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如何设计定制PCB支架

Mark Hughes 2019-04-11

使用高精度传感器时,考虑外壳至关重要。在本文中,我们将讨论在测斜仪子系统的定制电路板设计中的机械设计考虑因素。Yqi电子头条

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当您设计具有高精度的系统时,机械设计有许多注意事项。我最近设计了一个基于倾角仪的定制PCB,其精度非常高,我需要设计一个沉重,稳定的外壳,以保护其收集的数据的完整性。Yqi电子头条

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正如我在测斜仪子系统概述中所提到的,整个项目应该允许0.001°的分辨率,这意味着如果电路板移动了1μm,传感器将拾取它。这意味着每次在电路板上调整电路板时,您都需要对电路板进行数字重新校准。为了方便起见,我决定将我的电路板固定在支架上,以减少对恒定数字重新校准的需求。Yqi电子头条

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上面显示的是在初步测试期间保持在铝测试夹具中的组装板。Yqi电子头条

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请查看以下链接,了解有关精密测斜仪项目系列的更多信息。本文特指PCB布局文章。Yqi电子头条

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•如何在定制PCB上设计精确的倾角仪  (完整项目概述)Yqi电子头条

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•原理图设计Yqi电子头条

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•PCB布局Yqi电子头条

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•固件设计Yqi电子头条

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使用差动驱动螺丝进行手动调节板Yqi电子头条

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因为我是Mark“Hard-way”Hughes,所以我决定添加一个手动调整系统。在支架的一端,我选择了差动驱动螺杆机构。另一方面,我 在电路板支架的另一端增加了两个M3抛光  橡子螺母。这两个不可调节的支脚拧到板的下侧,成为与差动螺钉相对的枢轴点。此外,这种安排允许进行一些调整以测试项目。Yqi电子头条

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PCB支架,定位销,PCB和PCB夹具的分解图Yqi电子头条

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差动螺旋机构具有两个略微不同的螺距螺纹,它们同时围绕中心轴旋转。它们的布置使得当一个螺钉前进时,另一个螺钉后退。结果是复合螺钉,其有效螺距是原始两个螺钉的螺距差。Yqi电子头条

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此视频演示了一个通用差动螺钉,而此视频显示了此项目中使用的Thorlabs差动螺钉。Yqi电子头条

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差动螺钉的渲染。在该图中夸大了螺纹尺寸。图片来自Mark HughesYqi电子头条

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这种差动螺杆机构可以多种方式调节。旋转粗糙部分(上面的蓝色显示)可以进行粗略调整。旋转精细部件(上面的红色显示)可进行微调。旋转中间部分(上面以绿色显示)同时影响粗糙和精细,提供微细(差异)调整。 Yqi电子头条

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如果您可以使用公司信用卡,您的友好邻居机械师可以制造定制差动螺丝机构。由于预算问题,我选择了Thorlabs生产的25μm/ rev差动调节螺丝。Yqi电子头条

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该机构的一次完整旋转将PCB支架末端的高度改变25μm,但螺钉可以转动较小的量。 Yqi电子头条

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在该差动螺钉的情况下,1μm对应于大约15°的旋转。虽然这不是一个理想的调整水平,但它至少在合理范围内。而且,作为备份,我能够以数字方式校准设备。Yqi电子头条

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PCB机械设计:减轻热量和机械应力Yqi电子头条

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我们在PCB设计中加入了一些机械设计考虑因素。Yqi电子头条

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沿着电路板的长边中心放置1英寸的6个3mm槽口,它们将与铝载体中的分度销配合。PCB由两个3英寸长的铝制夹紧固定,使用M3x0.5或#4-40硬件松散地固定在PCB上。 Yqi电子头条

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这种设计不是使用产生集中应力点的固定安装孔,而是允许在板的大面积上施加少量压力,固定它,同时允许一些平行于板平面的移动。Yqi电子头条

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上面显示的4层PCB 叠层。Yqi电子头条

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该电路板中唯一具有机械考虑因素的电路板组件是5V电压基准U4,Linear的LT1027LS8。Yqi电子头条

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数据表显示“电压参考IC下应省略电源和接地层”,这在路由禁止时相对容易实现。更直接关注的是通过PC板在所有四个方面“切槽”的指令。插槽应该尽可能长,并且角落足够大以容纳迹线的布线。“Yqi电子头条

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数据表中的图8 显示了要使用的建议板切割模式。  Yqi电子头条

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这样做是为了最小化电压参考附近PCB上的任何机械应力。湿度和温度的变化会导致PCB收缩或拉伸,从而对LT1027LS8封装产生应力。这些提出的切口减少了来自附近部件的热量的任何热传导,并且提供了机械应力消除。Yqi电子头条

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切口的宽度(有时称为“切口”)由PCB制造商的能力决定 - 在我的情况下,其下限为1 mm。我选择用一个小角度浮雕延伸每个切口以延伸槽并进一步隔离组件。Yqi电子头条

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通过更精细的设计可以进一步减轻压力。如果您对此有任何建议,请在下面的评论中告诉我,因为我没有咨询机械工程师进行此设计。Yqi电子头条

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在PCB布局期间,切割电源和接地层可能是一件危险的事情。所有信号都会找到返回路径,而中断的地平面会使该路径无法预测。  Yqi电子头条

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并且,为了与“Hard-way Hughes”范例保持一致,我应该借此机会注意到传感器提供比例输出,ADC参考输入和传感器功率输入均由此参考电压的输出提供。比例意味着输出与参考电压成线性比例,因此参考电平的变化应该同等地影响输入和输出。Yqi电子头条

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因此,在电压参考开始影响数据转换之前,电压基准可能会大幅度漂移,因此,对于此设计而言,整合数据表建议所需的额外工作可能是非常必要的。Yqi电子头条

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我很遗憾没有在电压基准和ADC之间加入电压跟随器/缓冲器,特别是因为我在电路板上有一个带有两个可用通道的电压跟随器/缓冲器。我将不得不测试电路板以确定设计是否在没有它的情况下可以接受。Yqi电子头条

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热/应力有限元分析的艺术印象Yqi电子头条

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以上对混合热/应力有限元分析的艺术印象说明了板切口如何用于将板的内部部分与IC产生的热量机械地和热地隔离,以及施加到外侧的一些理论压力。董事会。电路板切口减小了施加到电压参考IC所占电路板区域的总应力。Yqi电子头条

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PCB本身没有校准开关,因为按下它们可能会干扰电路板的对齐。相反,20引脚0.5“FFC将微控制器的多条电容式触摸线连接到尚未设计的外部控制面板。数据将通过USB至UART接口从电路板获取。Yqi电子头条

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摘要Yqi电子头条

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在创建高精度模拟电路时,某些器件需要考虑最大性能。虽然我可能很容易忽略最佳实践或忽略了本设计中的一些制造商建议,但我尽一切努力将它们集成用于教育目的。Yqi电子头条