ДекаБитный ДвухГолов - Разработка и сборка третьего экземпляра частотника. (статья в процессе написания)

После разработки/пайки/сборки и успешной работы более полугода внедрённого в феврале 2020 экземпляра №2А частотника в токарном станке ИТ-1М - под влиянием мнений из интернетов пришлось рисовать схему и печатку №3.
   По причине накопленного опыта для экономии тающего ресурса мелкопроца Pic18Fx431 принято очередное волевое-авторитарное решение об изменении размерностей синтезатора:

  • Скорость вращения увеличить с 8 до 10 бит для уменьшения шага изменения частоты при высоких макс частотах
  • Адрес синуса и третьей гармоники уменьшить с 12 до 10 бит пара таблиц по 1/4 периода
  • Размах синуса 9 бит и прибавляемой на лету третьей гармоники 8 бит - размер каждой таблицы 256 байт
  • Итоговое разрешение синуса на максимальной амплитуде после добавки ~1/5 третьей гармоники ~10 бит
Это планируемое изменение размерностей даёт надежду экономии ПЗУ и быстродействия (достаточного для увеличения частоты вычислений компенсатора напряжения в 4 раза до ~1500 Гц и выделения фазного вычислителя из макроса в подпрограмму) при не существенном влиянии на различия фазного тока от требуемого. Освободившееся ПЗУ хочется израсходовать на текстовые строки, код запоминания серийников 1-Ware в ПЗУ, увеличение количества программ управления частотником.
   С целью обозначения компоновки корпуса №3 (вдвое увеличена площадь радиатора и место внутри корпуса с возможностью монтажа пары силовых модулей) и компоновки размерностей ПО - вводится собственное наименование: ДБДГ=ДекаБитный ДвухГолов, DBDH=DecaBit DoubleHead.
   Стоимость деталей в максимальной комплектации декабитного двухголовика не менее 7 тыр, в минимальной не менее 3 тыр.


  "Дай дураку карандаш ..."

Рисование схемы в КиКаде плавно перешло к схеме №3. В совокупности с мечтами об упрощении пайки конструёвины нарисовал всякие хотелки, в том числе гнездо Dip-40 для Pic18F4431. Возможно добавятся панели DIP-8 драйверов тормозного транзистора и транзистора повышающего стабилизатора DC - если хватит места.
   Ценовая замануха от JlcPcb оказалась действительной лишь до размера 100*100 мм, а печатка частотника с "кнопочками внизу экрана" и без отдельной изолирующей=крепёжной панели на прикидках имела размер существенно больший, приводящий к увеличению цены каждой печатки на ~500-700 руб.
   Мечты об упрощении пайки толкали на избавление от разъёма и шлейфа мозги-модуль. Ради этой затеи была перекроена компоновка корпуса с увеличением размера, предусмотрено место и контакты разъёма под разные варианты LCD экранов включая графический 128х64, предусмотрено место под 2 полюса диффавтомат=УЗО доступного с лицевой панели. Изолирующая панель со стоимостью текстолита около 50 руб была принята как неизбежное зло.
   Открытый КиКад показал себя достаточно своеобразным и недоделанным инструментом. Авторасстановка мелкоты откровенно замусоривает плату, автотрассировка всех дорожек схемы отсутствует. Попытка экспорта достаточно большой схемы в печатку приводит к каше из линий необходимых проводников. Результат годился лишь для оценочного размещения крупных компонентов на плате и выбора общей компоновки печатки.
   В качестве обходного пути перенёс большую часть схемы на созданный иерархический лист, который затем удалил (удаление листа из схемы не означает удаления файла, содержащего лист с возможностью повторной привязки файла к схеме в качестве содержимого создаваемого листа). Схема упростилась (временно и обратимо) - это позволило начать разводить проводники на модуле опторазвязки, от габарита которого зависит расположение остальных крупных компонентов.


  " ... он и лоб разрисует и глаз выколет".

С момента установки КиКада прошёл месяц. Схема №3 приобрела близкие к первой реализации черты . После 3-5 перерисовок платы с тренировкой овладения инструментом места оказалось примерно достаточно для размещения имеющихся хотелок.
   С учётом строго нулевой стоимости каждого дополнительного отверстия, посадочного места и контактной площадки в рамках 100*100 мм - поддался соблазну развести опциональные фрагменты схемы, детальки которых возможно не запаивать в печатку с утратой части функционала (часть кнопок, импульсная понижайка, опторазвязка, тормоз и прочее).
   615 контактных площадок, 605 узлов, 214 цепей разведено - таково состояние прожекта на момент отправки герберов в JlcPcb. 2119 сегментов дорожек, рисовавшихся от коротких к длинным и от важных к второстепенным. Для изменения схемы (например усилителя токового шунта) можно напаивать МГТФ, не впаивать детальки и пережигать дороги внутри 4 слоя платки.
   Увеличивающийся по мере привыкания к инструменту темп рисования обострил погоню за первым в лично моей жизни заказом фабричной печатки. Но спешка как обычно хороша при ловле блох и при "по роте".
   Заказ на 5 печаток стоимостью 1К2 руб с доставкой (цена за плату 100х100 чуть менее чем у макетки "слепыш" аналогичного размера в Чип&Дипе) был отправлен на JlcPcb и оплачен 04/09/2020, на "первый блин комом" без напайки компонентов.
   Состояние прожекта на 01/09/2020 в КиКаде можно поглядеть подробнее. На 13/09/2020 каталог печатки немного подрос в тч по причине наличия герберов, отправленных в производство и моих начальных попыток выгрузить файлы перечня и расположения компонент в формате JlcPcb.


  "Симулировать - надо чаще".

Благодаря помощи товарища TDM Lab в рисовании АЧХ усилителя токового шунта в симуляторе лично я получил мотивацию в очередной раз поставить FreeWare LTspice для получения АЧХ подавления синфазного сигнала с токового шунта, который может достигать +/- 5 вольт без отключения драйверов силовых ключей если верить например докам на драйвер IR21363 (параметр VSS Logic ground), брат-близнец которого предположительно находится внутри IRAM136-3063B если приглядеться к описаниям.
   С учётом 10 мОм типового шунта внутри силового модуля при 50А токе напряжение на шунте будет ~0.5V что в ~10 раз меньше амплитуды возможных синфазных наводок. При меньшем токе сигнал с шунта будет ещё более искажаться синфазной наводкой, по этой причине важно вход усилителя сигнала с датчика тока сделать дифференциальным с достаточным подавлением синфазного сигнала.
   Без симуляции лично я понимал необходимость максимальной симметричности сопротивлений цепей от шунта до ОУ и создания положительной подтяжки около +1 вольт по входам ОУ, но в голове складывалось с трудом. Схема многократно рисовалась на бумагах, затем в КиКаде, и в таком виде ушла в изготовление.
   После установки LTspice продублировал схему усилителя токового шунта и поглядел АЧХ при подаче синус напряжения +/- 1 вольт . Подавление синфазной помехи в симуляторе было всего около 8 дБ.
   После некоторых раздумий, подглядывания в гугеля и шпаргалку вики, в тч про дифф ОУ с дополнительным уравниванием сопротивлений плеч входов ОУ - получилось повысить подавление синфазного сигнала до более чем 80 дБ при требуемом усилении полезного сигнала шунта на ~12 дБ.
   Убирание лишних деталек из схемы - не сильно изменило (и не факт что ухудшило) подавление синфазного сигнала. Определение номиналов резисторов делителя (ООС регулировки усиления и смещения нуля) вполне решается - на 2 неизвестных есть ровно 2 уравнения. После возвращения подтяжки входов ОУ до +2.5 вольта схема приобрела вид, слегка похожий на прежний, отправленный в производство. При таком уровне подтяжки на шунте относительно A_Gnd могут быть разрешённые спецификацией драйверов +/- 5 вольт.
   Для точной компенсации погрешностей резисторов и ОУ надо 2 подстроечника - смещение нуля и симметрирование плеч. Для упрощения и повышения надёжности схемы возможно применение высокоточных SMD резисторов с малым дрейфом, которые можно напаять при изготовлении платы из ассортимента lcsc.com .
  

В качестве факультативного напримера пользы от диванно-теоретическо-беспаяльниковой проверки симулятором входящей инфы на вшивость - ретрансляция пятиконтурного полосового фильтра НЧ из книги Полякова в транскрипции Олега Занина RN1TO (ex UN8PBC), опубликованной на изобилующем рекламой и навязчивыми уведомителями сайте даёт вполне наглядные результаты , особенно с учётом слов: "... Фильтр НЧ изготовлен ..... и залит эпоксидным клеем ..... Изготовление фильтра довольно трудоемкое, но в конечном итоге оно того стоит, потратьте время и не пожалеете".
   В отличие от расчётов Полякова и Занина - проверка результатов калькулятора например полосовых фильтров Чебышева в симуляторе даёт вполне похожий на обещания результат.


  Монтаж деталей на первую версию платы, изготовленной на JlcPcb.

Примерно через месяц после оплаты заказа 4 слоя печатки были получены на почте.
   Малозаметное на схеме задвоение транзисторов Q8 и Q9, не выведение цепи измерения напряжения DC _47K на внешний разъём, не разведённый делитель около токового шунта, неразборчивость некоторых надписей шелкографии, возможность сблизить оптроны PC817 для использования DIP-16 гнезда, желательность добавки электролита 220 мкФ около разъёма силового модуля - найденные на 17/10/2020 недостатки.
   Керамические конденсаторы использованы Б/У из металлолома. Блокировочные конденсаторы 10 мкФ во многих местах заменены на 1 мкФ по причине большего доступного количества. Напайка диодов в корпусе SOD-523 в посадочные SOD-323 слюдяным паяльником 100 Вт оказалась вполне выполнимым делом при должной заточке медного обгораемого жала диаметром около 10 мм благодаря паяльной маске и обильному заводскому лужению печатки.
   Монтаж транзисторов SOT-23 в посадочные места заводской печатки существенно удобнее и быстрее монтажа таких же транзисторов в 4 смежные отверстия макетки. После некоторого монтажа деталей и тренировки есть надежда напаять SMD детали на следующую печатку за 2-4 часа.


  Первое включение печатной платы с экраном.

После напайки всех компонент, исправления печатки проводами и переназначения выводов в соответствии со схемой №3 интерфейс заработал. В гальваноразвязке входа АЦП желателен подбор резисторов для примерно единичного коэффициента передачи, укладывающегося в диапазон программной калибровки аналог датчика. Блокировочная керамика 1 мкФ перепаяна на 22 мкФ после разглядывания картины питания мелкопроца в развёртке по времени и частоте. Импульсная понижайка экономии тепловыделения линейного стаба показала автогенерацию с гистерезисом 0.5 вольта. Нагрев стабилизатора при потреблении подсветки LCD 0.1A и смещения токового шунта 25 мА и прочих потребителей примерно на 30 градусов от окружающей температуры, будет снижен при разнесении импульсного и линейного стаба по новой версии печатки.
   Перечень недочётов печатки подрос до 27 пунктов. Монтаж деталей в корпус затянулся, корпус слегка увеличен для умещения двух половин E70/33/32 феррит N87 магнитопровода стабилизирующей повышайки под двух полюсным автоматом в продуваемом отсеке.
   Размер продуваемого отсека увеличен с надеждой уместить синус-фильтр из трёх витых магнитопроводов трансформаторов тока с металлолома внутрь корпуса частотника.