Недавно случайно зашел на сайт фирмы «Амперка» (в стиле «мы пошли искать запчасти для экскаватора и, естественно, оказались на порно сайте») и вспомнил, как я однажды осуществлял нелицеприятный разбор их модуля индикации. Решил посмотреть, как с данным модулем обстоят дела в настоящий момент и с изумлением обнаружил, что для реализации теперь предлагают совсем другой девайс (внутренне другой, снаружи точно такой же, хотя и не совсем), к которому нет претензий в части функционирования. Не знаю, что послужило причиной переработки, льщу себя надеждой на то, что это были мои замечания.
Мне бы погордится и идти себе на другие сайты, но взгляд остановился на схеме нового модуля и возникла мысль, что данное устройство может быть поучительно в плане разработки. Так и есть, желающие ознакомиться с некоторыми несложными соображениями на этот счет могут нажать кнопку.
Итак, мы начинаем разбор. На модуле amperka.ru/product/troyka-quad-display (ссылка на схему) установлены сдвиговые регистры, информация в которые записывается последовательным кодом (данные плюс строб, можно через бит-банд, можно через интерфейс) и фиксируется на выходах третьим сигналом, все понятно. Но на модуле есть еще две микросхемки, на которых реализован тактовый генератор и дешифратор на два выхода (так можно назвать инвертор). Скорее всего, первоначально модуль планировался на одиночных семи-сегментных индикаторах типа KCSA04, о чем свидетельствует надпись на схеме, но потом был переделан на счетверенный индикатор со сдвоенным управлением. И действительно, выходы сдвиговых регистров попарно мультиплексируются посредством управления выходным буфером микросхемы. Одновременно один из выводов дешифратора возбуждает анод соответствующего включенному регистру индикатора — динамическая индикация с двумя фазами.
Рассмотрим вопрос, зачем это было сделано. Для начала спросим себя, сколько стоит микросхема сдвигового регистра 4095. Вроде бы ответ очевиден — заходим на сайт продавца (пусть это будет Платан, у меня с ним связаны многочисленные воспоминания, я туда приходил еще на четвертый или пятый этаж в здании через проспект от метро, вот как давно это было), набираем наименование компонента в поиска и видим ответ — 11 рублей (далее я буду опускать обозначение денежной единицы) в опте (мы ведь не собираемся делать одну плату). Пока оставим в стороне возможность поискать у других поставщиков и считаем, что 11 — это и есть цена микросхемы?
Предыдущий ответ верен только в том весьма маловероятном случае, когда мы приобретаем мсх оптом для последующей перепродажи в розницу. Если же мы собираемся использовать мсх для производства печатных плат, то мы должны рассматривать стоимость владения, что в данном конкретном случае приводит к необходимости учитывать стоимость фрагмента печатной платы для размещения мсх и стоимость ее монтажа на плату.
С первым показателем нет однозначности — часто (как в данном случае) размеры и геометрия платы определяются привходящими обстоятельствами и напрямую со схемной реализацией не связаны. Тем не менее, в общем случае такая связь может иметь место и забывать совершенно про данную составляющую не стоит.
Теперь второй часть затрат — быстрый поиск дает 0.5 за СМД пайку и 1 за выводную. Я еще помню времена, когда стоимость пайки составляла 0.3, но тогда и доллар был совсем другим.
В общем, казалось бы, как может курс валюты иностранного государства влиять на цены внутри РФ, но корреляцию можно установить и она однозначна. Некоторые наблюдатели даже идут дальше и делают смелые выводы о связи внутренних цен с мировыми ценами на некоторые виды энергоносителей, но нам надлежит с негодованием отвергнуть эти гнусные инсинуации, ведь настоящему патриоту должно быть понятно, что уровень благосостояния россиян зависит исключительно от мудрости и прозорливости руководства страны, выражаемой в «постоянной заботе партии и правительства во главе с лично дорогим Леонидом Ильичем ...» — это я вчера телевизор случайно включил.
Но вернемся к нашим расчетам и попробуем верифицировать обнаруженные показатели. Если пайка двухвыводного СМД компонента стоит 1, и количество монтируемых компонентов составит 3 в минуту (у нас не автоматическая линия и даже не полу-автомат), то при количестве рабочих дней в среднем месяце 21*8 = 168 часов*60 = 10080 минут*3 = 30240 компонентов*1 = 30240 рублей. На такую сумму будет произведено работ нашим условным монтажником. Из них он получит на руки 30240/1.2 = 25200/1.4 = 18000/1.13 = 15930 рублей в месяц, на мой взгляд, совсем немного. И это оценку сверху, мы ведь не учли постоянные издержки на организацию производства, стоимость расходников, оборудования и «прибавочную стоимость, присваиваемую капиталистом, благодаря частной собственности на средства производства» (что то сегодня прямо всплывают в памяти подобные формулировки). С другой стороны, три компонента в минуту — это я просто для определенности взял, если интенсивность более высокая, то и итоговая цифра меняется соответственно. Тем не менее, не хотел бы я зарабатывать себе на жизнь монтажом печатных плат.
При данных расценках стоимость монтажа четырех индикаторов типа KCSA04 составит 8 (на самом деле семи-сегментными они только называются)+1=9 ->14*4=64*0.5(СМД)=32. В то же время реально устанавливаемый индикатор типа CA04-41 потребует 8+2=10->10*2=20*1(выводной)=20, что уже лучше, чем 32. А если перейти к индикатору типа CA56-12, то получим 8+4=12->12*1=12, что приводит к экономии в 20 рублей при улучшении качества (мелочь, а приятно). Забавно, что разница стоимости двух последних индикаторов составляет ровно 8 рублей, так что с учетом пайки их стоимость сравнивается (совпадение… не думаю). Да, в этом случае нам придется ставить дешифратор на 4 и добавлять два транзистора в цепи возбуждения, но даже такое изменение схемы может оказаться приемлемым, хотя есть вариант намного лучше.
Обратим внимание еще и на выравнивающие резисторы в цепях сегментов. На первый взгляд, их количество также можно сократить с 4*8=32 до 2*8=16, соединив попарно выходы регистров и поставив резисторы после точки объединения. Зачем это делать — если экономия 16 при сохранении качества не представляет для Вас интереса, то Вам не стоит заниматься производством электроники. Но следует обратить внимание на последнее условие и в данном конкретном случае не все так просто. Если мы соединим напрямую выходы мсх, то в момент переключения возможны сквозные токи, что не приветствуется, так что пока воздержимся от уменьшения количества резисторов.
Номинал резисторов в 0.510 кОм следует признать приемлемым, хотя надо отметить возможность существенной девиации светимости при данной схеме включения. Действительно, прямое падение на светодиоде при токе в 20 мА составит от 2.0 до 2.5 В (в таблице дают значения от 2.1 до 2.4 и здесь же примечание о точности 0.1 — а я и не знал, что так можно) и ток при напряжении 1.5В будет не более 0.1мА.
Пнп: вообще то, последняя цифра весьма спорная, поскольку взята из графика, но никаких других данных нам не представлено, от слова совсем, если не считать утверждения об обратном токе при напряжении в -5 вольт, а это совсем не то. Можно, конечно, взять универсальное значение в 0 мА при напряжении 0 В, и мы точно не ошибемся, но погрешность расчетов возрастет, поэтому лучше брать более точные значения, которые выглядят правдоподобно.
Приведенных данных явно недостаточно для того, чтобы точно построить ВАХ сегмента светодиода графики не в счет), но вполне можно построить область нахождения возможных характеристик при некоторых правдоподобных предположениях, в частности о не уменьшении дифференциального сопротивления при увеличении напряжения на приборе. Приняв некоторые упрощения, получим что разброс токов через сегменты может составить при напряжении питания 3.3В от (3.3-2.5)/0.5=1.4 мА до (3.3-2.0)/0.5=2.6 мА или почти два раза. Для напряжения питания 5В картина улучшается — ток меняется от 5мА до 6мА, что не удивит тех моих читателей, которые читали мой пост о выборе параметров питающей цепи светодиода. При оценке разности светимости следует также учесть и возможную асимметрию в генераторе возбуждающих сигналов, которую можно оценить процентов в 30 максимум. В общем и целом для бытовых задач приемлемо, но далеко не идеально.
Пнп: вообще то не очень понятно, зачем весь этот сыр-бор относительно равенства тока через сегменты, если в самом начале дата на индикатор указан возможный разброс интенсивности свечения в 4+ раз (от 3000 до 13000 микроканделл при 10 мА), что превосходит все возможные вариации тока, наверное, это просто привычка стараться делать хорошо.
Продолжим разговор о возможных вариантах схемотехники. Если мы перейдем на мультиплексированный индикатор с 4 входами возбуждения, то можно рассмотреть отказ от регистров и генератора и все это заменить недорогим МК (кандидаты на эту роль STM8, MSP430 или Padauk). Основные требования к контроллеру: 1) количество выводов общего назначения 8+4+3=15, 2) ток нуля не менее 6 мА, 3) ток на мсх — не менее 48 мА, 4) желателен таймер, 5) желателен SPI, 6) желательно внешнее прерывание. Все три кандидата указанным требованиям удовлетворяют.
Далее будем руководствоваться данными с сайта Платан, Вы можете взять привычную Вам фирму, нас интересует не абсолютные значения (тут с КНР соревноваться невозможно), а относительные. Итак, мы меняем 4 регистра по 11 на МК за 48 и получаем 4*11=44<48 и выгоды никакой. Но стоит нам учесть стоимость монтажа и картина меняется 4*(11+8)=76>1*(48+10)=58 (-18). А дальше мы учитываем, что убрали 2 корпуса сдвоенного ТШ 2*(5+3)=16(-16) и количество резисторов снизили с 32 до 8 (-24), так что с учетом экономии на пайке индикатора имеем 20+18+16+24=78. Из получившейся экономии придется вычесть два дополнительных транзистора 2*(3+2)=10, но можно к ней прибавить обвязку генератора 2*(0+1)=2, получая 78-10+2=70, более 10% отпускной цены.
Но нам следует учесть необходимость заливки программы в МК перед пайкой и не забудем, что эту программу еще надо разработать. Первую часть можно оценить в 2 минуты работы монтажника, что в наших цифрах дает 6. Ну а разработка программы займет не менее (но и не более) двух часов программиста, что можно оценить в 60*1.13*1.42*1.2/168*2=1400, отобьется на первых 20 экземплярах устройства. Аккуратной разработкой можно еще сделать плату односторонней, а это снижение цены с 36 до 18 при наших размерах.
В заключение попробуем «на пальцах» прикинуть стоимость подобного модуля в мелкой серии:
Плата (285/8) 36, индикатор (165+12) 177, МК (48+10) 58, резисторы (8*1) 8, транзисторы 4*(7+2) 036, разъемы 4*(0,5+1,5) 8, конденсаторы 2*(1+1) 2. Итого себестоимость модуля составит 325. Прибавьте накладные расходы, прибыль изготовителя, и отпускная цена в 690 не покажется чрезмерной. По крайне мере один экземпляр для себя Вы точно дешевле не сделаете, хотя и дороже он не получится, так что этот пост не ругательный и не рекламный, а довольно-таки нейтральный.
Мне бы погордится и идти себе на другие сайты, но взгляд остановился на схеме нового модуля и возникла мысль, что данное устройство может быть поучительно в плане разработки. Так и есть, желающие ознакомиться с некоторыми несложными соображениями на этот счет могут нажать кнопку.
Рассматриваем исходную схему
Итак, мы начинаем разбор. На модуле amperka.ru/product/troyka-quad-display (ссылка на схему) установлены сдвиговые регистры, информация в которые записывается последовательным кодом (данные плюс строб, можно через бит-банд, можно через интерфейс) и фиксируется на выходах третьим сигналом, все понятно. Но на модуле есть еще две микросхемки, на которых реализован тактовый генератор и дешифратор на два выхода (так можно назвать инвертор). Скорее всего, первоначально модуль планировался на одиночных семи-сегментных индикаторах типа KCSA04, о чем свидетельствует надпись на схеме, но потом был переделан на счетверенный индикатор со сдвоенным управлением. И действительно, выходы сдвиговых регистров попарно мультиплексируются посредством управления выходным буфером микросхемы. Одновременно один из выводов дешифратора возбуждает анод соответствующего включенному регистру индикатора — динамическая индикация с двумя фазами.
Почему именно так?
Рассмотрим вопрос, зачем это было сделано. Для начала спросим себя, сколько стоит микросхема сдвигового регистра 4095. Вроде бы ответ очевиден — заходим на сайт продавца (пусть это будет Платан, у меня с ним связаны многочисленные воспоминания, я туда приходил еще на четвертый или пятый этаж в здании через проспект от метро, вот как давно это было), набираем наименование компонента в поиска и видим ответ — 11 рублей (далее я буду опускать обозначение денежной единицы) в опте (мы ведь не собираемся делать одну плату). Пока оставим в стороне возможность поискать у других поставщиков и считаем, что 11 — это и есть цена микросхемы?
Особенность стоимости микросхем
Предыдущий ответ верен только в том весьма маловероятном случае, когда мы приобретаем мсх оптом для последующей перепродажи в розницу. Если же мы собираемся использовать мсх для производства печатных плат, то мы должны рассматривать стоимость владения, что в данном конкретном случае приводит к необходимости учитывать стоимость фрагмента печатной платы для размещения мсх и стоимость ее монтажа на плату.
С первым показателем нет однозначности — часто (как в данном случае) размеры и геометрия платы определяются привходящими обстоятельствами и напрямую со схемной реализацией не связаны. Тем не менее, в общем случае такая связь может иметь место и забывать совершенно про данную составляющую не стоит.
Теперь второй часть затрат — быстрый поиск дает 0.5 за СМД пайку и 1 за выводную. Я еще помню времена, когда стоимость пайки составляла 0.3, но тогда и доллар был совсем другим.
Сарказм на полях поста:
В общем, казалось бы, как может курс валюты иностранного государства влиять на цены внутри РФ, но корреляцию можно установить и она однозначна. Некоторые наблюдатели даже идут дальше и делают смелые выводы о связи внутренних цен с мировыми ценами на некоторые виды энергоносителей, но нам надлежит с негодованием отвергнуть эти гнусные инсинуации, ведь настоящему патриоту должно быть понятно, что уровень благосостояния россиян зависит исключительно от мудрости и прозорливости руководства страны, выражаемой в «постоянной заботе партии и правительства во главе с лично дорогим Леонидом Ильичем ...» — это я вчера телевизор случайно включил.
Отвлечемся и прикинем: 50 копеек — это много или мало?
Но вернемся к нашим расчетам и попробуем верифицировать обнаруженные показатели. Если пайка двухвыводного СМД компонента стоит 1, и количество монтируемых компонентов составит 3 в минуту (у нас не автоматическая линия и даже не полу-автомат), то при количестве рабочих дней в среднем месяце 21*8 = 168 часов*60 = 10080 минут*3 = 30240 компонентов*1 = 30240 рублей. На такую сумму будет произведено работ нашим условным монтажником. Из них он получит на руки 30240/1.2 = 25200/1.4 = 18000/1.13 = 15930 рублей в месяц, на мой взгляд, совсем немного. И это оценку сверху, мы ведь не учли постоянные издержки на организацию производства, стоимость расходников, оборудования и «прибавочную стоимость, присваиваемую капиталистом, благодаря частной собственности на средства производства» (что то сегодня прямо всплывают в памяти подобные формулировки). С другой стороны, три компонента в минуту — это я просто для определенности взял, если интенсивность более высокая, то и итоговая цифра меняется соответственно. Тем не менее, не хотел бы я зарабатывать себе на жизнь монтажом печатных плат.
Считаем дальше.
При данных расценках стоимость монтажа четырех индикаторов типа KCSA04 составит 8 (на самом деле семи-сегментными они только называются)+1=9 ->14*4=64*0.5(СМД)=32. В то же время реально устанавливаемый индикатор типа CA04-41 потребует 8+2=10->10*2=20*1(выводной)=20, что уже лучше, чем 32. А если перейти к индикатору типа CA56-12, то получим 8+4=12->12*1=12, что приводит к экономии в 20 рублей при улучшении качества (мелочь, а приятно). Забавно, что разница стоимости двух последних индикаторов составляет ровно 8 рублей, так что с учетом пайки их стоимость сравнивается (совпадение… не думаю). Да, в этом случае нам придется ставить дешифратор на 4 и добавлять два транзистора в цепи возбуждения, но даже такое изменение схемы может оказаться приемлемым, хотя есть вариант намного лучше.
Обратим внимание еще и на выравнивающие резисторы в цепях сегментов. На первый взгляд, их количество также можно сократить с 4*8=32 до 2*8=16, соединив попарно выходы регистров и поставив резисторы после точки объединения. Зачем это делать — если экономия 16 при сохранении качества не представляет для Вас интереса, то Вам не стоит заниматься производством электроники. Но следует обратить внимание на последнее условие и в данном конкретном случае не все так просто. Если мы соединим напрямую выходы мсх, то в момент переключения возможны сквозные токи, что не приветствуется, так что пока воздержимся от уменьшения количества резисторов.
Немного о резисторах
Номинал резисторов в 0.510 кОм следует признать приемлемым, хотя надо отметить возможность существенной девиации светимости при данной схеме включения. Действительно, прямое падение на светодиоде при токе в 20 мА составит от 2.0 до 2.5 В (в таблице дают значения от 2.1 до 2.4 и здесь же примечание о точности 0.1 — а я и не знал, что так можно) и ток при напряжении 1.5В будет не более 0.1мА.
Пнп: вообще то, последняя цифра весьма спорная, поскольку взята из графика, но никаких других данных нам не представлено, от слова совсем, если не считать утверждения об обратном токе при напряжении в -5 вольт, а это совсем не то. Можно, конечно, взять универсальное значение в 0 мА при напряжении 0 В, и мы точно не ошибемся, но погрешность расчетов возрастет, поэтому лучше брать более точные значения, которые выглядят правдоподобно.
Приведенных данных явно недостаточно для того, чтобы точно построить ВАХ сегмента светодиода графики не в счет), но вполне можно построить область нахождения возможных характеристик при некоторых правдоподобных предположениях, в частности о не уменьшении дифференциального сопротивления при увеличении напряжения на приборе. Приняв некоторые упрощения, получим что разброс токов через сегменты может составить при напряжении питания 3.3В от (3.3-2.5)/0.5=1.4 мА до (3.3-2.0)/0.5=2.6 мА или почти два раза. Для напряжения питания 5В картина улучшается — ток меняется от 5мА до 6мА, что не удивит тех моих читателей, которые читали мой пост о выборе параметров питающей цепи светодиода. При оценке разности светимости следует также учесть и возможную асимметрию в генераторе возбуждающих сигналов, которую можно оценить процентов в 30 максимум. В общем и целом для бытовых задач приемлемо, но далеко не идеально.
Пнп: вообще то не очень понятно, зачем весь этот сыр-бор относительно равенства тока через сегменты, если в самом начале дата на индикатор указан возможный разброс интенсивности свечения в 4+ раз (от 3000 до 13000 микроканделл при 10 мА), что превосходит все возможные вариации тока, наверное, это просто привычка стараться делать хорошо.
Ставим МК и считаем
Продолжим разговор о возможных вариантах схемотехники. Если мы перейдем на мультиплексированный индикатор с 4 входами возбуждения, то можно рассмотреть отказ от регистров и генератора и все это заменить недорогим МК (кандидаты на эту роль STM8, MSP430 или Padauk). Основные требования к контроллеру: 1) количество выводов общего назначения 8+4+3=15, 2) ток нуля не менее 6 мА, 3) ток на мсх — не менее 48 мА, 4) желателен таймер, 5) желателен SPI, 6) желательно внешнее прерывание. Все три кандидата указанным требованиям удовлетворяют.
Далее будем руководствоваться данными с сайта Платан, Вы можете взять привычную Вам фирму, нас интересует не абсолютные значения (тут с КНР соревноваться невозможно), а относительные. Итак, мы меняем 4 регистра по 11 на МК за 48 и получаем 4*11=44<48 и выгоды никакой. Но стоит нам учесть стоимость монтажа и картина меняется 4*(11+8)=76>1*(48+10)=58 (-18). А дальше мы учитываем, что убрали 2 корпуса сдвоенного ТШ 2*(5+3)=16(-16) и количество резисторов снизили с 32 до 8 (-24), так что с учетом экономии на пайке индикатора имеем 20+18+16+24=78. Из получившейся экономии придется вычесть два дополнительных транзистора 2*(3+2)=10, но можно к ней прибавить обвязку генератора 2*(0+1)=2, получая 78-10+2=70, более 10% отпускной цены.
Но нам следует учесть необходимость заливки программы в МК перед пайкой и не забудем, что эту программу еще надо разработать. Первую часть можно оценить в 2 минуты работы монтажника, что в наших цифрах дает 6. Ну а разработка программы займет не менее (но и не более) двух часов программиста, что можно оценить в 60*1.13*1.42*1.2/168*2=1400, отобьется на первых 20 экземплярах устройства. Аккуратной разработкой можно еще сделать плату односторонней, а это снижение цены с 36 до 18 при наших размерах.
Выводы: полет нормальный
В заключение попробуем «на пальцах» прикинуть стоимость подобного модуля в мелкой серии:
Плата (285/8) 36, индикатор (165+12) 177, МК (48+10) 58, резисторы (8*1) 8, транзисторы 4*(7+2) 036, разъемы 4*(0,5+1,5) 8, конденсаторы 2*(1+1) 2. Итого себестоимость модуля составит 325. Прибавьте накладные расходы, прибыль изготовителя, и отпускная цена в 690 не покажется чрезмерной. По крайне мере один экземпляр для себя Вы точно дешевле не сделаете, хотя и дороже он не получится, так что этот пост не ругательный и не рекламный, а довольно-таки нейтральный.
