Автоматизированная система изучения тепловых режимов устройств ЭВС

Произведем ориентировочный расчет надежности разрабатываемой конструкции с помощью «Пакета прикладных программ по конструированию ЭВС» (МРТИ, 1991 г.).

Расчет проводится при следующих допущениях: отказы элементов являются случайными независимыми событиями; отказ любого элемента приводит к отказу всего устройства в целом; учитываются только элементы, отказ которых влияет на выполнение основных функций устройства; вероятность параметрических и перемежающихся отказов равна нулю; наработка до отказа элементов подчиняется экспоненциальному закону распределения.

В ТЗ определен лишь один основной показатель надежности: наработка на отказ. Остальные основные показатели надёжности определяются в соответствии с мож ГОСТ 21552-82.

Прядок и методика ориентировочного расчета следующие:

1) расчет производится по частям. Элементы ЭВМ разбиваются на группы. В одну группу объединяются элементы одного типа с одинаковой интенсивностью отказов в нормальных условиях и работающих при одинаковых условиях;

2) каждой группе элементов устанавливаются в соответствие значения интенсивностей отказов;

3) вычисляется суммарная интенсивность отказов по всем группам :

, (4.1.3)

где k_эi - коэффициент эксплуатации; l_io - интенсивность отказов в лабораторных условиях эксплуатации; N_i - количество элементов в i-ой группе.

4) определяется значение величины наработки на отказ:

(4.1.4)

5) вычисляется вероятность безотказной работы устройства Р(t) :

Р(t) = ехр (-t/То) , (4.1.5)

где t - время непрерывной работы.

Учитывая характер использования разрабатываемой исследовательской системы, примем для расчета время непрерывной работы равным 24 часам; коэффициент эксплуатации равным 0,98.

Исходные данные к расчету приняты на основании разработанной схемы электрической принципиальной (БГУИ.411117.001Э3) и приведены в таблице 4.1.4.

Таблица 4.1.4 - Исходные данные к расчету надежности

Наименование компонентов	Количество, шт.
Резисторы постоянные	208
Резисторы переменные	5
Стабилитроны	1
Транзисторы кремниевые	7
Микросхемы	75
Конденсаторы керамические	60
Конденсаторы электролитические	7
Катушки индуктивности	3
Переключатели	2
Разъемы	2
Оптопары	8
Соединения пайкой	1189
Соединения проводами	48

Расчет произведен с помощью пакета прикладных программ по конструированию ЭВС (Минск, БГУИР). Данный пакет (дальше - «ПППКЭВС») позволяет производить основные инженерные расчеты по конструированию электронно-вычислительных средств согласно методикам, изложенным в соответствующих разделах Настоящего дипломного проекта.

Результаты расчета приведены в таблице 4.1.5

Таблица 4.1.5 - Результаты расчета надежности модуля АЦП

Параметр	Значение
Время наработки на отказ, ч	73600
Вероятность безотказной работы, %	98,6

Таек как полученное в результате расчета значение времени наработки на отказ превышает значение, заданное по ТЗ, нет необходимости вносить какие-либо то изменения в принятые схемотехнические решения.

4.2 Электрический и конструктивно-технологический расчеты элементов печатного монтажа

Выбирая конструкцию печатной платы, рассчитывая электрические параметры линий связи и подготавливая технологическое оборудование для изготовления ПП, необходимо определить такие параметры ПП, как ширина и шаг трассировки печатных проводников, диаметр контактных площадок, число проводников, которое можно провести между двумя соседними отверстиями, диаметр отверстий в плате до и после металлизации. При расчете ЭПМ следует учитывать допуски на всевозможные отклонения параметров ЭПМ, установочные характеристики корпусов ИМС, требования по организации связей, вытекающие из принятых схемотехнических решений, а также перспективность выбранной технологической базы.

Руководящие документы при расчете: ГОСТ 23751-86, ГОСТ 10317-79, ОСТ 4ГО.010.009, ОСТ 4ГО.010.011, ОСТ 4ГО.064.089

Расчет ЭПМ проводят в два этапа: на первом этапе производится конструктивно-технологический расчет ЭПМ; второй этап представляет собой электрический расчет.

Рассмотрим расчет элементов проводящего рисунка с учетом технологии изготовления печатной платы.

Стороны прямоугольной печатной платы располагают параллельно линиям координатной сетки. Шаг координатной сетки выбирется согласно данных, приведенных в таблице 4.2.1.

Таблица 4.2.1 - Шаг координатной сетки

Класс точности	1	2	3	4
Шаг координатной Сетки, мм	2,50 (1,25)	2,50 (1.25)	1,25; 2,50 (0,50)	1,25; 2,50 (0,50)

Примечание - В скобках даны непредпочтительные значения.

Координатную сетку и начало координат располагают в соответствии с ГОСТ 2417-78. Для плат одного размера расположение координатной сетки должно быть одинаковым.

Отверстия и элементы проводящего рисунка располагают на печатной плате относительно базы координат. При размещении на печатной плате нескольких рисунков используют только одну базу координат. Базу координат выбирают таким образом, чтобы исключить наличие отрицательных значений координат у отверстий, используемых в печатной плате.

Элементы проводящего рисунка располагают от края платы, неметаллизированного отверстия (диаметром более 1,5 мм), паза, выреза и т. д. на расстоянии не менее толщины платы с учетом допуска на линейные размеры, для плат толщиной менее 1 мм на расстоянии не менее 1 мм, ели это не противоречит электрической прочности.

Диаметры монтажных и переходных отверстий металлизированных и неметаллизированных должны соответствовать ГОСТ 10317-79. (Под переходным отверстием печатной платы подразумевается отверстие, служащее для соединения проводящих слоев печатной платы.) Предпочтительные размеры монтажных отверстий выбирают из ряда 0,7; 0,9; 1,1; 1,3; 1,5 мм, а переходных отверстий из ряда 0,7; 0,9; 1,1 мм.

Номинальные значения диаметра монтажного отверстия определяются:

[ мм], (4.2.1)

где dэ -- максимальное значение диаметра вывода навесного элемента, устанавливаемого на печатную плату; r -- разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным значением диаметра вывода устанавливаемого элемента (величину r рекомендуется выбирать в зависимости от допусков на диаметры выводов устанавливаемых элементов и их расположения на корпусе); ?dн.о. -- нижнее предельное отклонение номинального значения диаметра отверстия.

Диаметры монтажных отверстий выбирают так, чтобы разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным значением диаметра вывода устанавливаемого элемента была в пределах 0,1 ... 0,4 мм.

Предельные отклонения размеров диаметров монтажных и переходных отверстий устанавливают в соответствии с таблице 4.2.2.

Таблица 4.2.2 -Предельные отклонения диаметров монтажных и переходных отверстий, мм

Размер отверст. Мм	Наличие металли- зации	Класс точности
		1	2	3	4
?1,0	НЕТ	0,10	0,10	0,05	0,05
	Есть	+ 0,10 - 0,15	+ 0,10 - 0,15	+ 0,05 - 0,10	+ 0,05 - 0,10
>1.0	Нет	0,15	0,15	0,10	0,10
	Есть	+ 0,15 - 0,20	+ 0,15 - 0,20	+ 0,10 - 0,15	+ 0,10 - 0,15

Номинальное значение ширины проводника t в миллиметрах рассчитывается по формуле

, (4.2.2)

где tм.д -- минимально допустимая ширина проводника (определяется далее); tн.о -- нижнее предельное отклонение ширины проводника.

Предельные отклонения ширины проводника от номинального значения устанавливают в соответствии с табл. 4.2.3.

Таблица 4.2.3 - Предельное отклонение ширины проводника от номинального значения, мм

Наличие Покрытия	Класс точности
	1	2	3	4
Без покрытия	+0,15 -0,15	+0,10 -0,10	+0,03 -0,05	+0,03 -0,03
С покрытием	+0,25 -0,25	+0,15 - 0,10	+0,10 - 0,08	+0,05 - 0,05

Номинальное значение расстояния между соседними элементами проводящего рисунка 5 в миллиметрах определяют по формуле

, (4.2.3)

где Sм.д--минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка; Sв.о--верхнее предельное отклонение ширины проводника.

Минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка Sм.д выбирают из расчета обеспечения электрической прочности изоляции в соответствии с ОСТ 4.010.019--81 или по ГОСТ 23751-79.

Диаметральное значение позиционного допуска расположения проводника относительно номинального положения _l выбирают по табл. 4.2.4.

Таблица 4.2.4 - Диаметральное значение позиционного допуска расположения проводника относительно номинального положения, мм

Вид плат	Класс точности
	1	2	3	4
Одно- и двусторонние	0,15	0,10	0,05	0,03
Многослойные	0,20	0,12	0,07	0,05

Центры монтажных и переходных отверстий на печатной плате располагают в соответствии с ГОСТ 10317-79.

Диаметральное значение позиционного допуска расположения центров отверстий относительно номинального положения узла координатной сетки d выбирают по таблице 4.2.5.

Таблица 4.2.5 - Диаметральное значение позиционного допуска расположения центров отверстий относительно номинального положения, мм

Размер большой стороны Платы, мм	Класс точности
	1	2	3	4
L?180	0,20	0,15	0,08	0,05
180<L?360	0,25	0,20	0,10	00,8
L>360	0,30	0,25	0,15	--

Предельное отклонение значения номинального расстояния между центрами двух отверстий печатной платы определяют как полусумму позиционных допусков расположения центров этих отверстий.

Диаметральное значение позиционного допуска p расположения контактных площадок относительно его номинального положения выбирают по таблице 4.2.6.

Таблица 4.2.6 - Диаметральное значение позиционного допуска расположения контактных площадок относительно номинального положения, мм

Вид платы	Размер Большой стороны платы, мм	Класс точности
		1	2	3	4
Одно - и Двусторонние	Ll80 180<L360 L>360	0,35 0,40 0,45	0.25 0.30 0,35	0,20 0,25 0,30	0.15 0,20 --
Многослойные		0,40 0,50 0,55	0,35 0,45 0,50	0,30 0,40 0,45	0,25 0.35 --

Расчет минимального диаметра контактной площадки производят по формуле

, (4.2.4)

где -- верхнее предельное отклонение диаметра отверстия; -- глубина подтравливания диэлектрика для многослойных печатных плат (принимается равной 0,03 мм).

Расчет минимального расстояния для прокладки n-го количества проводников между двумя отверстиями с контактными площадками диаметрами и производят по формуле

, (4.2.5)

где n -- количество проводников; -- допуск, который учитывается только при n > 0.

Центры монтажных отверстий под неформируемые выводы многовыводных элементов, межцентровые расстояния которых не кратны шагу координатной сетки, следует располагать таким образом, чтобы в узле координатной сетки находился центр по крайней мере одного из монтажных отверстий, центры монтажных отверстий под остальные выводы располагать в соответствии с требованиями конструкции устанавливаемого элемента.

Размеры и конфигурацию крепежных и других конструктивных отверстий, например для корпуса навесных элементов, выбирают по ГОСТ 11284 -75 зависимости от требований конструкции устанавливаемого элемента. Не рекомендуется использовать более трех различных диаметров монтажных отверстий. Все отверстия на печатной плате выполняют без зенковок. Допускается у металлизированных отверстий печатных плат притупление острых кромок и частичное затягивание фольги в не металлизированные отверстия. При расчете диаметра контактной площадки наличие притупления кромок не учитывают.

Отверстия подвергающиеся металлизации (переходные и монтажные), имеют диаметр не менее одной трети толщины платы, если последняя не меньше 0,1 мм. Диаметр монтажных отверстий после металлизации, мм, приближенно можно оценить по формуле

, (4.2.6)

при этом диаметр а отверстия под металлизацию, мм,

(4.2.7)

Металлизированные отверстия должны иметь контактные площадки с двух сторон печатной платы. На внутренних слоях многослойной печатной платы контактные площадки должны быть у тех отверстий, которые связаны электрически с проводящим рисунком данного слоя.

Не металлизированные монтажные отверстия следует располагать в зоне контактной площадки. Допускается расположение контактной площадки рядом с не металлизированным отверстием. При этом формула (4.2.5) примет вид

(4.2.8)

где и --диаметры зон вокруг отверстий, свободных от проводящего рисунка. Диаметр зоны

(4.2.9)

Таким образом, с учетом значений допусков на размеры печатных элементов, зазора, обеспечивающего установку выводов в отверстия и их распайку , толщины слоя металлизации , максимального отклонения оси печатного проводника от номинального положения , минимальной ширины гарантированно пояска B_min получим:

, (4.10)

где L - расстояние между центрами двух соседних отверстий в плате (контактных площадок); W_n - максимальная ширина печатного проводника; S_min - предельный зазор, при котором гарантируется надежная изоляция печатных элементов друг от друга; k - коэффициент шага основной координатной сетки (k=1,2,3…); А - шаг основной координатной сетки (А=2,5; 1,25; 0,625).

Контактные площадки могут иметь произвольную форму. Предпочтительной является круглая форма. Контактная площадка, предназначенная под установку первого вывода многовыводного элемента, должна иметь форму, отличную от остальных. Контактную площадку неметаллизированного монтажного отверстия, рассчитанную по (4.2.4), следует развивать в свободную сторону с таким расчетом, чтобы ее площадь, без учета площади отверстия, для 1-го и 2-го классов была не менее 2,5 мм², для 3-го и 4-го классов не менее 1,6 мм².

'Контактные площадки для автоматического контроля и диагностики следует выполнить круглой формы диаметром не менее 2 мм и располагать в узлах координатной сетки с шагом 2,5 мм в свободных местах в шахматном порядке так, чтобы расстояние между центрами контактных площадок, лежащих на одной линии координатной сетки, было кратно 5, а расстояние между центрами контактных площадок, лежащих на соседних линиях координатной сетки, кратно 2,5.

Минимальный диаметр контактной площадки рассчитывают по (4.2.4). Числовые значения диаметров контактных площадок для рекомендуемого ряда отверстий даны в ОСТ 4.010.019--81. Ширину проводников и расстояние между элементами проводящего рисунка определяют в зависимости от электрических, конструктивных и технологических требований.

Печатные проводники рекомендуется выполнять одинаковой ширины по нормам для свободного места на всем их протяжении. Сужать проводники до минимального значения следует только в узком месте на возможно меньшей длине. Проводники шириной более 3 мм, расположенные на печатной плате со стороны пайки и на внутренних слоях многослойной печатной платы, выполняют в соответствии с рекомендациями для конструирования экрана ГОСТ 23751-79.

Минимальное расстояние для прохождения проводника в узком месте рассчитывают по (4.2.5).

В целях уменьшения сложности проводящего рисунка допускается применение перемычек в количестве не более 5 % от общего числа печатных проводников.

Печатные контакты переключателей располагают произвольно на любом участке полезной площади печатной платы. Размеры и взаимное расположение печатных контактов определяет конструкция переключателя.

Концевые печатные контакты располагают на краю печатной платы. Размеры контактных площадок и их расположение определяют из технических условий на гребенчатый соединитель. На торце печатной платы со стороны печатных контактов снимают фаску 0,3 Х 45°,

Все печатные контакты на плате должны иметь износоустойчивое покрытие, которое указывают на чертеже.

Исходные данные для конструктивно - технологического расчета ЭПМ расчета сведены в таблицу 4.2.7

Таблица 4.2.7 - Исходные данные к конструктивно-технологическому расчету ЭПМ

Параметр	Обозначение	Значение
Величина зазора, обеспечивающая установку выводов в отверстия и их распайку, мм		0,1
Толщина слоя металлизации, мм		0,06
Эквивалентный диаметр вывода ИМС, мм	dв	0,5
Максимальное отклонение оси печатного проводника от номинального положения, мм		0,1
Величина отклонения центра отверстия при сверлении, мм		0,2
Число проводников между соседними контактными площадками, шт.	n	0
Номинальное значение ширины печатного проводника, мм	T	0,5

Выбор исходных данных был осуществлен исходя из следующих предпосылок: 1) плата 3-его класса точности (п. 4.1); 2) тип -ДПП (учитывая число внешних и внутренних связей, а также конструктивные ограничения, накладываемые требованием по использованию стандарта ISA); 3) номинальные значения для выбранного типа и класса точности ПП [11]; 4) тип корпуса для используемых микросхем -42 (как наиболее распространенный [12], эквивалентный диаметр вывода равен 0,5 мм, шаг выводов -1,25 мм (типовые значения для данного типа корпуса)); 5) из выражения (4.10) видно, что если принять d_в = 0,5 мм и k = 1, то для рассматриваемого случая между двумя контактными площадками, расположенными на расстоянии друг от друга А=1,25, нельзя провести ни одного печатного проводника.

Расчет ЭПМ выполнен с помощью ПППКЭВС.

Результаты расчета приведены в таблице 4.2.8.

Таблица 4.2.8 - Результаты конструктивно-технологического расчета ЭПМ

Параметр	Обозначение	Значение
Диаметр отверстия до металлизации, мм	dо	0,82
Диаметр зоны сверления, мм	dсв	1,52
Максимальный диаметр контактной площадки, мм	Dк	1,77
Диаметр отверстия после металлизации, мм	dm	0,7
Расстояние между центрами отверстий при сверлении, мм	L	2,27
Шаг трассировки, мм	Ттр	1,25

В связи с тем, что для рассматриваемого случая между двумя ближайшими соседними контактными площадками, расположенными нельзя провести ни одного печатного проводника, корпуса ИМС на плате следует располагать свободно, оставляя зазоры между ними для прокладки печатных проводников.

Разность kA-L (для рассматриваемого случая равна 0,23 мм) позволяет судить о возможности создания технологических запасов величин W_n, S_min и B_min и их величинах. Рациональное распределение этих запасов между расчетными параметрами печатной платы позволяет повысит процент выхода годных при изготовлении ПП, повысить надежность и снизить требования к технологии [12].

Вторым этапом расчета ЭПМ является электрический расчет.

Электрическое сопротивление проводников с покрытием определяют по формуле

, (4.2.10)

где р -- удельное электрическое сопротивление; h -- толщина проводника с покрытием; k -- количество участков печатного проводника на его расчетной длине, имеющих различную ширину; li; -- длина i-го участка печатного проводника шириной ti, -- ширина печатного проводника на i-м участке.

При определении сопротивления, проводников, имеющих дополнительное покрытие толщиной менее 12 мкм с относительно высоким удельным сопротивлением (например, никель, олово, палладий), как правило, рассчитывают только сопротивление медного слоя, а сопротивление покрытий не принимают во внимание. При толщине дополнительного покрытия более 12 мкм сопротивление проводника определяют как сумму сопротивлений отдельных слоев. Сопротивление медного проводника с дополнительным медным покрытием рассчитывают исходя из их суммарной толщины.

Расчет электрического сопротивления печатного проводника без. покрытия R_б производят по формуле

(4.2.11)

где Rj -- электрическое сопротивление i-го участка печатного проводника постоянной ширины и толщины, определяемое для заданных значений температуры.

Допустимую токовую нагрузку на элементы проводящего рисунка следует выбирать из условий допустимого превышения температуры проводника над температурой окружающей среды. Например, для медного проводника толщиной h= 35 мкм, шириной t=1 мм при нагреве на 20 С. нагрузочная способность по току примерно 3 А [11].

Для проводников имеющих дополнительное металлическое покрытие hн < 12 мкм, за толщину проводника принимают толщину основного проводящего слоя (фольги). Для проводников, имеющих дополнительное покрытие меди толщиной более 12 мкм, за толщину принимают суммарную толщину h основной и дополнительно осажденной меди.

Допустимую токовую нагрузку следует уменьшить на 15 % для проводников, расположенных на расстоянии, равном или меньшем их ширины.

Электрический расчет элементов ЭПМ включает два подэтапа: расчет по постоянному и переменному току.

Расчет по постоянному току практически выполняется для цепей питания и «земли». Необходимо оценить наиболее важные электрические свойства печатных плат по постоянному току: нагрузочную способность проводников по току, сопротивление изоляции и диэлектрическую прочность основания платы. Практически сечение проводника рассчитывают по допустимому падению напряжения Uп на проводнике:

, (4.2.12)

где р -- удельное сопротивление проводника, Ом-мм/м; h_ф, t, l_п -- соответственно толщина фольги, ширина и длина проводника, мм; I_п -- ток через проводник.

Для электронных логических схем допустимое падение напряжения в цепях питания и «земли» не должно превышать 1--2 % от номинального значения подводимого напряжения ЕК, поэтому требуемое сечение печатного проводника шины питания и «земли» вычисляется по формуле

, (4.2.13)

где - сечение печатного проводника шины “земли” .

При передаче высокочастотных импульсных сигналов по ЭПМ из-за наличия индуктивного сопротивления проводников, взаимной индуктивности и емкости между проводниками и других факторов [11], сигналы задерживаются, отражаются, искажаются, появляются перекрестные помехи. Расчет по переменному току позволяет уточнить максимальную допустимую длину одиночного проводника, величины зазоров между проводниками, длину совместного прохождения проводников в системе, состоящей из группы параллельных проводников.

В связи с тем, что в разрабатываемой системе нет линий связи, по которым распространяются высокочастотные сигналы, способные вызвать вышеназванные процессы, рассчитывать ЭПМ по переменному току не представляется необходимым. Минимальная ширина проводников в этом случае ограничена технологическими возможностями производства согласно ОСТ 4ГО.010.019-81, ГОСТ 23751-86 для выбранного класса точности изготовления печатной платы.

Так как в разрабатываемом модуле АЦП используются аналоговые и цифровые микросхемы с номиналами питающего напряжения ±5В, ±15В, кроме раздельных шин питания (для номинала +5В) и земли для цифровой и аналоговой части (БГУИ.411117.001Э3) необходимо просчитать шину питания для аналоговой части (номинал напряжения +15В).

Рассчитаем по (4.2.13), учитывая справочные данные по потребляемой мощности применяемых микросхем [5,13], принимая во внимание возможные размеры трассировочного поля и наихудший вариант трассировки и наихудший случай по максимальной нагрузке на одну шину, шины питания и земли для цифровой части S_{пз. ц}, шины питания и земли для аналоговой части S_{пз. а+5в}, S_{пз. а15} .

Таким образом, получим:

[м²];

[м²];

[м²].

Если принять толщину фольги равной 50 мкм (наиболее распространенная толщина для отечественных марок фольгированного стеклотекстолита [11]), получим следующие значения для минимальной ширины шин:

[мм];

[мм];

[мм].

Таким образом, из полученных результатов видно, что только ширина шины питания и земли для цифровой части модуля АЦП реально превосходит номинальное значение ширины печатного проводника для разрабатываемой ПП (таблице 4.7).

Полученные в результате выполнения конструктивно-технологического расчета конкретные значения параметров и размеров ЭПМ должны быть обеспечены в процессе изготовления печатной платы.

4.3 Выбор и обоснование компоновочных решений

Под компоновкой понимают размещение в пространстве или на плоскости всех необходимых схемных элементов разрабатываемой конструкции при условии обеспечения соответствия параметров работы устройства предъявленным техническим требованиям. Задачами компоновки являются выбор форм, размеров, ориентации, определение взаимного расположения основных схемных и конструктивных элементов на плоскости и в пространстве. От правильного выбора компоновочного решения зависят такие параметры разрабатываемого устройства, как габариты, надежность, помехоустойчивость, быстродействие. Чем плотнее будут располагаться корпуса микросхем (ЭРЭ) на плоскости печатной платы, тем сложнее автоматизировать их монтаж, тем более жестким будет температурный режим их работы, тем больший уровень помех будет наводиться в сигнальных связях. И наоборот, чем больше расстояние между микросхемами, тем менее эффективно используется физический объем конструкции, тем больше длина связей. Поэтому при осуществлении компоновочного решения следует учитывать все последствия того или иного выбранного варианта.

Для разрабатываемой конструкции выбор конкретного компоновочного решения будет определяться в первую очередь схемотехнической реализацией устройства (количеством ИМС и ЭРЭ и связями между ними), используемой элементной базой (типоразмерами корпусов микросхем и ЭРЭ), конструктивом интерфейса между модулем и персональным компьютером (ISA).

Размеры ПП выбираются из зоны размеров печатных плат [11]. Количество возможных значений размеров (высоты и ширины) весьма велико. Однако, до 100 мм можно применять любые размеры, кратные 2,5 мм, до 350 мм - 5,0 мм и свыше 350 мм - кратные 10 мм. Кроме того, наибольший размер должен быть не более 470 мм в любом направлении. Также устанавливается ограничение на на соотношение сторон: оно должно быть не более 1:4.

Как было обосновано в п. 4.2, наиболее целесообразным представляется использование корпусов 42 типа с шагом выводов 1,25 мм.

При выборе компоновочного решения необходимо руководствоваться рядом общих правил и положений, среди которых можно выделить следующие [2]:

1) по краям платы следует предусматривать технологическую зону шириной 1,5 - 2,0 мм. Размещение установочных и других отверстий, а также печатных проводников в этой зоне не допускается. Все отверстия должны располагаться в узлах координатной сетки. В том случае, если шаг расположения выводов микросхем не соответствует шагу координатной сетки, одно из отверстий под вывод (желательно первый) микросхемы должно обязательно располагаться в узле координатной сетки;

2) для правильной ориентации микросхем при их установке на ПП на последней должны быть предусмотрены «ключи», определяющие положение первого вывода микросхемы;

3) конденсаторы, резисторы и другие навесные элементы следует располагать параллельно координатной сетке;

4) на ПП должен быть предусмотрен ориентирующий паз (или срезанный левый угол) или технологические базовые отверстия, необходимые для правильной ориентации при изготовлении ДПП;

5) печатные проводники следует по возможности выполнять минимально короткими (этому должно способствовать соответствующее размещение ИМС и ЭРЭ на ПП - необходимо учитывать взаимные электрические связи между ними). Не рекомендуется прокладка сигнальных проводников в непосредственной близости и параллельно друг другу во избежание возникновения паразитных наводок;

6) распределение ИМС и ЭРЭ на ПП должно быть по возможности равномерным;

8) на шинах питания микросхем на группу из нескольких ИМС устанавливаются фильтрующие емкости;

7) число отверстий различных диаметров следует сводить к минимуму для повышения технологичности производства ПП.

Реализация принятых компоновочных решений представлена на сборочном чертеже модуля (БГУИ. 411117.001СБ).

Реализацию принятых компоновочных решений необходимо количественно подтвердить с точки зрения проверки разработанной конструкции на вибропрочность. Целесообразность проведения данного расчета обуславливается возможностью возникновения необходимости эксплуатации разрабатываемой системы вблизи некоторого оборудования, являющегося источником вибрационных воздействий.

Расчет на вибрапрочность проводится путем расчета собственной частоты колебаний платы, условно заменяя ее реальную конструкцию балочной схемой. Плата представляется в виде прямоугольной пластины с соответствующим способом крепления.

Формула для расчета собственной частоты имеет вид :

, (4.3.1)

где K_m - поправочный коэффициент на материал, рассчитываемый по формуле :

, (4.3.2)

где Е, Р - модуль упругости и плотность применяемого материала;

Е_с, Р_с - модуль упругости и плотность стали;

К_в - поправочный коэффициент веса элементов, определяемый по формуле :

, (4.3.3)

где Р_э - вес элементов, равномерно размещенных по пластине; Рп- вес пластины;

В - частотная постоянная, рассчитываемая по формуле:

, (4.3.3)

- коэффициент, зависящий от вида закрепления и соотношения сторон пластины; Е - модуль нормальной упругости; g - ускорение свободного падения; Р - плотность материала пластины; Е_ps - коэффициент Пуассона;

h - толщина пластины;

A - длина пластины.

Если известны резонансные частоты F_i для всех входящих в блок устройств, то резонансная частота блока F_пл. рассчитывается по формуле:

, (4.3.4)

Разрабатываемая плата должна обладать усталостной долговечностью при воздействии вибрации. Для этого необходимо, чтобы минимальная частота собственных колебаний платы удовлетворяла условию:

, ( 4.3.5)

где n_b - вибрационные перегрузки в единицах g;

b - размер короткой стороны платы;

- безразмерная постоянная, числовое значение которой зависит от значения частоты собственных колебаний и воздействующих ускорений [2].

Резонансную частоту разработанной платы модуля АЦП рассчитаем с помощью «ПППКЭВС».

Исходные данные для расчета приняты на основании сборочного чертежа модуля (БГУИ.411117.001СБ), массагабаритных характеристик применяемых ИМС и ЭРЭ [5,13], требуемого вида закрепления модуля в ПЭВМ, а также справочных данных на материалы [2] и представлены в таблице 4.3.1.

Таблица 4.3.1 - Исходные данные к рачету вибропрочности

Параметр	Значение
Масса пластины, кг	0,088
Масса элементов, кг	0,075
Толщина пластины, см	0,15
Длина пластины, см	34
Ширина пластины, см	10,5
Поправочный коэффициент на материал (Км)	0,54
Частотная постоянная ()	85

В результате расчета получено значение резонансной частоты для разрабатываемого модуля, равное 43,7 Гц. Проверим условие(4.3.5):



Таким образом, условие (4.3.5) справедливо, следовательно, разработанная плата модуля АЦП будет обладать достаточной усталостной долговечностью при воздействии вибрации.

5 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

5.1 Общие требования к структуре и составу программного обеспечения, разработка алгоритма работы

Программное обеспечение (ПО) для разрабатываемой системы должно представлять собой комплекс системных и прикладных программ, позволяющих пользователю эффективно взаимодействовать с автоматизированной системой (управлять работой, реализовывать запросов и т. п.), получать объективную информацию о результатах производимых исследований.

ПО необходимо реализовать под операционную систему Windows (9Х), так как данная операционная система является наиболее распространенной из устанавливаемых на ПЭВМ. Целесообразность такого подхода можно объяснить исходя из задач, возложенных на разрабатываемую систему. В связи с тем, что исследуемые процессы изменения температуры в подавляющем большинстве случаев являются достаточно медленно протекающими, на устройство нерационально возлагать функции по обработке входной информации в реальном масштабе времени. Следовательно, написания ПО под операционную систему реального времени не требуется.

Взаимодействие модуля АЦП и ПЭВМ, в которую он встраивается, целесообразно осуществить использовать механизм прерываний. Номер используемого модулем системного прерывания (с IRQ9 по IRQ12) выбирается соответствующей распайкой перемычки Е2 (БГУИ.411117.001Э3).

С точки зрения пользователя, программа для работы с АСИТР должна иметь приближенный к стандарту Windows интерфейс и обеспечивать получение информации об исследуемом тепловом режиме как в виде, удобном для визуальной, так и для аналитической оценки. Иными словами, на основании данных, полученных в результате исследования, должна быть построена визуальная модель - трехмерный график на основе измерений в исходных точках и аппроксимации полученных значений на весь объем конструкции, подлежащей исследованию. При этом, учитывая относительно небольшое количество каналов, целесообразно предоставить доступ к исходному массиву полученных данных (12 значений). Требования к системным ресурсам - согласно утвержденного ТЗ.

Общая структура ПО для разрабатываемой системы приведена на рисунок 5.1.1.

Рисунек 5.1.1 - Структура программного обеспечения АСИТР

В рамках данного проекта предполагается реализовать некоторую часть ПО для разрабатываемой системы, сакцентировав внимание на разработке прикладного ПО и, в частности, пользовательского интерфейса .

Учитывая требования к разрабатываемой системе, изложенные в ТЗ, а также принятые выше схемотехнические решения, разработаем алгоритм работы программы (БГУИ.411117.001Д).

5.2 Выбор и обоснование пользовательского интерфейса

Интерфейс пользователя является одной из самых важных частей приложения - это то, что видит пользователь. Для него интерфейс и есть само приложение [14]. Пользователю не требуется знать, какой код выполняется за каждой сценой интерфейса. С точки зрения пользователя, неважно, сколько времени и усилий было затрачено разработчиком на написание и оптимизацию кода, практичность разработанного приложения зависит от интерфейса.

Интерфейс приложения производит на пользователя наибольшее впечатление при оценке всего приложения, вне зависимости от того, насколько совершенен с технической точки зрения его код. Пользователь смотрит на приложение исключительно как на комфортное и эффективное средство достижения определенной цели. Хорошо разработанный интерфейс изолирует пользователя от тонкостей программирования, облегчая выполнение поставленной задачи.

Для приложений Windows существуют два основных стиля интерфейсов пользователя: интерфейс с одним документом (single - document interface, SDI) и интерфейс со многими документами (multiple - interface document, MDI). Приложения, используемые стиль SDI, позволяют одновременно открывать только один документ - чтобы открыть другой, следует закрыть предыдущий. В качестве примера можно назвать NotePad, WordPad, AutoCAD 14 и др.

Приложения с интерфейсами MDI позволяют отображать одновременно несколько документов, причем каждый документ отображается в своем окне. В приложениях MDI присутствует меню Окно (Window) с командами для переключения между окнами или документами.

Кроме двух наиболее распространенных стилей интерфейса, SDI и MDI, существует также третий, менее популярный - интерфейс в стиле проводника (explorer - style interface). Это интерфейс состоит из одного окна, содержащего две панели. На левой панели представлено дерево или иерархический вид, правая панель является областью отображения, как, например, в Microsoft Windows Explorer. Этот тип интерфейса предназначен для перемещения среди большого числа документов или их просмотра.

Для разрабатываемого приложения целесообразно использовать MDI интерфейс. Такой выбор придаст приложению большую гибкость, а следовательно - и удобство пользователю: возможности по сравнению содержимого нескольких окон, простое переключение из одного документа в другой и т.п.

Учитывая возложенные на разрабатываемую систему задачи, а также эргономические требования, предъявляемые к интерфейсу приложения [14], разработаем «внешний вид» управляющей программы для АСИТР (рисунок 5.2.1).

Рисисунок 5.2.1 - Общий вид первой загружаемой формы управляющей программы

В связи с относительно небольшим перечнем задач, возлагаемых на управляющую программу (а, следовательно, и предоставляемых пользователю сервисов), а также учитывая требование к программному интерфейсу по простоте [14], включение в интерфейс панели инструментов представляется нецелесообразным.

Главное меню управляющей программы состоит из четырех пунктов: «Измерения», «Вид», «Окно», «Помощь», для выбора которых определены соответствующие клавиши доступа (<Alt>+первая буква названия пункта). Кроме того, для наиболее часто используемых команд меню (из подменю «Измерения») назначены быстрые клавиши, используемые для непосредственно выполнения требуемой команды (<Ctrl>+ латинский «эквивалент» начальной буквы заголовка команды).

Общий вид используемых подменю представлен на рисунок 5.2.2.

Рис. 5.2.2 - Общий вид используемых подменю

Известно, что внимание пользователя прежде всего направлено на левый верхний угол зрительной зоны [14], т. е. ее сканирование происходит слева направо и сверху вниз. Следовательно, элементы управления в приложении следует необходимо располагать, учитывая данный факт.

В подменю «Измерения» сгруппированы основные системные сервисы: «Начать» <измерения>, «Открыть» <сохраненный документ>, «Сохранить» <результаты>, «Печать» <результатов измерений>, «Выход» <из приложения>.

Обращение к системным настройкам осуществляется через подменю «Вид» (графическое и числовое представление результатов измерения, калибровка и настройка системы).

Подменю «Окно» - стандартное для MDI интерфейса и содержит команды компоновки открытых подчиненных окон («Каскадом», «Выстроить значки»), а также отображает названия всех открытых подчиненных форм.

Из подменю «Помощь» можно вызвать файл справки, а также форму, содержащую информацию о программе («Вызов справки» и «О программе» соответственно).

После выбора команды «Начать» пользователю открывается форма, представленная на рисунок 5.2.3, в которой выбираются требуемые для измерения каналы, а также режим (время) измерения.

Рисисунок 5.2.3 - Форма «Начать измерения»

После нажатия кнопки «ОК» на форме «Начать измерения» пользователю открывается следующее рабочее окно программы, на которое будут выведены графические результаты измерения. В зависимости от выбранного на предыдущей форме режима измерения данные выводятся либо после заданного времени, либо сразу после окончания измерения (длительность задержки определяется быстродействием аппаратуры модуля АЦП). Формы для этих двух случаев представлены на рисунках 5.2.4 и 5.2.5 соответственно.

Рисунок 5.2.4 - Форма, открывающаяся после начала измерений с заданными временными параметрами



Рисунок 5.2.5 - Форма, содержащая «графические» результаты исследования

Следует отметить, что после задания режима измерения, отличного от «Немедленного» и нажатия кнопки «ОК», пользователю представляется форма, на которой кроме соответствующей надписи некоторые элементы сигнализируют о проведении эксперимента (анимационный элемент в левом верхнем углу экрана, кнопка «Численные значения» недоступна).

Кроме того, на форме расположена кнопка «Закрыть все», которая позволяет прервать эксперимент в любой момент, а также закрыть данную форму и форму с численными результатами проведенного исследования.

По нажатию кнопки «Численные значения» открывается форма, на которой отображаются численные значения полученных экспериментальных данных и номера каналов, по которым производились измерения (рисунок 5.4.6).

Рисунок 5.2.6 - Форма, отображающая численные значения, полученные в ходе эксперимента

Более эффективные средства визуализации модели теплового поля исследуемого объекта представляет пакет «Matlab 5.2». На рисунке 5.2.7 показано представление теплового поля объекта средствами его функции «Surf».



Рисунок 5.2.7 - Визуализация теплового режима исследуемого объекта средствами «Matlab 5.2»

Таким образом, вышеприведенные положения являются основой для выбора и построения пользовательского интерфейса управляющей программы проектируемой системы. Все уточнения и дополнения по данному вопросу приведены в п. 5.3.

5.3 Разработка программных модулей

В связи с тем, что разработка всего комплекса программных средств (как прикладного, так и системного ПО - см. рисунок 5.1.1) для проектируемой системы - задача весьма трудоемкая и требующая специальной повышенной квалификации от разработчика, в рамках данного дипломного проекта, как уже отмечалось выше (п. 5.1), предполагается реализовать некоторую часть ПО для АСИТР, сакцентировав внимание на разработке прикладного ПО и, в частности, пользовательского интерфейса.

Разработку пользовательского интерфейса управляющей программы для АСИТР целесообразно выполнить на языке Visual Basic (в частности, используя версию Visual Basic 6.0 Professional Editor), который представляет собой мощный аппарат для создания высококачественных Windows - приложений, совмещая при этом широкие возможности с простотой создания кода [14]. Однако, в связи тем, что широко распространенный бесплатный элемент управления «Microsoft Chart Control» (Version 6.00.00) не содержит средств для построения наиболее приемлемой для решения данной задачи поверхностной диаграммы, и, как следствие, не является наиболее удачным средством визуализации тепловой модели исследуемого объекта, для этой цели целесообразно использовать возможности математического пакета «Matlab 5.2». «Matlab» представляет собой интерактивную программу, предназначенную для цифровых вычислений, обработки пользовательских данных и сигналов, а также наглядной визуализации результатов. Система Matlab сформирована на основе матричного программного обеспечения для работы с линейными системами уравнений.

Говоря о математическом обосновании построения тепловой модели исследуемого устройства ЭВМ, необходимо заметить, что для решения этой задачи нужно использовать интерполяцонную теорию (для вычисления температур, в промежуточных точках, т. е. в тех точках теплового поля, в которых непосредственно не установлены датчики температуры). Однако, учет суперпозиции полей и функций зависимостей распределения температуры от расстояния до источника тепловой энергии применительно к двухмерному пространству, является достаточно сложной задачей. Поэтому, при построении тепловой модели исследуемого устройства ЭВМ целесообразно использовать ряд упрощений и допущений, которые, однако, не приведут к невыполнению требований, предъявляемых к разрабатываемой системе по точности измерений.

Фрагменты программного обеспечения АСИТР приведены в Приложении 3.

5.4 Рекомендации по работе с программой

При разработке представленных в Приложении 3 фрагментов управляющей программы особое внимание было сакцентировано на построении доброжелательного интерфейса и поэтому представленное ПО во многом является самодостаточным и не требующим обширных дополнительных рекомендаций по работе. Однако, как и в каждой прикладной программе, учитывая особенности различных пользователей, есть некоторые аспекты использования ПО, которые нуждаются в уточнении и дополнительных разъяснениях для пользователей. Сюда можно отнести вопрос, связанный с вводом координат устанавливаемых на исследуемый объект датчиков. Очевидна нецелесообразность помещения непосредственно на форму какого-либо то пусть даже самого небольшого по объему руководства по заполнению соответствующих полей. Такую информацию предпочтительнее поместить в файл справки и в справку «Что это?».

6 ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

6.1 Градуировка датчиков, настройка и регулировка системы

Для получения адекватных данных об исследуемом тепловом режиме с помощью АСИТР необходимо выполнить (однократно) ряд действий по настройке и регулировке системы. Первое, что требуется сделать - необходимо откалибровать используемые датчики.

Для выполнения данной задачи для проектировщика имеет смысл построить график температурной зависимости напряжения база - эмиттер (V_be) для используемого в качестве теплодатчика транзистора. Для этого необходимо: 1) определить реальное значение V_be на границах измеряемого интервала температур (согласно ТЗ: - 30 , +100⁰С); 2) построить график линейной зависимости V_be= V_be (Т_х) с использованием двух значений V_be: V_be(- 30⁰С ) и V_be(+100⁰С). Для проверки линейности данной зависимости целесообразно дополнительно измерить значения V_be в нескольких промежуточных точках рабочего диапазона температур (построить реальную градуировочную кривую).

На рисунке 6.1.1 представлена градуировочная кривая.



Рисунок 6.1.1 - Градуировочная кривая

Построение градиировочной кривой подтвердило, что для применяемых датчиков зависимость выходного напряжения от измеряемой температуры носит линейный характер. Некоторая нелинейность (неотображаемая на графике и лежащая в пределах 0,5 - 2%) объясняется погрешностями измерительной аппаратуры.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что применяемые датчики полностью соответствуют представленным фирмой-разработчиком на них техническими условиями.

В п.5.3 представлен фрагмент кода, из которого очевидны принципы использования и калибровки датчика: в граничных точках измеряемого интервала температур определяются данные от модуля АЦП, которые используются для расчета коэффициента линейной зависимости температуры от напряжения (Я) и далее, расчет температуры производится по формуле: Тх = Я *( V_adcx - V_adco), где V_adcx - данные от модуля АЦП при измеряемой температуре, V_adco - данные (однажды измеренные и записанные в память) при температуре 0⁰С.

6.2 Экспериментальное исследование теплового режима системного блока ПЭВМ

В качестве исследуемого блока выберем блок персональной ЭВМ, который конструктивно содержит трансформаторный блок питания для питания электронной части ПЭВМ. Электронная часть реализована в виде объединительной панели (корзины) с установленными на ней горизонтально ячейками. Технические характеристики блока приведены в Приложении 2.

Как известно, температура нагрева устройства оказывается выше температуры окружающей среды, в результате чего происходит процесс отдачи тепла в окружающую среду. Этот процесс идет тем интенсивнее, чем больше разность температур рассматриваемого устройства и окружающей среды. Кроме того, следует помнить, что нагрев блока определяется величиной энергии, зависящей от времени. Если за определенный промежуток времени в блоке выделяется тепла больше, чем он может рассеять в окружающую среду, то тепло идет на нагрев элементов прогрессирует (нестационарный режим). В зависимости от конструкции изделия, а также от условий окружающей среды, через некоторое время наступает установившийся (стационарный) режим, при котором дальнейший нагрев элементов прекращается, и в окружающую среду отдается постоянная тепловая энергия.

Таким образом, для получения достоверных данных о реальном (стационарном) тепловом режиме исследуемого блока необходимо проводить измерения температур тепловыделяющих элементов через некоторое время (15 - 20 минут) после включения устройства.

В эксперименте целесообразно исследовать тепловой режим не всех компонентов входящих в состав блока, а лишь критичных к перегреву (в частности, ИМС - см. Приложение 2).

Необходимо также помнить, что кроме источников тепла, по которым производятся измерения, в исследуемом блоке присутствуют и нерассматриваемые источники тепловой энергии.

Учитывая вышеизложенное, произведем экспериментальное исследование теплового режима рассматриваемого блока. Датчики установим на поверхности исследуемых ИМС. Результаты исследования приведены на плакате БГУИ.411117.004Д (на первую ИМС, приведенную в таблице, поместим датчик №1, на 12-ую - №12).

Полученные в ходе проведенного эксперимента значения температур компонентов исследуемого блока ПЭВМ необходимо сопоставить с результатами теоретического расчета теплового режима данного блока, что и будет сделано в п. 6.3.

6.3 Теоретический расчет теплового режима системного блока ПЭВМ

Как было сказано п. 2, расчет теплового режима устройств ЭВМ заключается главным образом в определении по конструктивным данным тепловой модели температур нагретых зон (объем, в котором происходит рассеяние тепла) и поверхностей элементов. В ходе расчета определяют также температуру в других характерных зонах устройства (окружающего воздуха, корпуса и т.д.) и характеристики системы охлаждения.

При расчете тепловых режимов конструкций ЭВС реальную систему представляют в виде модели. Понятие тепловой модели было введено Г. Н. Дульневым [3]. Им же сформулировано основное требование, предъявляемое к тепловой модели: тепловая модель должна быть адекватна изучаемому явлению и реализуема математически.

Конструкция ЭВМ является системой многих тел с неравномерно распределенными источниками (элементами, выделяющими тепло) и стоками (- поглощающими) тепловой энергии. Ее температурное поле может иметь достаточно сложный характер, зависящий от распределения источников и стоков тепла, геометрии элементов конструкции и их теплофизических свойств. При построении тепловой модели упрощают рассматриваемые элементы конструкции и идеализируют протекающие в них тепловые процессы.

Один из способов упрощения - замена сложной по форме нагретой зоны элемента конструкции (например, субблока с разногабаритными комплектующими элементами, выделяющими неодинаковую тепловую энергию) прямоугольным параллелепипедом - эквивалентной нагретой зоной с одинаковой среднеповерхностной температурой и равномерно распределенным источником тепловой энергии. Такая замена выполняется на основании принципа усреднения [3].

В ряде случаев форму эквивалентной нагретой зоны определяют на сновании принципа местного влияния, который формулируется следующим образом: «любое местное возмущение температурного поля является локальным и не распространяется на отдаленные участки поля». Принцип суперпозиции температурных полей также используют при исследовании температурных режимов устройств ЭВМ для упрощения анализа сложных условий теплообмена и построения тепловой модели исследуемого объекта.

Рассчитаем тепловой режим блока, для которого проводились экспериментальные исследования (п. 6.2).

В исследуемом блоке используется принудительное воздушное охлаждение, следовательно, расчет теплового режима необходимо осуществить по соответствующей методике, представленной ниже.

Исходными данными являются размеры блока I_б1, I_б2, I_б3 (плоскость I_б1x I_б2 ориентирована перпендикулярно направлению продува, размер I_б3 - вдоль направления продува), рассеиваемая блоком мощность Р_б, максимальная температура на входе блока Т_вх, рассеиваемая компонентом мощность Р_к, его поверхность S_к и расстояние в направлении продува воздуха от места поступления в блок до компонента l_{п. к.} , расход воздуха G_в, эскиз блока (в Приложении).