Hamamatsu C7169 своими руками
Фирма "Hamamatsu" выпускает различное научное оборудование, в основном связанное со светом. В частности, она выпускает модули ФЭУ, где находится сам ФЭУ, предусилитель и высоковольтный источник питания. Для питания модуля и управления высоковольтным источником выпускается отдельный блок C7169. Стоит он немало, как и все научное оборудование. Разработать такой блок с нуля и изготовить его вручную обходится в несколько раз дешевле, чем купить готовый.
Один экземпляр фирменного блока все-таки был куплен, поэтому мне удалось заглянуть внутрь. Там установлен самый обычный импульсный преобразователь, который дает все необходимые напряжения. Регулировка опорного напряжения производится переменным резистором. Для индикации используется простейший цифровой вольтметр. Управление - только с передней панели, возможности компьютерного управления нет.
На этот раз заказчик попался богатый, вместо корпусов Kradex серии Z, которые я обычно использую, купил более дорогие корпуса G767 фирмы Gainta.
Хоть этот корпус дорогой и качественный, документация на него - как обычно. Не имея реального образца корпуса, спроектировать плату невозможно. Попробуйте по чертежу догадаться, какое межцентровое расстояние по вертикали у стоек для крепления платы. Или какая может быть максимальная ширина платы, чтобы она не упиралась в стойки, скрепляющие половинки корпуса. Вместо этого есть несколько бессмысленных размеров от края до края стоек. К счастью, эти корпуса сейчас свободно продаются на рынке, поэтому получилось быстро купить образец.
Печатные платы тоже сделаны по-богатому - на производстве. И даже с шелкографией.
Сборка готовых плат ничего интересного из себя не представляет. Из механики на основной плате есть разве что радиатор, на котором должны быть закреплены стабилизаторы +5, -15 и +15 В.
Два стабилизатора надо изолировать от радиатора. Рассеиваемая мощность здесь небольшая, поэтому применяю эластичные прокладки. Проблема возникла со стабилизатором LM337. У него фланец оказался настолько тонким, что втулка не могла его прижать.
Пришлось втулку подрезать скальпелем.
Чтобы выровнять все винты, для первого стабилизатора, где нет изолирующей втулки, подложил шайбу Джеймсона Гровера. Весь набор крепежа показан на фото ниже.
Так выглядят установленные на радиатор стабилизаторы:
Длина винтов оказалась оптимальной, сзади они практически не выступают.
Плата собрана. Довольно дико выглядят два сетевых трансформатора, но так сделано по той причине, что трансформаторы с тремя вторичными обмотками сложно купить. Хотя это очень распространенная ситуация, когда в устройстве надо что-то типа ±15 В (или ±12 В) и +5 В. В свое время, когда я работал на фирме, занимающейся электроникой, даже заказывали свой такой трансформатор ТПГ-121, который получил индекс -766.
Плата передней панели чуть веселее. Там снова надо решить задачу согласования по высоте органов управления и индикации. Светодиодные индикаторы довольно низкие, поэтому энкодер не впаиваю в плату, а креплю к плате гайкой.
Для энкодера сделана своя небольшая платка, благо, у промышленных плат есть фрезеровка контура, нет проблем заказать плату любой формы.
Две платы соединяется между собой с помощью 4-контактного разъема.
В качестве разъема использовал стандартные штырьки PLS и низкую розетку PBS. Штырьки в такую розетку полностью не входят, но это не проблема, пластмасса на штырьках просто сдвигается вниз. На фото исходные штырьки, они же, вставленные в разъем (видно, что пластмасса до разъема не доходит), и штырьки со сдвинутой пластиковой перемычкой.
Тактовая кнопка и колпачок без каких-либо переделок. Светодиод впаивается на нужную высоту. В ручку энкодера пришлось сделать пластиковую вставку толщиной 2 мм, чтобы ручка не садилась слишком глубоко. В результате все компоненты оказались согласованными по высоте.
Электрически прибор довольно примитивный. Стабилизаторы ±15 В типовые. Канал регулируемого опорного напряжения сделан на ATmega88, напряжение формируется с помощью ШИМ. Дальше ШИМ привязывается к опорному напряжению, которое формируется с помощью REF192. Дальше сигнал фильтруется, нормируется по уровню и через буфер на ОУ поступает на выход.
На плате аналоговая часть выглядит так:
По поводу фильтрации ШИМ я здесь уже писал. Сигнал ШИМ - очень широкополосный. Активный фильтр способен эффективно фильтровать сигнал лишь в рабочей полосе частот выбранного ОУ. На более высоких частотах ОУ превращается в пустышку, и подавление будет определяться только пассивными компонентами. С этой точки зрения структура фильтра MBF превосходит структуру Sallen-Key:
Для улучшения подавления на высоких частотах иногда на выходе активного фильтра включают пассивный ФНЧ. Но ухудшение фильтрации - это еще полбеды. За пределами рабочей полосы ОУ можно легко получить ситуацию, когда входной каскад ОУ окажется перегруженным компонентами ШИМ-сигнала. Это может привести к появлению неконтролируемого постоянного смещения на выходе ОУ. А этого допустить нельзя, так как это приведет к ошибке установки напряжения. Поэтому при фильтрации ШИМ всегда надо делать первый каскад фильтра пассивным. Можно просто включить любую RC-цепочку, а можно согласованную с дальнейшим фильтром, тогда на одном ОУ получим фильтр 3-го порядка. Такие фильтры не любой софт способен рассчитать, простой online-калькулятор есть здесь.
Возникает вопрос выбора типа фильтра. В данном случае требования к фильтру весьма просты: снизить пульсации (скажем, до уровня порядка 1 мВ и ниже), иметь разумное время установления (порядка сотен мс), ну и желательно не иметь выбросов. Частота среза здесь не важна. Чаще всего в подобных ситуациях используют фильтры Баттерворта. Я попробовал смоделировать три разных фильтра - Баттерворта, Бесселя и еще "народный" фильтр с одинаковыми номиналами R и C, который имеет добротность 0.5. Причем я сравнивал фильтры с разными частотами среза, какие получались при емкости самого большого конденсатора в них 100 нФ.
Видно, что крутизна спада АЧХ в полосе заграждения примерно одинаковая и соответствует 3-му порядку. Разная только переходная зона. Если посмотреть отклик на импульсный сигнал, у первых двух фильтров есть выброс, а у фильтра с самой низкой добротностью его нет. Предпочтение отдал именно такому фильтру. Тем более, у него все конденсаторы одинаковые, не надо при монтаже лазать по разным коробкам.
По поводу конденсаторов в фильтре надо сделать еще одно замечание - у керамических наблюдается значительный микрофонный эффект. Как минимум, надо ставить керамику получше, я поставил X7R. Еще лучше поставить танталовые конденсаторы, у которых микрофонный эффект практически отсутствует.
Еще критичными компонентами являются резисторы делителя напряжения R42 - R44. Эти компоненты влияют на температурный коэффициент выходного напряжения, желательно использовать тонкопленочные постоянные резисторы и проволочный подстроечный.
В последнее время очень редко приходится готовить платы для производства - никто не в состоянии это оплачивать. Но в этот раз пришлось. Это очень большая ответственность, так как в случае ошибки деньги окажутся потраченными впустую. Поэтому я проверял плату пять раз, максимально сосредоточившись. Но когда средоточусь, словно кто-то забирает мозг. В условиях повышенной ответственности начинаю делать всякие глупости. На этой плате небывалое количество косяков по сравнению с платами для ручного изготовления, которые проектируются тяп-ляп. Первое, что заметил сразу после получения платы, это дорожку под радиатором. Хорошо, что она земляная, сам радиатор тоже сидит на земле. Но отодвинуть надо было. При монтаже намучился, зазор у полигона выставлен слишком маленьким, паять тяжело. Компоненты не оптимизированы для пайки - часть вертикально, часть горизонтально. Хотя легко можно было упорядочить. Но самый эпический косяк вылез при попытке все это включить. Подключил программатор, пытаюсь шить. В результате ATmega88 - труп, думаю, зашился фуз запрещения ножки RST. Чип в корзину, паяю новый, без передней панели программируется. Подключаю переднюю панель - начинаются самые невообразимые глюки. Оказалось, разъемы на основной плате и плате панели разведены совершенно по-разному! При разводке я поменял порядок сигналов на разъеме панели, а подписи поменять забыл. Потом этот разъем с подписями скопипастил на основную плату, ну и развел согласно подписям. Нет такой системы сквозного проектирования, где не мог бы навредить человек. К счастью, ошибка не оказалась фатальной - в плоском кабеле возле передней панели просто перетасовал провода.
Дальше - сборка. Для передней панели изготовил этикетки в фирме fotoprint.by на металлизированном полиэстере. У них два недостатка: боятся жирных отпечатков пальцев (остаются пятна) и при наклейке проявляют мельчайшую пыль. Клеить пришлось в ванной, промывая стекло водой непосредственно перед приклейкой. Иначе оно электризуется и тянет всякую пыль. Не знаю, может снова стоит вернуться на этикетки ПВХ с ламинацией. Разрешение у них хуже, зато стойкость за счет ламината намного выше и клеить их проще - они толще, пыль не чувствуют.
Сами панели штатные не использую. Новые вырезаны лазером из прозрачного оргстекла толщиной 2 мм. Окно для LED-индикаторов сзади заклеиваю пленкой для тонировки автомобильных стекол.
Плату передней панели решил крепить на приклеенных пластиковых стойках. Сначала хотел нарезать в панели резьбу, взять капроновые резьбовые стойки, ввернуть и обрезать выступающую часть. Но под такой тонкой этикеткой эти места будут заметны. Для изготовления стоек высотой ровно 8 мм сделал специальную оснастку. Стойки делаю из ненужных стоек от корпусов серии Z.
Первым делом стойки прикручиваются саморезами к плате.
Чтобы центрировать ручку энкодера в отверстии передней панели, в зазор ввожу полоску бумаги от перфокарты.
Теперь у платы остается только одна степень свободы - она может поворачиваться вокруг оси энкодера. Чтобы приклеить плату ровно, контролирую расстояние до края панели с помощью плитки толщиной 9 мм. Для склейки использую дихлорэтан. С ним предпочитаю не работать, но в данном случае это самый прочный вариант.
Задняя панель без особых изысков. В разъеме сетевого провода раззенковал отверстия для потайных винтов. Клемма заземления - простая винтовая.
Дальше - внутренний монтаж.
Для управления по USB написал DLL, а также простейшую тестовую программку.
Все, устройство готово. Посмотреть все файлы проекта можно тут.
