使用高精度傳感器時(shí)，考慮外殼至關(guān)重要。在本文中，我們討論了傾角計(jì)子系統(tǒng)定制板設(shè)計(jì)中的機(jī)械設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

當(dāng)您設(shè)計(jì)具有高精度的系統(tǒng)時(shí)，機(jī)械設(shè)計(jì)有很多考慮因素。我最近設(shè)計(jì)了一個(gè)基于傾角計(jì)的定制 PCB，其精度非常高，以至于我需要設(shè)計(jì)一個(gè)沉重、穩(wěn)定的外殼來(lái)保護(hù)它收集的數(shù)據(jù)的完整性。

正如我在傾角計(jì)子系統(tǒng)概述中提到的，整個(gè)項(xiàng)目應(yīng)該允許 0.001° 的分辨率，這意味著如果板移動(dòng) 1 μm，傳感器就會(huì)拾取它。這意味著每次在支架中調(diào)整電路板時(shí)，您都需要對(duì)電路板進(jìn)行數(shù)字重新校準(zhǔn)。為了讓事情變得更容易，我決定將我的電路板固定在支架上，以減少對(duì)持續(xù)數(shù)字重新校準(zhǔn)的需求。

使用差動(dòng)驅(qū)動(dòng)螺釘手動(dòng)調(diào)整板

因?yàn)槲沂?Mark “Hard-way” Hughes，所以我決定添加一個(gè)手動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)。在支架的一端，我選擇了一種差速驅(qū)動(dòng)螺桿機(jī)構(gòu)。另一方面，我 在板架的另一端添加了兩個(gè)額外的 M3 拋光橡子螺母。這兩個(gè)不可調(diào)節(jié)的支腳用螺絲固定在電路板的底部，并成為與差動(dòng)螺釘相對(duì)的樞軸點(diǎn)。此外，這種安排允許對(duì)測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行一些調(diào)整。

PCB 支架、定位銷(xiāo)、PCB 和 PCB 夾具的分解圖

差動(dòng)螺釘機(jī)構(gòu)有兩個(gè)螺距略有不同的螺紋，它們同時(shí)圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)。它們的排列方式是，當(dāng)一個(gè)螺釘前進(jìn)時(shí)，另一個(gè)螺釘會(huì)后退。結(jié)果是一個(gè)復(fù)合螺釘，其有效螺距是原始兩個(gè)螺釘?shù)穆菥嘀睢?/p>

該視頻演示了通用差動(dòng)螺釘，而該視頻顯示了該項(xiàng)目中使用的 Thorlabs 差動(dòng)螺釘。

差速器螺絲的渲染。圖中的螺紋尺寸被夸大了。圖片由馬克休斯

這種差動(dòng)絲杠機(jī)構(gòu)可以通過(guò)多種方式進(jìn)行調(diào)整。旋轉(zhuǎn)粗略部分（如上圖藍(lán)色所示）提供粗略調(diào)整。旋轉(zhuǎn)微調(diào)部分（如上圖紅色所示）提供微調(diào)。旋轉(zhuǎn)中間部分（如上圖綠色所示）同時(shí)影響粗調(diào)和細(xì)調(diào)，提供微細(xì)（微分）調(diào)整。

如果您可以使用公司信用卡，則可以由您友好的鄰居機(jī)械師制造定制的差速器螺釘機(jī)構(gòu)。由于預(yù)算問(wèn)題，我選擇了由 Thorlabs 制造的25 μm/rev 差動(dòng)調(diào)節(jié)螺釘。

該機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)一整圈會(huì)使 PCB 支架末端的高度改變 25μm，但螺釘可以轉(zhuǎn)動(dòng)較小的量。

在這種差動(dòng)螺釘?shù)那闆r下，1 μm 對(duì)應(yīng)于大約 15° 的旋轉(zhuǎn)。雖然這不是一個(gè)理想的調(diào)整水平，但至少在合理范圍內(nèi)。而且，作為備份，我可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行數(shù)字校準(zhǔn)。

PCB 機(jī)械設(shè)計(jì)：減輕熱量和機(jī)械應(yīng)力

我們將一些機(jī)械設(shè)計(jì)考慮因素納入我們的 PCB 設(shè)計(jì)本身。

六個(gè) 3 毫米的槽口沿電路板的長(zhǎng)邊在中心 1 英寸處放置，這些槽口將與鋁制載體中的分度銷(xiāo)配合。PCB 由兩個(gè) 3 英寸長(zhǎng)的鋁制夾具固定在適當(dāng)?shù)奈恢茫@些夾具將通過(guò) M3x0.5 或 #4-40 硬件松散地固定在 PCB 上。

這種設(shè)計(jì)不是使用產(chǎn)生集中應(yīng)力點(diǎn)的固定安裝孔，而是允許在電路板的大面積上施加少量壓力，在固定它的同時(shí)允許平行于電路板平面的一些運(yùn)動(dòng)。

4 層 PCB疊層如上圖所示。深綠色是地網(wǎng)。紅色是 12V 網(wǎng)絡(luò)。三文魚(yú)是3V3網(wǎng)。淺綠色為2V5網(wǎng)。深藍(lán)色是 5V0 VRef 網(wǎng)絡(luò)。

該電路板中唯一具有數(shù)據(jù)表中規(guī)定的機(jī)械考慮因素的組件是 5V 電壓基準(zhǔn) U4，Linear 的LT1027LS8。

數(shù)據(jù)表指出“在參考電壓 IC 下方應(yīng)省略電源和接地層”，這相對(duì)容易通過(guò)布線(xiàn)保留來(lái)實(shí)現(xiàn)。更直接的關(guān)注??是“［切槽］通過(guò) PC 板的所有四個(gè)側(cè)面的指令。插槽應(yīng)盡可能長(zhǎng)，而拐角應(yīng)大到足以容納走線(xiàn)的布線(xiàn)。”

數(shù)據(jù)表中的圖 8顯示了建議使用的電路板切割模式。

這樣做是為了盡量減少參考電壓附近 PCB 上的任何機(jī)械應(yīng)力。濕度和溫度的變化會(huì)導(dǎo)致 PCB 收縮或拉伸，進(jìn)而會(huì)對(duì) LT1027LS8 封裝施加應(yīng)力。這些提議的切口減少了來(lái)自附近組件的任何熱傳導(dǎo)，并提供了機(jī)械應(yīng)力消除。

切口的寬度，有時(shí)稱(chēng)為“切口”，由 PCB 制造商的能力決定——在我的例子中，它是 1 毫米的下限。我選擇用一個(gè)小角度的浮雕來(lái)擴(kuò)展每個(gè)切口，以擴(kuò)展插槽并進(jìn)一步隔離組件。

通過(guò)更精細(xì)的設(shè)計(jì)可能會(huì)進(jìn)一步減輕壓力。如果您對(duì)此有任何建議，請(qǐng)?jiān)谙旅娴脑u(píng)論中告訴我，因?yàn)槲覜](méi)有就此設(shè)計(jì)咨詢(xún)機(jī)械工程師。

在 PCB 布局期間，切斷電源和接地層可能是一件危險(xiǎn)的事情。所有信號(hào)都會(huì)找到返回路徑，而中斷的接地層會(huì)使該路徑變得不可預(yù)測(cè)。

而且，為了與“Hard-way Hughes”范式保持一致，我應(yīng)該借此機(jī)會(huì)指出，傳感器提供比例輸出，ADC 參考輸入和傳感器電源輸入均由該電壓參考的輸出供電。比例意味著輸出與參考電壓成線(xiàn)性比例，因此參考電平的變化應(yīng)該同樣影響輸入和輸出。

因此，在開(kāi)始影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之前，電壓基準(zhǔn)可能會(huì)發(fā)生大幅漂移，因此對(duì)于本設(shè)計(jì)而言，納入數(shù)據(jù)表建議所需的額外工作可能在很大程度上是不必要的。

我很遺憾沒(méi)有在電壓基準(zhǔn)和 ADC 之間加入電壓跟隨器/緩沖器，特別是因?yàn)槲以诎迳嫌幸粋€(gè)有兩個(gè)可用通道的通道。我必須測(cè)試電路板，以確定沒(méi)有它的設(shè)計(jì)是否可以接受。

熱/應(yīng)力有限元分析的藝術(shù)印象

上述混合熱/應(yīng)力有限元分析的藝術(shù)印象說(shuō)明了電路板切口如何用于機(jī)械和熱隔離電路板的內(nèi)部部分與 IC 產(chǎn)生的熱量，以及施加到外部的一些理論壓力的董事會(huì)。電路板切口減少了施加到電壓基準(zhǔn) IC 占用的電路板區(qū)域的整體應(yīng)力。

PCB 本身沒(méi)有校準(zhǔn)開(kāi)關(guān)，因?yàn)榘聪滤鼈兛赡軙?huì)干擾電路板的對(duì)齊。相反，一個(gè) 20 針 0.5 英寸 FFC 將多條電容式觸摸線(xiàn)從微控制器連接到尚未設(shè)計(jì)的外部控制面板。數(shù)據(jù)將通過(guò) USB 到 UART 接口從板上獲取。

概括

在創(chuàng)建高精度模擬電路時(shí)，某些設(shè)備需要充分考慮以獲得最大性能。雖然我可能很容易忽略了最佳實(shí)踐或在此設(shè)計(jì)中忽略了一些制造商建議，但我盡一切努力將它們整合用于教育目的。