劉祥水,曾祥偉,湯郡郡
(國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠,安徽 蕪湖 241000)
電路板國(guó)產(chǎn)化就是將原國(guó)外設(shè)計(jì)制作的電路板,利用當(dāng)代技術(shù)重新設(shè)計(jì)制作出全功能替代的國(guó)產(chǎn)化的電路板,以解決國(guó)內(nèi)修理廠在修理國(guó)外飛機(jī)機(jī)載設(shè)備中遇到的高故障率、高成本、長(zhǎng)周期等問(wèn)題。通過(guò)國(guó)產(chǎn)化所進(jìn)行的技術(shù)研究不僅可以加深對(duì)電路板原理的掌握,滿足該類電路板深度修理的需要,而且通過(guò)國(guó)產(chǎn)化研制可以降低國(guó)內(nèi)修理的成本,縮短修理周期并解決部分技術(shù)封鎖的問(wèn)題。
電路板國(guó)產(chǎn)化具體方法是先通過(guò)分析電路板的原理以及在產(chǎn)品中的功能,然后,通過(guò)軟件仿真的方法,對(duì)電路板的功能波形進(jìn)行模擬,通過(guò)仿真的電路進(jìn)行PCB 設(shè)計(jì),制作出試驗(yàn)電路板,運(yùn)用現(xiàn)有的電路板自動(dòng)測(cè)試診斷系統(tǒng),編寫(xiě)相關(guān)的測(cè)試程序。測(cè)試設(shè)備通過(guò)加載實(shí)際的測(cè)試信號(hào)對(duì)試驗(yàn)電路板和原電路板進(jìn)行對(duì)比和調(diào)試,通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)后使得試驗(yàn)板和原裝電路板在相同的激勵(lì)信號(hào)下,其響應(yīng)信號(hào)也完全一致。在此基礎(chǔ)上裝入產(chǎn)品按照產(chǎn)品的測(cè)試工藝進(jìn)行檢查和調(diào)試,最終使得國(guó)產(chǎn)化電路板完全滿足產(chǎn)品的裝機(jī)要求。
某型數(shù)模轉(zhuǎn)換器是俄羅斯生產(chǎn)的某型機(jī)載控制計(jì)算組件中的數(shù)字/模擬信號(hào)變換器。該電路板主要用于將并行二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成與角度的正弦和余弦成正比例的兩個(gè)交流信號(hào),變換誤差不大于20′,變換時(shí)間不大于2.5ms,角度變換范圍為-180°~+180°。
該型電路板的供電電壓有+12V、+15V、-15V 以及數(shù)字地和模擬地。其主要功能是:輸入寄存器,用于將保證接收和保存角的二進(jìn)制碼;功能數(shù)模變換器,用于將角的二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成與角的正弦和余弦成正比例的兩種電壓;兩個(gè)調(diào)制器,用于保證對(duì)通過(guò)比較器進(jìn)入調(diào)制器的載波頻率400Hz 進(jìn)行調(diào)制;基準(zhǔn)電壓電源,用于保證向功能變換器供給穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。電路板原理框圖見(jiàn)圖1。
該型數(shù)模轉(zhuǎn)換器是控制計(jì)算組件中故障率較高的板件之一。由于該電路板是一塊數(shù)?;旌想娐钒澹M(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)的電路采用的是早期的邏輯芯片設(shè)計(jì),信號(hào)的采集檢測(cè)要求高,產(chǎn)品在線排故的難度很大。在修理過(guò)程中,該型數(shù)模轉(zhuǎn)換器長(zhǎng)期以來(lái)無(wú)采購(gòu)的渠道,板件中很多的俄產(chǎn)元器件價(jià)格很高,供應(yīng)受?chē)?guó)外限制,國(guó)產(chǎn)化后即方便后期修理中換新,同時(shí),又降低了修理成本。
圖1 電路板原理框圖
(1)熟悉原理。該型轉(zhuǎn)換器在實(shí)現(xiàn)AD 轉(zhuǎn)換的電路中使用了逐次逼近式移位寄存器、10 位乘法型D/A 轉(zhuǎn)換器和精度高、溫漂小的電阻網(wǎng)絡(luò)。采用先測(cè)后仿的原則,依據(jù)中國(guó)航空工業(yè)總公司出版的《俄中西電子元器件對(duì)照手冊(cè)》查找對(duì)應(yīng)的代換器件,利用計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行仿真測(cè)試,可以驗(yàn)證替換后的電路的性能參數(shù)。
(2)工藝成熟?,F(xiàn)有的軍品電路板制作工藝已經(jīng)非常成熟,能夠生產(chǎn)出符合軍品需求的電路板。
(3)試驗(yàn)環(huán)境完備?,F(xiàn)有的環(huán)境試驗(yàn)條件非常齊全,包括高低溫試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、飛機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)等,能夠很好地對(duì)電路板的性能進(jìn)行驗(yàn)證。
(4)備選器件豐富。原電路板上的所有集成芯片完全可以用現(xiàn)在的國(guó)產(chǎn)軍品器件或西方軍品器件替代,可以通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有軍品元器件進(jìn)行篩選采購(gòu)。
(5)具備驗(yàn)證平臺(tái)?,F(xiàn)有的通用設(shè)備、專用設(shè)備為開(kāi)發(fā)提供了有利的條件,基于VXI 總線的電路板自動(dòng)測(cè)試診斷系統(tǒng)提供了實(shí)際的功能驗(yàn)證測(cè)試平臺(tái)。
(1)分析某型數(shù)模轉(zhuǎn)換器原理圖,查明所有元器件的功能,并根據(jù)相關(guān)資料查找代換器件。通過(guò)原理分析,對(duì)位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì),對(duì)模擬部分進(jìn)行等效仿真。
(2)根據(jù)電路板原理圖,通過(guò)元器件替換及其部分功能替代的方法在軟件仿真測(cè)試的基礎(chǔ)上進(jìn)行整板原理圖的繪制。
(3)在軟件原理圖和原板功能一致的基礎(chǔ)上,調(diào)研國(guó)內(nèi)的元器件生產(chǎn)廠家并購(gòu)置相應(yīng)元器件;同時(shí),在protel中繪制國(guó)產(chǎn)化電路原理圖,并設(shè)計(jì)后期用于測(cè)試的轉(zhuǎn)接硬件電路板,最終進(jìn)行pcb 制板。
(4)制作一塊國(guó)產(chǎn)化試驗(yàn)板和測(cè)試用的轉(zhuǎn)接硬件電路板,對(duì)試驗(yàn)板和原裝電路板進(jìn)行同步比較,并對(duì)性能參數(shù)不一致的部分電路進(jìn)行修改和試驗(yàn),驗(yàn)證時(shí)序的正確性。
(5)測(cè)試驗(yàn)證結(jié)束后進(jìn)行樣板的定型、選材和制作。
(6)對(duì)制作后的樣板板進(jìn)行可靠性試驗(yàn),并把制作成功的電路板裝上產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè),完成各類技術(shù)鑒定。
該板是產(chǎn)品中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器,主要功能是將并行二進(jìn)制碼的數(shù)字量角度信號(hào)變換成與角度正、余弦成正比的兩個(gè)交流電壓。其原理框圖見(jiàn)圖2。
圖2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器原理框圖
如圖2 所示,該型數(shù)模轉(zhuǎn)換器由數(shù)模轉(zhuǎn)換器主要由數(shù)字選擇控制電路1、乘法型D/A 轉(zhuǎn)換器組、電壓轉(zhuǎn)換電路1、電壓轉(zhuǎn)換電路2、模擬開(kāi)關(guān)1、模擬開(kāi)關(guān)2、電壓跟隨比較電路1、電壓跟隨比較電路2 組成。
在該板中數(shù)字信號(hào)通過(guò)數(shù)字選擇控制電路1 后,形成D/A 轉(zhuǎn)換器組的控制信號(hào)。在控制信號(hào)全1(10V 高電平)的情況下,D/A 轉(zhuǎn)換器組輸出基準(zhǔn)電壓?;鶞?zhǔn)電壓分別通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換電路1 和電壓轉(zhuǎn)換電路2 反相調(diào)整后,送達(dá)模擬開(kāi)關(guān)1和模擬開(kāi)關(guān)2。在模擬開(kāi)關(guān)有條件的選擇下,分別通過(guò)電壓跟隨比較電路1 和電壓跟隨比較電路2 的限幅控制后輸出。
電路板國(guó)產(chǎn)化研制后需要對(duì)板件進(jìn)行功能驗(yàn)證,該過(guò)程需要首先對(duì)各模塊進(jìn)行性能測(cè)試,然后在系統(tǒng)級(jí)設(shè)備中進(jìn)行整體性能驗(yàn)證。各模塊的功能驗(yàn)證利用電路板自動(dòng)測(cè)試診斷系統(tǒng)進(jìn)行分組檢測(cè),遍歷電路板上的所有電子元器件,并對(duì)電路板的邏輯功能進(jìn)行檢測(cè)。整體性能則需要將板件裝入整個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行整體性能試驗(yàn)。
將板件安裝在電路板自動(dòng)測(cè)試診斷系統(tǒng)中,接通電源,通過(guò)示波器可以檢測(cè)到穩(wěn)壓管的具體穩(wěn)壓值,以確定其工作狀態(tài)是否良好。在端口5A 上輸入峰值為8V 的正弦信號(hào),即可用示波器在輸出端(D4/7)采集到10V 的方波信號(hào)。電路如圖3 所示。
圖3 電源輸出電路
數(shù)字選擇控制電路,主要檢測(cè)利用邏輯芯片搭建的時(shí)鐘時(shí)序圖,對(duì)電路中元器件D6、D13 進(jìn)行時(shí)序檢測(cè)其分頻信號(hào)如圖4 所示,符合設(shè)計(jì)要求,輸出信號(hào)將對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行控制。
圖4 數(shù)字選擇控制電路信號(hào)圖
本文介紹了某型數(shù)模轉(zhuǎn)換器國(guó)產(chǎn)化的必要性、可行性、實(shí)施步驟和具體的國(guó)產(chǎn)化過(guò)程,并設(shè)計(jì)了測(cè)試程序保證了國(guó)產(chǎn)化板件的性能測(cè)試,通過(guò)某型數(shù)模轉(zhuǎn)換器的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)實(shí)踐證明,通過(guò)部分優(yōu)化、改進(jìn)設(shè)計(jì)和替代,是可實(shí)現(xiàn)某些電路板的國(guó)產(chǎn)化功能替代的,目前,該國(guó)產(chǎn)化電路板已通過(guò)鑒定并投入使用。通過(guò)本文的介紹,希望對(duì)從事國(guó)外產(chǎn)品尤其是飛機(jī)維修領(lǐng)域的從業(yè)者提供一種國(guó)產(chǎn)化替代的修理方法,能夠徹底解決國(guó)外產(chǎn)品采購(gòu)難、成本高、周期長(zhǎng)等難題,同時(shí),本文也提供了一種全部使用通用化、高集成化的元器件制造的在性能、功能上完全替代原板件的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的國(guó)產(chǎn)化方法。