчетных точках относительно предела выносливости

sigv = 55,0 МПа при вибрационных нагрузках n = >100

при ударах n = >100

Плата А3

РАСЧЕТ ЧАСТОТНЫХ И АМПЛИТУДНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

длина платы, мм 166,0

ширина платы, мм 130,0

толщина платы, мм 1,500

способ закрепления сторон:

оперты четыре вершины механические характеристики материала:

модуль упругости, ГПа 9,8

коэффициент Пуассона 0,20

плотность, г/см³ 1,90

КМП 0,32

предел прочности, МПа 254,0

предел выносливости, МПа 55,0

масса распределенных ЭРЭ, кг 115,000

параметры вибрационного воздействия:

частота, Гц 20,0

амплитуда, мм 1,200

виброперегрузка, g 1,92

параметры ударного импульса:

длительность, мс 5,0

амплитуда, g 25,00

форма — прямоугольная РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА:

собственная частота платы, Гц 1,3

вибропрочность:

коэффициенты передачи ускорений:

N точки x, мм y, мм eta (x, y)

1 80,000 125,000 1,004

относительные деформации:

N точки z, мм tet (x), рад tet (y), рад

1 0,005 0,5 -0,59

ударная прочность:

коэффициенты передачи ускорений:

N точки x, мм y, мм eta (x, y)

1 80,000 125,000 1,000

относительные деформации:

N точки z, мм tet (x), рад tet (y), рад

1 0,000 0,0 0,0

минимальные коэффициенты запаса прочности материала платы в расчетных точках относительно предела выносливости

sigv = 55,0 МПа при вибрационных нагрузках n = >100

при ударах n = >100

Плата А4

РАСЧЕТ ЧАСТОТНЫХ И АМПЛИТУДНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

длина платы, мм 43,0

ширина платы, мм 144,0

толщина платы, мм 1,500

способ закрепления сторон:

оперты четыре вершины механические характеристики материала:

модуль упругости, ГПа 9,8

коэффициент Пуассона 0,20

плотность, г/см³ 1,90

КМП 0,32

предел прочности, МПа 245,0

предел выносливости, МПа 55,0

масса распределенных ЭРЭ, кг 57,000

параметры вибрационного воздействия:

частота, Гц 20,0

амплитуда, мм 1,200

виброперегрузка, g 1,92

параметры ударного импульса:

длительность, мс 5,0

амплитуда, g 25,00

форма — прямоугольная РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА:

собственная частота платы, Гц 1,4

вибропрочность:

коэффициенты передачи ускорений:

N точки x, мм y, мм eta (x, y)

1 20,000 72,000 1,007

относительные деформации:

N точки z, мм tet (x), рад tet (y), рад

1 0,008 0,66 0,0

ударная прочность:

коэффициенты передачи ускорений:

N точки x, мм y, мм eta (x, y)

1 20,000 72,000 1,000

относительные деформации:

N точки z, мм tet (x), рад tet (y), рад

1 0,000 0,0 0,0

минимальные коэффициенты запаса прочности материала платы в расчетных точках относительно предела выносливости

sigv = 55,0 МПа при вибрационных нагрузках n = >100

при ударах n = >100

Плата А5

РАСЧЕТ ЧАСТОТНЫХ И АМПЛИТУДНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

длина платы, мм 42,0

ширина платы, мм 69,0

толщина платы, мм 1,500

способ закрепления сторон:

оперты четыре вершины механические характеристики материала:

модуль упругости, ГПа 9,8

коэффициент Пуассона 0,20

плотность, г/см³ 1,90

КМП 0,32

предел прочности, МПа 245,0

предел выносливости, МПа 55,0

масса распределенных ЭРЭ, кг 453,000

параметры вибрационного воздействия:

частота, Гц 20,0

амплитуда, мм 1,200

виброперегрузка, g 1,92

параметры ударного импульса:

длительность, мс 5,0

амплитуда, g 25,00

форма — прямоугольная РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА:

собственная частота платы, Гц 1,5

вибропрочность:

коэффициенты передачи ускорений:

N точки x, мм y, мм eta (x, y)

1 20,000 35,000 1,008

относительные деформации:

N точки z, мм tet (x), рад tet (y), рад

1 0,009 0,53 -0,43

ударная прочность:

коэффициенты передачи ускорений:

N точки x, мм y, мм eta (x, y)

1 20,000 35,000 1,000

относительные деформации:

N точки z, мм tet (x), рад tet (y), рад

1 0,000 0,0 0,0

минимальные коэффициенты запаса прочности материала платы в расчетных точках относительно предела выносливости

sigv = 55,0 МПа при вибрационных нагрузках n = >100

при ударах n = >100

4.3 Розрахунок надійності за раптовими відмовами

Раптові експлуатаційні відмови є раптовими відмовами повноцінної по надійності радіоелектронної апаратури, що виникають в період нормальної експлуатації, коли прироблення пристрою вже закінчилося, а знос і природне старіння ще не настали. Раптові експлуатаційні відмови обумовлені чисто випадковими чинниками, такими як приховані внутрішні дефекти, які не можуть бути виявлені встановленою системою технологічного контролю; маловірогідні і тому не передбачені схемою і конструкцією відхилення режимів роботи, поєднання параметрів, концентрації зовнішніх навантажень і внутрішніх напружень, помилки операторів в період експлуатації.

Розрахунок ведеться по методиці, приведеній в [5, с. 96]. Початковими даними є схема електрична принципова з переліком елементів.

При визначенні надійності системи через відомі показники надійності її елементів вводять два припущення: