简介

一个实验室机柜安装的信号测试用接线盒, 用于DB25测试线转BNC接口仪器使用.

本项目采用CERN弱引用（CERN-OHL-W）版本, 请遵守开源协议, 在修改使用该设计时应保留源设计的引用信息, 详细内容见附件"开源协议.txt".

项目背景

串口与BNC接口是两种常见的低频(<100MHz)模拟信号接口. 本项目为基于串行转BNC的低频测量用的接线盒, 装置将DB25串口中前24路引出, 每路连接一个BNC端子和开关, 通过开关可以将不用的BNC接地以防静电击穿实验仪器.

 

产品功能

全屏蔽铝合金外壳, 具有单独外壳接地桩+并联接地点位, 可兼容浮动接地与静态接地两种接地方案, 可测量中压偏置(±200以内)信号.

装置绝缘耐压(线线,线地)>200V, 对直流电绝缘阻抗>10GΩ*, 线路直流电阻<50mΩ.

对工频噪声与射频噪声均有较高衰减.

4个M6螺栓安装孔位, 可安装在600mm宽机柜上

单价*<1500RMB或<200USD, 性能对标国外200USD产品, 通道数还是竞品的2倍.

模块化设计,可以直接拆除损坏的小板并更换备件,可以在不拆开外壳的情况下发现损坏的小板并标记, 避免了整体拆下后调试, 一个一个元件拆焊的繁琐流程. 只要一把活口扳手便可以更换小板零件, 整体操作更加灵活.

*测试条件25℃ 60%RH 装置加压+200VDC, 测试电路板均清洗干净.

*单价即BOM中单价, 其中工艺均为无铅PCB+SMT工艺, 包含面板与底盒成本, SMT制造费, 元件成本, 人工组装焊接费用, 元件邮费与其他各种耗材费用, 单价为10件均价.

 

项目原理与元件选型

电路主体为一个单刀单掷开关电路, 开关闭合时, BNC与串口对应引脚的信号接地.

开关型号为钮子开关, 到货单价大约3RMB/件, 如果你想尝试复刻此项目,可以直接使用"MT-0-102-A101-M200-RS"这个LCSC(立创商城)现货型号.

这里选 “带直型支架” 型号是为了减小波峰焊时开关的倾斜角, 以免PCBA安装到面板时装不上. 手工制作可以先将元件用螺母固定在面板上, 再焊接焊点.

BNC连接器是同轴连接器的一种, 广泛用于传输<4GHz的低频信号. BNC连接器的全屏蔽外壳可以减小信号的串扰并阻挡外界噪音, 同时较大的外直径也使得连接器在暴力插拔时不易损坏.

需要注意的是, BNC连接器通常为黄铜车削, 车削铜通常含有一定比例的铅(1~5%)组分. 焊接时, 焊点温度应全程<350℃, >250℃焊接时间<6s, 以防合金中铅析出改变材料性能.

小板BNC连接器选用了常见型号: BNC-KYE, 单价大约为3RMB.

单独BNC连接器选用了常见型号: BNC-50KY, 单价大约为3RMB. 手工焊接建议选用带磷铜触点的.

4mm压线端子选用了KSS的冷压端子, 配合压线钳可以做到低阻, 测试及小批量制作时可以买1头压好4mm端子的0.75~1.5mm²导线焊接

香蕉插座选用了6mm铜镀镍香蕉插座, 单价大约5RMB, 自己制作时可以根据手头物料选择香蕉插座型号.

内部排线座采用了常见的PH2.0端子, 这样的排线可以直接买到现成的PH2.0同向排线.

也可以采用MOLEX的立式接线端子 + 对应的端子线(较贵).

DB25选用了Amphenol的"D25P24A4GV00LF"矮公头. PCB面板孔位固定在面板上, 该元件配的是美制UNC4-40螺柱(标准美制DB25母头为这种螺柱).

如果少量手工制作, 可以使用不带螺柱的母头+面板孔位攻丝以兼容市面上的其他母头.

 

制作细节

注: 外壳和连接器图纸, 面板设计, 模型细节见附件中"相关文件.zip"

1. 补高垫圈与螺母

制作工艺为SMT时, 开关与BNC的面板接触面并不在同一平面上, 因此需要在BNC与面板内侧面间加一个厚1.2mm的M12垫圈垫高BNC, 使组装时小板大致水平.

为了成品的美观, 尽量不留裸露在外的螺纹, 我重新购买了一些3mm厚螺母替代原配2mm厚螺母. 成品从侧面看一致性大大提升.

面板可以尝试加厚到4mm, 这样使用原配螺母也可以不留螺纹在外.

 

2. DB25板的PCB固定螺栓与螺母

DB25接口的PCB板通过4个M4螺栓固定在面板上, 安装时, 先将4个M4*16螺栓和6mm长的M4加长螺母分别从面板正反面锁紧, 锁紧后放置PCB, 再旋入4个M4防松螺母锁紧, 这样PCB就压在了面板上.

 

3. 面板工艺

面板工艺建议选择50系列铝板(3mm)激光切割+手工倒角, 孔位图见附件的图层0, 铝板的表面可以喷砂和拉丝, 亦可不做处理.

如果选择阳极氧化工艺制作面板, 则需要使用激光去除背面氧化层露出导电铝材, 去除部分见附件图纸对应的图层.

面板工艺选择50系列铝板表面不做处理, 制作效果如下图

4. 底盒工艺

底盒当下采用的是60系列铝合金CNC数铣加工生产, 未来预计换成钣金+焊接工艺底盒尝试量产.

 

实战测试

实际生产了5板PCB,由于元件和焊接质量问题报废了2块小板,实际能用的接线盒共4个,这4个在后续的电学性能测试中都测试正常.

在面板上安装PCB与紧固件, 得到半成品效果如下图.

 

使用阳极氧化处理的面板在组装时,螺母刮掉了部分氧化层一定程度影响美观,但整体电气性能不影响.

测试时,如果小板或大板上有残余焊接油污,电阻很可能不达标,如果手焊产品电阻不达标,建议先清洗一下PCB再测试

 

总结

相比直接购买成品接线盒,本接线盒在单位成本上不到现成接线盒的50%,比较具有性价比. 但由于没有预料到小板的报废,总成本略有上升,后续会改进设计优化问题.