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电子装备设计技术 第七章电子组装设计技术 组装设计的目的是将各种元器件按照电路和结构要求 组装成实体 以达到电子设备预期的性能要求 组装设计直接影响电子设备的性能和质量 对设备热设计 隔振缓冲 电磁兼容性有较大影响 电子设备的组装包括设备内各分机和电路单元的布局与装连 电路单元内各种元器件 零部件的装配和布局 各电路单元之间的互连 导线 电缆的布线与装固 有关机电调控系统的安装与调试等 电子设备组装设计的任务是 合理选择组装方案和组装结构 妥善布置各种元器件 零部件 合理安排互连与布线 充分体现电路设计预期的电气性能 实现电子设备的技术指标 达到预期的功能和可靠性要求 7 1元器件的布局 一 元器件的布局原则 1 电路元器件布局应保证电气性能指标的实现 电气性能通常指频率特性 信号失真度 增益 工作稳定性 相位 杂音电平 效率等相关指标 2 元器件布局时应考虑到布线 元器件的位置安排和放置方向以及元器件之间的距离 最终将影响电路性能 3 元器件布局应考虑组装结构紧凑 重量分布均衡 排列有序 有利于结构设计 4 元器件布局应有利于散热 5 元器件布局应有利于耐冲击振动 二 布局方法和要求1 按电路图顺序成直线排列布局通常按电路图的顺序成直线排列 各级电路中的晶体管或集成电路按横轴向顺序排列 电路的元器件尽量集中布设 2 注意各级电路 元器件 导线间相互影响根据元器件尺寸合理安排各级电路间的距离 正确放置具有磁场的铁芯器件 热敏和高压元件等 3 注意接地方法和接地点元器件接地应选取最短路径焊在粗铜地线上 4 元器件布局应满足电路的特殊要求热敏元件应采取散热措施 需要屏蔽的电路和元器件 布局时应留有安装屏蔽结构的空间 7 2典型单元的组装布局 一 稳压电源的组装布局1 技术要求 1 按要求输送给负载规定的直流和电压 保证在最大负荷下保持稳定输出 2 在输入电压波动的情况下 保持输出电压稳定 并有较高的稳压系数 3 保证输送给负载的直流接近于恒定直流 波纹因数较小 4 电源应具有较高的效率 对于大功率 中功率电源 效率是一项重要的指标 效率高的电源工作时耗散出的热量较少 2 组装布局应考虑的问题 1 安装布局时应使重量均衡分布 电源中的主要元器件体积较大 重量也较大 2 元器件布置应便于测试 以便维护 易出故障的元器件 应安装在便于更换的部位 3 布局时应便于散热 发热量大的元器件 应安装在空气容易流通的地方 4 电源内通常有高压 应特别注意安全 控制机构应和机壳机架相连并妥善接地 防止电击事故 5 电源必须与低频电路 特别是放大器隔开 6 电源变压器的重量较大 布局时应放在底座两端并靠近支撑点 以防止冲击 振动 二 放大器的组装布局1 技术要求 1 低频放大器多用于音频放大 要求有较好的频率特性 同时非线性失真和杂音电平应小一些 2 中频和高频放大器应具有适当的增益 增益直接影响灵敏度及平稳性 应适当高一些 但增益过高容易引起自激 3 要求放大器失真度小 对中频 高频放大器的失真应有严格的要求 否则经过放大后失真更严重 4 要求放大器工作应稳定 不产生自激振荡 放大器具有良好的屏蔽并能抑制反馈 5 要求功率放大器有较高的效率 2 组装布局应考虑的问题 1 放大器的元器件布局必须接电路顺序直线布置 各级元器件不能交错 接线应尽量缩短 前置放大级与末级离得越远越好 2 为了减少铁芯器件的漏磁场影响 铁芯器件的线包轴线与其它元器件平面或与底座平面垂直 3 对多级放大器 为了抑制寄生耦合形成的反馈 应使输入和输出导线远离 各级电路应加以屏蔽 4 抑制电源对放大器的影响 每级电路集电极回路与电源之间应加去耦电路 消除级间耦合 5 布置元器件时应注意接地点的选择 6 高频放大器组装与布局和一般高频电路相同 三 振荡回路的组装布局1 振荡回路的技术要求 1 振荡回路自身的损耗应减到最小 应选用介质损耗小和介电常数小的绝缘子作回路元件支架 并要求固定联接 焊接良好 2 振荡回路应良好屏蔽 振荡回路应单独屏蔽 不允许与其他电路一起整体屏蔽 3 振荡回路的元件应足够坚固 元件和导线受冲击振动时不产生位移和变形 4 应采取防护措施尽量减小振荡回路中的元器件受温度 湿度 气压的影响 以提高频率稳定度 5 安装和布局元器件时 应便于维修和测试调整 2 频率固定的单振荡回路的组装布局包括调电感振荡回路和调电容振荡回路 布局时应远离其他元器件以防电磁场干扰 3 频率可调的振荡回路的组装与布局附加了频率转换装置 振荡回路的振荡频率决定于回路的特性阻抗 改变l c即可改变振荡频率 4 调谐回路的组装与布局用调电容或调电感的方法调谐 因回路阻抗的变化不同而有所区别 调电容时频率覆盖较大 但调谐精度较低 通常用于接收系统调谐和一般的发射系统调谐 而调电感时频率覆盖较小 但调谐精度较高 通常用于要求较高的发射系统调谐 四 高频系统的组装布局1 高频系统的组装要求 1 组装时应减小各种耦合 应减小布线 布局引起的电感耦合和电容耦合 因此必须减小导线的长度和直径 增大平行导线间的距离 尽可能不引入绝绝材料和金属构件 2 组装时应满足绝缘性能要求 绝缘件应采用介质常数小 介质损耗小 绝缘电阻高的材料 尽可能不要采用固体介质作绝缘层 最好用空气绝缘层 保持足够的空气隙 3 提高导线刚性 减小导线跨度 长度 增大导线直径 2 高频系统的布局 1 电路元器件的布局 同一级电路的元器件应以晶体管或集成电路为中心尽量靠近布置 连线越短越好 应注意电路元件间的相对位置和方向 应远离机壳和其他金属板 布局时应注意元器件之间的热影响 电磁影响 采取远离或隔离 散热和屏蔽等措施 尽量不要使用接插件和焊片 引线越短越好 2 结构件的布局高频系统中采用的机械性支撑 固定等结构件会影响电路性能 主要表现为降低线圈的品质因数 增大介质损耗 增大电容耦合等 3 高频系统的屏蔽屏蔽物的形状 尺寸和材料性能将对高频系统中元器件和电路参数产生较大影响 屏蔽时应注意 1 方形 矩形截面屏蔽罩对高频电路的影响比圆形截面屏蔽罩要小一些 屏蔽罩内表面与被屏蔽元件距离越近 其影响越大 因此高频电路屏蔽罩的尺寸应大一些 截面形状应采用方形或矩形 2 在频率很高时 屏蔽物材料应采用镀银铜板 通常不宜采用铝和黄铜做屏蔽材料 3 当高频电路与其他电路布置在一个底座或印制板上时 高频电路宜作整体屏蔽 较高频率的导线应采用高频屏蔽线 当要求较高时 可用拉紧的镀银光铜线 外面套上接地金属导管 7 3布线与连线技术 一 导线选用 1 电气性能要求 允许工作电流与压降要求 根据导线要求和允许工作电流的大小 结合具体情况确定芯线截面积 工作电压与试验电压要求 工作电压越高 对导线的绝缘要求也越高 2 工作环境条件考虑导线的耐热性 防潮性 耐寒性 柔软性 耐磨性 挠性等 3 工艺性和经济性考虑工艺和价格 根据其性质和用途选用颜色 二 布线应考虑的问题高频电路中连接导线的电阻 电容 电感和互感的分布参数不可忽视 从抗干扰的考虑 合理布线就是要设法减小电路中的线阻 分布电容 杂散电感 将杂散电磁场降低到最小程度 使电路的分布电容 漏磁通 电磁互感等引起的干扰得到抑制 1 避免导线间的相互干扰和寄生耦合 2 处理好接地导线 3 注意导线的布设 4 减小布线的环路面积 三 导线的布线原则强 弱电分开 交 直流分开 高 低压分开 四 预加工处理 1 导线的加工导线剪裁 导线剥头 多股线捻头 清洁处理 2 导线和元器件浸锡芯线浸锡 裸导线浸锡 元器件引线浸锡 焊片浸锡 3 元器件引线成型预先将元器件引线按成型要求加工成一定形状 4 线把扎制及电缆加工整机总装前用线绳或线扎搭扣将导线分组扎成线把或线扎 使走线整洁有序 保证电路工作稳定性 扎线用品 导线加套管 扎线要领 点结法示意图 连续打结法示意图 7 4电子设备的总体布局与组装 一 电子设备组装的结构形式电子设备组装结构可采用整机 分机 电路单元 或整件 印制电路板或组件等分级组装结构形式 其组装结构形式和组装工艺相一致 这种分级组装结构不仅在电路上具有一定的独立性 而且在结构上和工艺上也具有相对的独立性 采用分级组装结构便于组织生产 装配和调试 也便于维修和检测 组装结构形式多种多样 根据电子设备的功能 用途而异 通常将各种小元器件先组装成印制板或组件板 并通过插座与底板下的布线相连 与插座相连的印制装配板应采用导轨导向和支承 二 组装单元的划分 1 根据电原理图或方框图按级划分组装单元 各单元应具有一定的独立性 能单独进行调整与测试 2 划分的单元必须与组装工艺相适应 便于组织生产 不相互影响 相互制约 3 同一级组装单元的总体积应大体相近 以便采用统一尺寸的安装结构 以便规格化 标准化 4 应注意元器件 电路间的相互干扰 相互影响的电路单元 不能安排在同一个组装单元内 5 控制系统 指示系统及联系较紧密的几个小组装单元 必须安排在同一个组装单元内 6 各组装单元间的电气连接数越少越好 应尽量减少引入 引出导线数 使电接触数减至最低限度 三 总体布局原则 1 按照整机方框图的顺序排列各单元 使相互干扰最少 使各单元的连线走向合理 并有利于布线 2 注意重量分布均衡 使设备重心最低 设备总体尺寸合理 各组成单元的尺寸协调 3 注意机电协调 设备内的电路系统和机械系统必须协调配合好 在总体布局时应特别注意 4 控制系统必须与相连的电路布局在同一组装单元 力求简化并便于操作 显示部分应与相应的机电部件就近布置 并与面板布置相协调 5 应有利于抑制和减少干扰 应注意使敏感电路不受干扰 注意接地方式以及地线系统的布局等 6 应有利于散热 注意处理好冷却介质的流动途径 以最有利的形式把各单元产生的热量带走 同时不影响热敏元件正常工作 对于组装密度较大 发热较集中且换热条件较差的单元或器件 布局时应使热传导通路的热阻小 热路短 散热系统的各组成部分 不能对电路形成干扰 散热系统布局应充分利用设备的现有空间等 7 应考虑减振 缓冲方面的要求 较重的单元应放在设备最下部 力求将承重构件和底板的变形降低到最低限度 布局时应防止设备内的振源对其他部分的机械干扰 考虑主动隔离 8 应有利于维修 调整 测试和装配 在条件允许的情况下 布局密度不宜过大 保证足够的空间 7 5隔振缓冲设计 电子设备在实际工作环境中受到的机械力有各种形式 如振动 冲击 离心力 机械运动产生的摩擦力等 对电子设备危害最大的是振动和冲击 1 共振损坏电子设备在某一激振频率下产生共振 超过设备的极限 2 冲击损坏冲击产生的冲击力超过设备的强度极限 3 疲劳损坏振动或冲击长时间作用 造成设备和元件疲劳而损坏 一 振动系统的组成及特性1 振动系统的组成振动系统必须具有振体和弹簧 m k系统 振体指振动物体 主要特点是具有质量m 弹簧是产生弹性恢复力的元件 主要特点是具有刚度k 此外 还有表征系统振动受阻程度的阻尼系数c和激发与维持系统振动的激振力 2 无阻尼自由振动 单自由度系统 系统固有频率计算震动系统惯性力和弹性元件弹性力 由pm pk得固有频率 系统静止时 弹性力与物体重力平衡 故固有频率 3 单自由度系统的阻尼振动振动的阻尼 粘性阻尼 粘性液体阻尼器滞后阻尼 弹性元件变形时内部分子摩擦引起摩擦阻尼 侧压弹簧压紧摩擦片摩擦外壳形成空气阻尼 强迫空气从小孔出入产生电磁阻尼 由磁铁和线圈组成4 有阻尼的强迫振动激振力 直接激振力 继电器簧片受电磁铁的吸引力旋转 或往复 机械的惯性力振动系统施加的激振力 二 振动的隔离1 主动隔振 积极隔振 自身是振动干扰源的设备 将其隔离 2 被动隔振 消极隔振 减小设备由于外来干扰引起的振动 将其隔离 3 隔振设计 选择适当的减震器及其布置 1 确定被隔振设备受到的激振源的大小 s v a f 方向和频率 频谱 2 根据许可的激振值 位移s 速度v 加速度a 力f 确定隔振系数 3 根据隔振系数的数值 查找出频率比 和相应的阻尼比d值 4 求出系统的固有频率 p p为激振频率 5 确定减震器的弹性刚度 k m 2三 冲击及其隔离1 冲击概念冲击是不规则的瞬间外力作用于物体 设备 上的现象 可定义为 能量传递给一个系统时 发生的时间比这个系统的固有周期短很多 并且传递后系统的振动会自行衰减 2 冲击的隔离 1 主动隔冲 积极隔冲 隔离设备自身冲击力 2 被动隔冲 消极隔冲 隔离外部冲击的影响 3 隔冲设计 实际上是隔冲减震器的设计 五 减震器的类型橡胶减震器 以橡胶作为减震器的弹性元件 金属作为支撑骨架 有较大的阻尼 能有效吸收频率较高的振动 吸收冲击力 隔冲性能较好 易老化 jp型 jw型 金属弹簧减震器 用弹簧钢板或钢丝绕制而成 有圆柱型和圆锥型螺旋弹簧 具有经久不变的弹性 有较高的冲击韧性 jzn型阻尼式减震器 空气弹簧减震器双刚度减震器标准减震器 部标sj93 78 包括14个系列 102种规格 六 隔振缓冲设计1 确定已知条件 1 根据电子设备的使用场合 决定隔振为主还是隔冲为主 确定减震器的最大允许位移 2 根据电子设备使用环境 明确减振器工作条件 确定减震器类型 3 根据电子设备具体情况 确定支承点的数量和位置 合理布置 安装减震器 4 根据设备内部元器件耐振和抗冲能力 确定设备允许的最大振幅和加速度 2 设计计算 隔振系数 固有频率 弹性刚度 3 实验 检验所设计的隔振系统的性能 七 电子元器件的隔振安装方式 紧贴印制板 固定夹固定 绝缘漆或封蜡 紧固 加衬垫等方法 1 改变元器件的安装方式 2 元器件紧贴印制板 并用环氧树脂粘牢 3 将元器件用固定夹固定 4 用穿心螺丝或固定支架固定功耗大的空心电阻 5 用压板螺钉或特制支架固定元器件或变压器 改变安装方式 元器件紧贴印制板 元器件用固定夹固定 空心电阻的固定 变压器的固定 6 某些元器件由于排列密度高而无法使用减震器时 可用棉球或泡沫浸渍胶水 如703胶 填塞在元件与底板之间 7 调谐元件设法将磁帽锁定 用绝缘漆或蜡封住 8 可迅速拆下的元器件 部件 如接插件 应用专门的固定装置固定 防止振动时自行脱落 9 陶瓷元件及其它脆弱元件与金属零件联接时 最好垫上橡皮 塑料 纤维 毛毡等衬垫 八 印制电路板的隔振1 增加印制电路板的厚度 以提高刚度 当印制板为200 140 1 5时 固有频率为100hz 板厚为2mm时 为150hz 2 印制板上附加强筋 以提高刚度 3 印制板加橡胶减震器 减小印制板中心的振幅 4 增加印制板与支承界面接触压力防止疲劳损坏 5 两块印制板间加粘滞性阻尼材料 减小印制板弯曲振动时的振幅 九 机架与底座的隔振机架与底座可设计为框架 板料金属和复杂形状的铸铁件 可用加强筋或弯曲摺边等方式 增加其强度与刚度 十 隔振缓冲设计计算1