Разработка конструкции и технологии изготовления модуля управления временными параметрами

Особое значение имеет выбор формы и размеров печатной платы. Приемлемым является расположение межсоединений или на одной ПП (идеальное решение) или хотя бы на минимальном их количестве. Вследствие этого целесообразно применение крупноформатных печатных плат. С другой стороны проще выполнять раскладку печатных проводников на небольшой плате. Поскольку важнейшими параметрами конструкций печатных плат являются электрические параметры, в значительной мере определяющие быстродействие ЭВС, то это обстоятельство также влияет на выбор размеров ПП.

Другими критериями выбора размеров, формы, а также мест крепления ПП могут быть, например, установочные размеры узлов, размеры и форма ИЭТ; эксплуатационные характеристики ЭВС; использование автоматизированных методов установки навесных элементов, пайки, контроля, а также другие технико-экономические показатели. Размеры сторон печатных плат должны соответствовать ГОСТ 10317-79 и другим НТД, разработанным в его ограничение. Такими НТД, например, могут являться ГОСТы, ОСТы или СТП, определяющие типоразмеры конкретных систем базовых конструкций ЭВС. Обычно рекомендуется разрабатывать ПП прямоугольной формы с соотношением сторон не более 3:1.

Толщину основания печатной платы H _п ,в основном, определяют в зависимости от механических нагрузок на печатную плату и от ее конструктивных особенностей. Толщина печатной платы также определяет технологические возможности металлизации отверстий.

Толщину МПП определяют толщиной материала основания с учетом толщины фольги. Если на печатной плате конструктивно размещаются концевые печатные контакты (ламели) разъемных соединителей прямого сочленения, то при выборе толщины ПП следует учитывать, что допуск на суммарную толщину ПП и на соединитель должны сопрягаться, следовательно, выбираем толщину печатной платы равную 2 мм.

Выбор материала основания производят с учетом обеспечения электрических и физико-математических характеристик ПП в результате воздействия климатических факторов, механических нагрузок, агрессивных химических средств и т.п. В некоторых случаях в качестве материалов оснований печатных плат могут применяться нетрадиционные материалы: керамика, металлы с диэлектриками, композиционные и составные материалы .

С целью обеспечения стабильности параметров печатных плат, обеспечения паяемости, защиты от коррозии, применяют конструктивные металлические покрытия. Материалами таких покрытий обычно являются: сплав Розе (1.5-3 мкм); сплав О-С (9-15 мкм); серебро-сурьма (6-12 мкм); медь (25-30 мкм) и др.

Для защиты печатных проводников и поверхности основания печатной платы от воздействия припоя, для защиты элементов проводящего рисунка от замыкания навесными элементами возможно применение диэлектрических защитных покрытий на основе эпоксидных и др. смол, лаков, эмалей и т.п.

5.1.2 Конструкторско-технологический расчет элементов печатного рисунка

Расчет элементов печатного рисунка обычно включает две основные стадии: конструкторско-технологический расчет параметров элементов и расчет электрических параметров. Наравне с электрическими параметрами печатных плат необходимо определить такие конструктивно-технологические параметры печатной платы, как ширина и шаг трассировки печатных проводников, диаметр контактных площадок, число проводников, которое можно провести между двумя соседними отверстиями, диаметр отверстий на плате до и после металлизации.

При расчете элементов печатного монтажа следует учитывать технологические особенности производства, допуски на всевозможные отклонения значений параметров элементов печатного монтажа, установочных характеристик корпусов ИМС, требования по организации связей, вытекающие из схемы электронного функционального узла, а также перспективности выбранной технологии.

Исходные данные для конструкторско-технологического расчета элементов плат следующие: шаг координатной сетки по ГОСТ 10317-79 и равный 2,5 мм; допуски на отклонения размеров и координат элементов печатной платы от номинальных значений, зависящих от уровня технологии, материалов и оборудования; установочные характеристики навесных элементов.

Расстояние между центрами двух соседних отверстий на плате (контактных площадок) L условно делят на зоны :

а) контактной площадки;

б) печатного проводника;

в) зазора (между контактными площадками, печатными проводниками и контактными площадками и проводниками);

Понятие «зона печатного элемента» включает не только номинальное значение их размеров и координат, но и допуски на отклонение этих размеров от номинальных значений:

, (5.1)

где ширина зоны контактной площадки, мм;

ширина одного печатного проводника, мм;

число проводников между двумя соседними контактными площадками, шт;

ширина зазора между соседними печатными элементами, для третьего класса точности равна 0,25 мм. ;

шаг основной координатной сетки;

коэффициент шага основной координатной сетки.

С учетом допусков на размеры печатных элементов:

, (5.2)

где максимальный диаметр контактной площадки, мм;

максимальная ширина печатного проводника, для третьего класса точности равна ;

величина максимального отклонения оси печатного проводника (или центра контактной площадки) от номинального положения, определяемая точностью изготовления фотооригинала и размерной стабильностью фотошаблона и равна ;

предельная величина зазора, при которой еще гарантируется надежная изоляция печатных элементов друг от друга .

Диаметр контактной площадки не может быть меньше величины, обеспечивающей гарантированную ширину металла вокруг просверленного отверстия. С учетом возможного смещения центра отверстия относительно центра контактной площадки:

, (5.3)

где D _с - диаметр зоны сверления с учетом допусков на смещение центра отверстия, мм;

минимальная ширина гарантированного пояска, принимаемая для всех типов плат равной .

Величина зоны сверления складывается из диаметра отверстия и допусков на точность сверления, точность совмещения фотошаблонов (в случае МПП), а также точность фотошаблонов:

, (5.4)

где диаметр отверстия до металлизации;

величина смещения фотошаблонов МПП. Для всех типов плат современная технология гарантирует не хуже ;

величина отклонения центра отверстия при сверлении. Определяется точностью оборудования и составляет при ручном сверлении ,

Выводы ИМС и других навесных радиоэлементов вставляют в металлизированные отверстия печатной платы. Для этого необходимо, чтобы диаметр отверстия после металлизации был равен:

, (5.5)

где эквивалентный диаметр выводов ИМС, навесных радиоэлементов, контактов разъема, равный ;

величина зазора, обеспечивающая установку выводов в отверстия и их распайку .

Следовательно,

С учетом толщины слоя металлизации стенок отверстий, диаметр отверстий определяется по формуле:

, (5.6)

где толщина слоя металла на стенках отверстия .

Следовательно,

Шаг трассировки печатных проводников определяется выражением:

(5.7)

Следовательно,

Диаметр переходного отверстия рассчитывается по формуле:

, (5.8)

где толщина печатной платы, принимаем равной

Следовательно,



Принимаем диаметр переходного отверстия равный

По формуле (5.3) рассчитаем диаметр контактной площадки переходного отверстия:

По формуле (5.4) рассчитаем диаметр зоны сверления монтажных отверстий:

По формуле (5.5) рассчитаем диаметр контактной площадки монтажных отверстий:

Минимальное расстояние для прокладки го количества проводников между двумя отверстиями с контактными площадками определим по формуле (3.18):

т.е. между двумя контактными площадками можно провести только один проводник.

Подтвердим данный расчет, расчетом на ЭВМ. В приложении 1 приведены результаты расчета элементов печатного рисунка на ЭВМ.

Произведем расчет максимальной длины печатных проводников.В печатных платах ЭВС проводники проходят на достаточно близком расстоянии друг от друга и имеют относительно малые линейные размеры сечения. При большом времени переключения и малых тактовых частотах параметры печатных проводников, соединяющих выходы этих элементов с входами других, не оказывают существенного воздействия на быстродействие всей схемы в целом и на помехоустойчивость элементов.

С увеличением быстродействия схемы все большее значение приобретают вопросы высокочастотных связей. Особенно это важно в микроэлектронных изделиях, поскольку время переключения составляет единицы и доли наносекунд и высока плотность размещения микросхем.

При передаче высокочастотных импульсных сигналов по печатным элементам платы из-за наличия индуктивного сопротивления проводников, взаимной индуктивности и емкости, сопротивления утечки между проводниками и др., сигналы задерживаются, «отражаются», искажаются, появляются также перекрестные помехи. Поэтому необходима проверка электрических параметров печатных проводников по переменному току.

Распределение переменного тока по сечению печатного проводника вследствие поверхностного эффекта неравномерно. При протекании по проводнику высокочастотного переменного тока внутри проводника образуется магнитное поле, приводящее к возникновению индукционного тока, взаимодействующего с основным. Вследствие этого происходит перераспределение тока по сечению проводника, и в результате его плотность в периферийных областях сечения возрастает, а ближе к центру уменьшается. На очень больших частотах ток практически равен нулю во внутренних слоях проводника.

Емкость между печатными проводниками, используемыми в качестве линий связи в логических схемах (также как индуктивность и взаимоиндуктивность) служит источником помех. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся случаи.

Емкость между параллельными печатными проводниками одинаковой ширины, расположенной на одной стороне платы:

(5.9)

где - ширина зазора между соседними печатными элементами;

диэлектрическая проницаемость среды, которая определяется из выражения:

(5.10)

где диэлектрическая проницаемость лака УР-231 ();

диэлектрическая проницаемость материала платы (для стеклотекстолита ).

Следовательно,

;

Емкость между двумя параллельными проводниками, расположенными по обе стороны печатной платы с толщиной диэлектрика:

(5.11)

где толщина изоляционного слоя, равная

Следовательно,

Собственная индуктивность печатного проводника:

(5.12)

Следовательно,

Индуктивность двух параллельных печатных проводников шириной, расположенных с одной стороны печатной платы и с заземляющей плоскостью:

(5.13)

где ширина двух параллельных печатных проводников, мм.

Следовательно,

Индуктивность двух параллельных печатных проводников шириной, расположенных с одной стороны печатной платы без заземляющей плоскости:

(5.14)

Следовательно,

Конструктивная задержка в одиночном печатном проводнике зависит от паразитной индуктивности и емкости:

(5.15)

где погонная задержка в проводнике;

магнитная проницаемость ( для немагнитных материалов).

Следовательно,

Паразитная индуктивность и емкость определяются по формулам:

(5.16)

 (5.17)

Следовательно,

Для определения допустимых величин паразитных связей на печатных платах следует учитывать динамическую помехоустойчивость применяемых микросхем. Ее следует рассчитывать для двух случаев:

- ложное срабатывание: помеха может привести к переключению микросхем функционального узла, не предусмотренному алгоритмом его работы;

- сбой сигнала: помеха накладывается на информационный сигнал и препятствует переключению микросхем функционального узла в соответствии с алгоритмом их работы.

Динамическая помехоустойчивость микросхем характеризуется значениями амплитуды импульса помехи , длительностью помехи , при которых еще не происходит переключения R-S триггера.

Значение допустимой величины паразитной емкости между двумя соседними проводниками, полученное на основе экспериментального определения помехоустойчивости микросхем для случаев ложного срабатывания и сбоя сигнала для микросхем серии 1533 соответственно равны

Сбой сигнала следует учитывать в случае максимального быстродействия, при этом обеспечивается условие отсутствия ложных срабатываний.

Экспериментально полученное значение допустимой величины индуктивности шин заземления в зависимости от величин протекающего в них импульсного тока, при которых еще не происходит переключение микросхем от помех в шине заземления равно .

Как видно из вышеизложенного расчета величины паразитной емкости между печатными проводниками и их индуктивность не превышают допустимых величин.

Проверочный расчет помехоустойчивости печатной платы заключается в расчете допустимых длин проводников в зависимости от учета одновременного действия емкостной и индуктивной паразитной связи между двумя параллельно расположенными проводниками.

В этом случае:

(5.18)

где допустимая длина параллельно расположенных соседних проводников при воздействии только паразитной емкостной связи, см;

допустимая длина параллельно расположенных соседних проводников при воздействии только индуктивной паразитной связи, см.

(5.19)

(5.20)

Следовательно,

,

Допустимая длина шины питания и земли определяется по формуле:

(5.21)

где паразитная индуктивность шины питания и земли, определяется из выражения:

(5.22)

где длина шины питания и земли, см;

ширина шины питания и земли,см.

Следовательно,

По формуле (5.22) определим допустимую длину шины питания и земли:

Величину емкости конденсатора сглаживающего фильтра определяют по формуле:

, (5.23)

где наибольшая длительность фронта импульса тока в переключающих схемах;

число, показывающее во сколько раз уменьшится амплитуда паразитных осцилляций в шинах питания, ;

суммарная индуктивность участков шин питания и заземления, по которым замыкается ток переключения схем.

Следовательно,

.

Для одновременного уменьшения низкочастотных и высокочастотных паразитных осцилляций в шинах питания рекомендуется параллельно низкочастотному конденсатору фильтра емкостью порядка включать один или несколько (два, три) высокочастотных конденсаторов с малым модулем сопротивления.

Низкочастотные конденсаторы фильтра рекомендуется устанавливать по одному на каждый номинал питающего напряжения в непосредственной близости от разъема на плате.

Таким образом, максимальная длина проводников получилась гораздо больше чем есть в данной конструкции, следовательно данному критерию плата соответствует.

5.2 Обоснование выбора материалов и применяемых конструкторских решений

Проектирование современной электронно-вычислительной аппаратуры (ЭВА) основано на модульном принципе, на базе которого разработаны функционально-модульный, функционально-узловой и функционально-блочный методы конструирования. Основное требование при проектировании ЭВА состоит в том, чтобы создаваемое устройство было эффективнее своего аналога, то есть превосходило по качеству функционирования, степени миниатюризации.

Современные конструирования должны обеспечивать снижение стоимости, в том числе и энергоемкости, уменьшение объема и массы; расширение области использования микроэлектронной базы, увеличение степени интеграции, микроминиатюризацию межэлементных соединений и элементов несущих конструкций; магнитную совместимость и интенсификацию теплоотвода, широкое внедрение методов оптимального конструирования, высокую технологичность, однородность структуры, максимальное использование стандартизации.

Разрабатываемое нами устройство является печатной платой, следовательно, от правильного расположения корпусов микросхем зависят такие параметры как габариты, масса, надежность работы, помехоустойчивость. Чем плотнее будут располагаться корпуса микросхем на плоскости, 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 машины, тем больше длина связей. Поэтому при установке микросхем на печатную плату следует учитывать все последствия выбора того или иного варианта размещения. Выбор шага микросхем на печатной плате определяется требуемой плотностью компоновки микросхем, температурным режимом работы, методом разработки топологии печатных плат, сложностью принципиальной схемы и конструктивными параметрами корпуса микросхемы. Вне зависимости от типа корпуса шаг установки микросхем рекомендуется принимать кратным 2,5мм. При этом зазоры между корпусами не должны быть меньше 1,5мм.

Микросхемы на печатных платах располагаются линейно-многорядно, однако допускается их размещение в шахматном порядке. Такое размещение корпусов микросхем позволяет автоматизировать процессы сборки и контроля, с большей эффективностью использовать полезную площадь печатной платы и прямоугольную систему координат для определения места расположения корпусов.

Корпуса микросхем со штыревыми выводами устанавливают только с одной стороны платы. Преимущество микросхем со штыревыми выводами - возможность автоматизации сборки и монтажа.

Следует также учитывать, что аналоговые микросхемы следует размещать в одном месте платы, для исключения помех.

На начальном этапе компоновки выберем размеры печатной платы соответствующим размерам оговоренных в техническом задании, а именно 120Х100 мм. В последующем эти размеры будут уточняться.

При выборе материалов конструкции, также как и при выборе элементной базы, необходимо руководствоваться комплексом взаимосвязанных физико-механических, электрических, технологических, экономических и других требований.

В первую очередь проведем выбор материала печатных плат.

Основными материалами, применяемыми для изготовления печатных плат, являются слоистые пластики, состоящие из связки и наполнителя. Основные параметры этих материалов приведены в таблице 5.2.1.

Таблица 5.2.1- Основные параметры слоистых пластиков

Параметр	Значение
	Гетинакс	Текстолит	Стеклотекстолит
Относительная диэлектрическая проницаемость	4,5...6	4,5...6	5...6
Тангенс угла потерь (диэлектрических)	0,008...0,02	0,03... 0,04	0,005...0,02
Объемное удельное сопротивление	10...1000	10...1000	1000...10000
Диапазон рабочих температур, оС	от-60 до +80	От -60 до +70	от-60 до +80
Коэфициент теплопроводности	0,25...0,3	0,23... 0,3	0,34...0,74
ТКПР	22	22	8...9
Удельная прочность при растяжении	49	70	180
Удельная прочность при сжатии	-	105	42

Выбор материалов для производства печатной платы нашего устройства необходимо производить исходя из условий его эксплуатации и условий проведения испытаний на прочность.

Материал печатной платы должен обладать механической прочностью на изгиб и растяжение. Кроме этого материал печатной платы должен иметь диапазон рабочих температур не меньший, чем у всего устройства.

Учитывая эти и другие требования можно выбрать в качестве материала печатной платы стелкотекстолит марки СФ2-35-2 ГОСТ 10316-78.

При выборе припоя следует учитывать, что припой должен быть легкоплавким, недорогим и технологичным. Кроме этого припой должен обладать хорошей адгезией к меди, а также иметь малое переходное сопротивление. Выберем наиболее распространенный оловяно-свинцовый припой марки ПОС-61 ГОСТ 21931-76. Характеристики этого припоя приведены в таблице 5.2.2.

Таблица 5.2.2 Характеристика припоя марки ПОС-61

Характеристика	Значение
Температура полного раплавления, оС	190
Электросопротивление, мкОм/м	0,12
Прочность паяемых соединений, МПа	30...40

5.3 Размещение элементов и трассировка печатной платы средствами САПР

5.3.1 Анализ топологии

Проектирование современной электронно-вычислительной аппаратуры (ЭВА) основано на модульном принципе, на базе которого разработаны функционально-модульный, функционально-узловой и функционально-блочный методы конструирования. Основное требование при проектировании ЭВА состоит в том, чтобы создаваемое устройство было эффективнее своего аналога, то есть превосходило по качеству функционирования, степени минитюаризации.

Современные методы конструирования должны обеспечивать снижение стоимости, в том числе и энергоемкости, уменьшение объема и массы; расширение области использования микроэлектронной базы, увеличение степени интеграции, микроминитюаризацию межэлементных соединений и элементов несущих конструкций; магнитную совместимость и интенсификацию теплоотвода, широкое внедрение методов оптимального конструирования, высокую технологичность, однородность структуры, максимальное использование стандартизации.

Разрабатываемое нами устройство является печатной платой, следовательно, от правильного расположения корпусов микросхем зависят такие параметры как габариты, масса, надежность работы, помехоустойчивость. Чем плотнее будут располагаться корпуса микросхем на плоскости, 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 машины, тем больше длина связей. Поэтому при установке микросхем на печатную плату следует учитывать все последствия выбора того или иного варианта размещения. Выбор шага микросхем на печатной плате определяется требуемой плотностью компоновки микросхем, температурным режимом работы, методом разработки топологии печатных плат, сложностью принципиальной схемы и конструктивными параметрами корпуса микросхемы. Вне зависимости от типа корпуса шаг установки микросхем рекомендуется принимать кратным 2,5мм. При этом зазоры между корпусами не должны быть меньше 1,5мм.

Микросхемы на печатных платах располагаются линейно-многорядно, однако допускается их размещение в шахматном порядке. Такое размещение корпусов микросхем позволяет автоматизировать процессы сборки и контроля, с большей эффективностью использовать полезную площадь печатной платы и прямоугольную систему координат для определения места расположения корпусов.

Корпуса микросхем со штыревыми выводами устанавливают только с одной стороны платы. Преимущество микросхем со штыревыми выводами - возможность автоматизации сборки и монтажа.

Следует также учитывать, что аналоговые микросхемы следует размещать в одном месте платы, для исключения помех.

Внедрение в инженерную практику методов автоматизации проектирования позволяет перейти от традиционного макетирования разрабатываемой аппаратуры к ее моделированию с помощью персональных компьютеров (ПК). Более того, с помощью ПК возможно осуществить цикл сквозного проектирования, включающий в себя: синтез структуры и схемы электрической принципиальной (ЭП) устройства, анализ его характеристик в различных режимах с учетом разброса параметров компонентов и наличия дестабилизирующих факторов и параметрическую оптимизацию, синтез топологии, включая размещение элементов на плате или кристалле, выпуск конструкторской документации (КД).

Топология печатной платы (ПП) разрабатывается после завершения схемотехнического моделирования. На этом этапе осуществляется размещение элементов на ПП и трассировка соединений.

Заключительным этапом разработки является проверка топологии. На нем проверяется соблюдение технологических норм, соответствие топологии схеме ЭП, а также рассчитываются электрические характеристики схемы с учетом паразитных параметров, присущих конкретной конструкции.

Одни из наиболее распространённых систем автоматизированного проектирования на ПК - система PCAD фирмы ACCEL Technologies и система OrCad . В них содержатся редакторы принципиальных схем и многослойных ПП, программа автоматического размещения компонентов на ПП и трассировки соединений, выдача данных на станки с ЧПУ, а также вспомогательные сервисные программы.

Для нанесения на чертежи схем и плат надписей создана программа рисования алфавитно-цифровых символов набором стандартных символов графических примитивов и вставки текста с помощью макрофайлов.

Для окончательной доводки чертежей к виду, регламентированному требованиями ГОСТов, можно использовать систему AutoCAD.

Система позволяет разрабатывать двухмерные чертежи и рисунки в различных областях человеческой деятельности, разрабатывать и моделировать каркасные и объемные конструкции. Данная система дает возможность редактировать чертежи, которые были импортированы из других пакетов, с последующей выдачей их на принтер или плоттер.

В данном дипломном проекте, используя схему ЭП и исходные данные ТЗ, необходимо произвести топологический синтез печатной платы (ПП). В результате должны получиться чертежи топологии ПП и сборочный чертёж печатного узла.

Исходными данными являются следующие документы и указания:

Схема электрическая принципиальная.

Способ монтажа -- печатный.

Основные размеры печатной платы (ПП) в соответствии со стандартом МЭК297-3[1];

Шаг координатной сетки и отверстий--2,5 мм;

Шаг трассировки печатных проводников, ширину печатных проводников, диаметр контактных площадок и переходных отверстий определить с использованием методики [2];

Число слоёв ПП -- не менее 2;

Коэффициент заполнения ПП - не менее 0,8.

Ввод электрической схемы, генерацию списка связей, компоновку и размещение элементов и трассировку ПП осуществлять средствами пакета САПР OrCad, учитывая результаты расчёта в п.5.1.1 и 5.1.2.

Передать результаты проектирования в систему AutoCad.

Чертежи ПП и печатного узла выполнить средствами пакета САПР AutoCad.

Опишем некоторые особенности применяемых пакетов САПР.

Система САПР Or-CAD позволяет выполнять:

создание условных графических обозначений (УГО) элементов принципиальной схем; создание корпусов компонентов; графический ввод схемы электрической принципиальной и конструктивов ПП; 1- и 2-стороннее размещение компонентов (корпуса со штыревыми выводами) на ПП с печатными шинами; трассировка ПП проводниками произвольной ширины; автоматизированный контроль результатов разработки печатного узла на соответствие схеме ЭП и технологическим ограничениям (зазоры и т.д.); автоматическая коррекция схемы ЭП по результатам размещения и трассировки.

Программный комплекс Or-CAD включает в себя взаимосвязанные пакеты программ, образующих систему сквозного проектирования ПП электронной аппаратуры. В ее состав входят следующие программы:

Or-CAD Capture - графический ввод и редактирование принципиальной электрической схемы, графический ввод и редактирование символов радиоэлектронных компонентов на принципиальных схемах;

Layout Plus - графический ввод и редактирование корпусов компонентов РЭА и стеков контактных площадок. Автоматическое или ручное размещение компонентов на плате;

Система САПР Or-CAD не позволяет выполнять выпуск КД на печатный узел и подготовку ТД, удовлетворяющих, указанным в п.1 (анализ ТЗ), ГОСТам. Поэтому, как оговаривалось раньше, необходима доработка результатов проектирования средствами пакета САПР AutoCad. К таким доработкам относятся следующие:

редактирование ранее созданного текста;

создание текста содержащего символы кирилицы;

простановка размеров на печатном узле;

В связи с тем, что в системе САПР AutoCad возможно более быстрое и эффективное создание графических примитивов, то рисование рамки, штампа основой надписи, редактирование ранее созданных графических примитивов в системе Or-CAD целесообразно производить средствами пакета САПР AutoCad. Так как эта система позволяет создавать окружности более сглаженной округлой формы (в дальнейшем это явно выразится при выводе результатов проектирования на печатающее устройство (принтер)), то необходимо произвести корректировку результатов, полученных в Or-CAD, средствами AutoCad.

Как и система Or-CAD система AutoCAD поддерживает слойность чертежа. Слои обладают свойствами сходными со слоями Or-CAD, что дает возможность редактировать чертежи созданные Or-CAD-ом. Слои в AutoCAD могут содержать имя слоя, состоящее из символов и цифр-букв, они могут переходить из включенного состояния в выключенное и наоборот.

Решение задачи топологического синтеза с помощью пакета САПР OrCAD сводится к получению чертежей топологии ПП в соответствии с созданной схемой ЭП и технологическими ограничениями на разрабатываемый печатный узел, оговоренными в исходных данных к курсовому проектированию. Для задания технологических ограничений необходимо использовать средства Layout или SmartRoute.Средствами программы Layout создаётся: контур ПП, барьеры для прокладки трасс в местах крепёжных отверстий печатного узла и технологической зоне по периметру платы.

Производится размещение компонентов. Для этого определяется:

координатная сетка с шагом 2,5 мм, в узлах которой будут размещаться компоненты, а также определяется ориентация размещаемых на ней компонентов;

барьеры для прокладки трасс в местах крепления корпусов компонентов (разъёмов);

список компонентов для размещения и положение дискретных компонентов относительно основных, а также допустимые зазоры между компонентами.

Затем производится фиксация компонентов (разъёмов), не подлежащих перемещению в дальнейшем.

Используя средства программы Layout, задаются параметры и правила для трассировки ПП.

Пункт Options / System Settings:

устанавливается метрическая система единиц, мм;

устанавливаются параметры координатной сетки - шаг основной координатной сетки, в узлах которой будут размещаться центры проводников и переходных отверстий, равен 1,25мм, шаг сетки размещения барьера и текста и шаг сетки размещения компонентов равен 2,5;

Пункт View / Database Spreadsheets / Layer. Просматривается и редактируется структура слоев.

слоям Top и Bottom ставим тип слоя Routing, слоям GND и POWER - Plane соответственно.

Пункт View / Database Spreadsheets / Padstacks. Просматриваются и редактируются стеки контактных площадок и переходные отверстия. Учитываем, что первый вывод в микросхеме должен быть отличной формы от других, поэтому установим его квадратным

Пункт View / Database Spreadsheets / Nets. Просматриваются и редактируются параметры цепей;

разрешаем повторную трассировку для перерасположения трассы;

разрешаем соеденять участеи цепи для Т- образных соеденений;

шинам “ земли” и питания задаем большй приоретет трассировки

Пункт Options / Global Spacing

приводим значения зазоров между проводниками, между проводниками и контактными площадками, между проводниками и отверстиями, между отверстиями для всех слоев ПП.

Пункт Options / Route Settings. Задаются глобальные параметры стратегии трассировки.

Пункт Options / Route Strategies / Manual Route. Задаются частные параметры стратегии трассировки.

Via cost - устанавливаем значение веса переходного отверстия равным 20.

Retry cost - при большом значении данного весового коэфициента увеличивается число повторных попыток расположить связь. Ставим значение 80.

Routed Limit - коэффициент влияния на длину трассы.Cтавим значение 100

Attemps - число попыток перерасположить связь. Ставим 2.

Пункт Options / Route Strategies / Route Layers. Сведения о трассировке слоев.

Routing Enabled - разрешение трассировки в данном слое.

Layer Cost - коэффициент определяющий предпочтительные слои для трассировки. При высоком значении коэффициента трассировщик будет стараться избегать данный слой при трассировке.

Direction - весовой коэффициент направления трассировки.

Пункт Options / Route Strategies / Between - весовой коэффициент , который при большом значении ограничивает проведение связей между выводами.

Пункт Options / Route Strategies / Route Sweep - указываются параметры разверток.

45S - разрешает проведение диогональных связей.

Пункт Options / Route Strategies / Route Passes - параметры прохода трассировки.

Name - имена проходов;

Pass - определяет проходы для данной разверки;

Enable - используемость данного прохода;

Options - тип прохода

- Henristics;

Maze;

Auto DFM - алгоритм улучшения трассировки;

Fan out - алгоритм для развоки элементов с поверхностным монтажем;

Via Reduce - минимизатор ПО-ий;

Auto CDE - алгоритм , удаляет ошибки проекта.

Именно в Layout Plus делаются начальные установки и расположение элементов на плате. Далее данные из Layout передаются в SmartRoute.

SmartRoute - Быстрый трассировщик с малым количеством настроек и установок, предназначенный для тестовых промежуточных трассировок, особенно полезных при расстановке элементов по полю платы. Хорошо зарекомендовал себя при оконечной работе с простыми схемами, особенно на мелкой логике. Практика использования данного трассировщика показывает, что его применение в случае печатных плат с большой плотностью расположения компонентов и большим количеством связей даёт вполне приемлемый выходной результат, и при этом заметно сокращается время трассировки по сравнению с Layout Plus.

После того, как мы растрассировали плату, необходимо оформить ее как чертежи топологии в соответствии с требованиями, регламентированными ГОСТами. Система OrCAD не позволяет полностью провести оформительскую работу, и поэтому воспользуемся системой AutoCAD. Для того чтобы AutoCAD смог “прочитать” чертежи, выполненные в системе Or-Cad, преобразуем файлы с расширением .max в файлы формата “.dxf”.

После преобразования мы загружаем файлы в AutoCAD. Далее необходимо: нанести текст в штампе основной надписи, а также технические требования к полученным чертежам, сделать вид сбоку на полученный сборочный чертёж для получения информации о габаритах печатного узла, проставить необходимые размеры и допуски на изделие.

5.3.2 Оценка качества разработанной конструкции

Оценку качества разрабатываемой конструкции можно проводится постепенно, по мере разработки конструкции.

После создания базы данных принципиальной электрической схемы с помощью программы Capture выявляются ошибки, после их исправления можно приступить к разработке ПП.

Для проверки принципиальной схемы в окне менеджера проекта необходимо выполнить команду Tools / Design Rules Check. В появившемся меню необходимо установить контроль всех параметров на наличие ошибок. Результаты проверки заносятся в текстовый файл с расширением .drc.

В выходном файле приводится список ошибок каждого вида и их подробное описание.

Теперь осуществим проверку платы на соответствие ее требуемым технологическим ограничениям.

Как уже отмечалось ранне, трассировка платы производилась в SmartRout. Важным моментом можно отметить то обстоятельство, что программа SmartRoute не позволяет проводить после окончания процесса трассировки технологической проверки правильности разводки печатных проводников и соблюдения определённых норм. Так, чтобы провести данную проверку необходим обратный переход в Layout Plus.

Утилита Design Rules Check проверяет разведенную базу данных ПП и выявляет не разведенные проводники, нарушение технологических требований к проектированию ПП.

Результаты проверок приводятся в приложении.

5.4 Конструкторские расчеты

5.4.1 Компоновочный расчет устройства

Компоновка блока - размещение на плоскости и в пространстве различных компонентов (радиодеталей, микросхем, блоков , приборов) РЭА - одна из важнейших задач при конструировании, поэтому очень важно выполнить рациональную компоновку элементов на самых ранних стадиях разработки РЭА.

Основная задача, решаемая при компоновке РЭА - это правильный выбор форм, основных геометрических размеров, ориентировочное определение веса и расположения в пространстве любых элементов или изделий радиоэлектронной аппаратуры. На практике задача компоновки РЭА чаще всего решается при использовании готовых элементов с заданными формами, размерами и весом, которые должны быть расположены в пространстве или на плоскости с учетом электрических, магнитных, механических, тепловых и других видов связей. Имея принципиальную схему и компоновочный эскиз функционального узла, можно еще до разработки рабочих чертежей и изготовления лабораторного макета оценить возможный характер и величину паразитных связей, рассчитать тепловые режимы узла и его элементов, выполнить расчет надежности с учетом не только режимов работы схемы (электрические коэффициенты перегрузки), но и с учетом рабочих температур элементов. Методы компоновки элементов РЭА можно разбить на две группы: аналитические и модельные. К первым относятся численные (аналитические) и номографические, основой которых является представление геометрических параметров и операций с ними в виде чисел. Ко вторым относятся аппликационные, модельные, графические и натурные методы, основой которых является та или иная физическая модель элемента, например в виде геометрически подобного тела или обобщенной геометрической модели. Основой для всех является рассмотрение общих аналитических зависимостей. При аналитической компоновке мы оперируем с численными значениями различных компоновочных характеристик: геометрическими размерами элементов, их объемами, весом, энергопотреблением и т.п. Зная соответствующие компоновочные характеристики элементов изделия и законы их суммирования, можно вычислить компоновочные характеристики всего изделия и его частей.

При аналитическом методе оцениваются габаритные размеры, объем и масса изделия по формулам:

V = , (5.4.1)

M = Km , (5.4.2)

M = M' V, (5.4.3)

где V, M - общий объем и масса изделия;

k_v - обобщенный коэффициент заполнения объема изделия элементами;

Vi,Mi - значения установочных объемов и массы i-х элементов конструкции;

Km - обобщенный коэффициент объемной массы изделия;

М' - объемная масса аппарата;

n - общее количество элементов конструкции изделия.

Исходными данными для расчета являются:

1) количество элементов в блоке;

2) установочная площадь каждого элемента;

3) установочный объем каждого элемента;

4) установочный вес каждого элемента;

5) количество деталей;

6) объем блока;

7) вес блока;

8) количество наименований деталей;

9) линейные размеры.

В соответствии с заданием k_v = 0.5.Для прибора можно принять Мў=0.4кг/дм³.

Сведения об установочных размерах элементов и их массе сведены в таблицу 5.4.1

Таблица 5.4.1-Значение установочного объема и массы элементов изделия

Наименование элемента	n,шт	Vi,мм3	Мi,гр	,мм3	,гр
Резистор МЛТ-0.125	24	23	0.15	529	3.45
Резистор МЛТ-1	1	50	0.25	50	0.25
Резистор СП3-38аМ	3	418	7	1254	21
Конденсатор КМ-6а	5	114	0.5	570	4.5
Конденсатор К50-16-10мкФ	8	41	3	328	24
Конденсатор К50-16-15мкФ	3	1584	5	4752	15
КонденсаторК50-16-50мкФ	1	4072	12	4072	12
Микросхема КР140УД12	2	932	10	1864	20
Оптрон АОУ103В	2	25	8	50	16
Оптрон АОТ110А	2	25	9	50	18
Диодный мост КД104А	1	3388	20	3388	20
Диоды КС147А	2	151	3	302	6
1	2	3	4	5	6
Транзисторы КТ315В	1	108	1.5	108	1.5
Транзисторы КТ3102Е	1	108	1.5	108	1.5
Индикатор LXD	1	84823	200	84283	200
Переключатель ПКН2-2Т	16	80	50	1360	850
Переключатель ПГ2	1	172	65	172	65
Разъем ОНпКГ ( 8 конт. )	2	1040	20	280	40
Микросхема МС145407	1	150	20	150	20
Микросхема МС14500	1	130	17	130	17
Микросхема МС38064	1	40	10	40	10
Микросхема МС7805	1	40	10	40	10
Микросхема МС68НС711Е9	1	250	110	250	110
Плата	1	12000	64	12000	64

Суммарный объем, занимаемый всеми элементами конструкции, посчитанный по табличным данным составляет:

=893562мм³

По формуле (5.4.1)определяем ориентировочный объем блока:

V=1787124м³

В соответствии с ТЗ габаритные размеры блока должны быть не более 185х145х100 мм. Согласно проведенным расчетам выбираем габаритные размеры блока 100х120х125 мм.

По формуле (5.4.2) определяем ориентировочную массу блока:

М =0.8кг

В соответствии с ТЗ масса блока должна быть не более 2.5 кг.

Также дополнительно можно определить параметр функционально-конструктивной сложности изделия, ПФКСИ. Величина ПФКСИ определяет степень использования платы активными элементами по отношению к общему количеству всех ЭРЭ, монтажных соединений и контактных площадок:

Используя данные таблицы 5.4.1, имеем;;.

Подставив данные в формулу (5.4.1) получим значение ПФКСИ = 27.

По результатам расчета можно сделать вывод: полученные данные расчета вполне удовлетворяют требованиям технического задания.

5.4.2 Расчет показателей надежности устройства

Проблема обеспечения надежности связана со всеми этапами создания изделия и всем периодом его практического использования. Надежность изделия в основном закладывается в процессе его конструирования и обеспечивается в процессе его изготовления путем правильного выбора технологии производства, контроля качества исходных материалов, полуфабрикатов и готовой продукции, контроля режимов и условий изготовления. Надежность обеспечивается применением правильных способов хранения изделия и поддерживается правильной эксплуатацией, планомерным уходом, профилактическим контролем и ремонтом. В зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации, надежность может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Применительно к разрабатываемому устройству наиболее часто употребляются следующие показатели надежности:

- вероятность безотказной работы - вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникнет;

- средняя наработка на отказ - отношение суммарной наработки объекта к математическому ожиданию числа отказов в течение этой наработки

- заданная наработка (заданное время безотказной работы) - наработка, в течение которой объект должен безотказно работать для выполнения своих функций;

- интенсивность отказов - вероятность отказов неремонтируемого изделия в единицу времени после заданного момента времени при условии, что до этого отказ не возникал. Другими словами - это число отказов в единицу времени отнесенное к среднему числу элементов, исправно работающих в данный момент времени.

Оперируя этими понятиями можно судить о надежностных характеристиках изделия. Итак, произведем расчет надежности, приняв следующие допущения:

- отказы случайны и независимы;

- учитываются только внезапные отказы;

- имеет место экспоненциальный закон надежности.

Последнее допущение основано на том, что для аппаратуры, в которой имеют место только случайные отказы, действует экспоненциальный закон распределения - закон Пуассона - и вероятность работы в течение времени равна:

(5.4.5)

Учитывая то что с точки зрения надежности все основные функциональные узлы и элементы в изделии соединены последовательно и значения их надежностей не зависят друг от друга, т.е. выход из строя одного элемента не меняет надежности другого и приводит к внезапному отказу изделия, то надежность изделия в целом определяется как произведение значений надежности для отдельных элементов:

(5.4.6)

где - интенсивность отказов - го элемента с учетом режима и условий работы, .

Учет влияния режима работы и условий эксплуатации изделия при расчетах производится с помощью поправочного коэффициента - коэффициента эксплуатации и тогда выразится как:

(5.4.8)

где - интенсивность отказов - го элемента при лабораторных условиях работы и коэффициенте электрической нагрузки .

Для точной оценки нужно учитывать несколько внешних и внутренних факторов: температуру корпусов элементов; относительную влажность; уровень вибрации, передаваемый на элементы и т.д. С этой целью может быть использовано следующее выражение:

, (5.4.9)

где - поправочный коэффициент, учитывающий - ый фактор;

- поправочный коэффициент, учитывающий влияние температуры;

- поправочный коэффициент, учитывающий влияние электрической нагрузки;

- поправочный коэффициент, учитывающий влияние влажности;

- поправочный коэффициент, учитывающий влияние механических воздействий.

Все определяются из справочных зависимостей и таблиц, где они приведены в виде и , как объединенные с и с .

После этого можно определить значение суммарной интенсивности отказов элементов изделия по формуле:

, (5.4.10)

где - число элементов в группе, ;

- интенсивность отказа элементов в -ой группе, ;

- коэффициент эксплуатации элементов в -ой группе;

- общее число групп.

Исходные данные по группам элементов, необходимые для расчета показателей надежности приведены в таблице 5.4.2.

Таблица 5.4.2 - Справочные и расчетные данные об элементах конструкции

гр.	Наименование Группы		1/ч				1/ч	ч
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	Конденсаторы керамические	16	0.15	0.35	1.07	0.38	0.97	1.1	5,54
2	Аналоговые микросхемы	2	0.02	0.7	1.07	0.75	0.05	0.5	0.28
3	Цифровые микросхемы	5	0.02	0.7	1.07	0.75	0.50	0.5	3.07
4	Разъем многоштырьковый (9 штырей)	2	3.2	0.7	1.07	0.75	4.8	1.2	27.4
5	Соединения пайкой	795	0.01	0.8	1.07	0.86	7.1	1.2	40.6
7	Плата печатная	1	0.2	0.6	1.07	0.64	0.13	3.2	0,74

Воспользовавшись данными таблицы 5.4.2 по формуле (5.4.10) можно определить суммарную интенсивность отказов , 1/час.

Далее найдем среднюю наработку на отказ , применив следующую формулу:

 (5.4.11)

Итак, имеем:

часов.

Вероятность безотказной работы определяется исходя из формулы (5.4.12), приведенной к следующему виду:

, (5.4.13)

где часов - заданное по ТЗ время безотказной работы.

Итак, имеем:

Среднее время восстановления определяется последующей формуле:

, (5.4.14)

где - вероятность отказа элемента i-ой группы;

- случайное время восстановления элемента i-ой группы, приближенные значения которого указаны в таблице 5.4.2.

Подставив значения в формулу (5.4.9), получим среднее время восстановления =1.059ч.

Далее можно определить вероятность восстановления по формуле:

, (5.4.14)

где =6.4ч.

Следовательно, по формуле (5.4.14) определим , что больше .

Таким образом, полученные данные удовлетворяют требованиям ТЗ по надежности, так как при заданном времени непрерывной работы ч проектируемый блок будет работать с вероятностью . При этом он будет иметь среднюю наработку на отказ ч и вероятность восстановления, следовательно, дополнительных мер по повышению надежности разрабатываемого устройства не требуется.

5.5 Описание конструкции модуля

Устройство смонтировано на шасси из пластмассы. Лицевая и задняя панель выполнена съёмной. Корпус состоит из двух частей, крепящихся винтами..

Марки материалов, разрешенных к применению в данной отрасли промышленности регламентируется ведомственными нормами. На предприятиях существует более узкое ограничение марок материалов и сортаментов из числа разрешенных к применению ведомостной нормалью. Материалы, не вошедшие в перечень рекомендуемых, допускается применять в технически обоснованных случаях с разрешения органов стандартизации на предприятиях.

Металлические детали проектируемого нашего прибора за отдельным исключением можно изготовить механической обработкой материалов, поставляемых металлургической промышленностью в виде прутков, полос, ленты и листов. Однако целесообразно использование стандартных винтов крепления.

Технологические процессы, основанные на использовании способов прессования, обладают следующими основными преимуществами:

- более высокая производительность;

- меньший расход металла;

- меньшее количество операций и меньшая производительность производственного цикла;

- относительно постоянная и высокая степень точности, зависящая в основном от точности изготовления инструмента и в меньшей степени от мастерства рабочего;

- благоприятные условия для механизации и автоматизации технологического процесса и для перехода на многостаночное обслуживание;

- в большинстве случаев - экономия производственной площади.

Выбор марки материала и заготовки имеет важное значение, так как определяет расход материала, трудоемкость процесса изготовления детали, конструкцию технологической оснастки и в конечном счете себестоимость детали.

Важным показателем целесообразности выбора того или иного вида заготовки является коэффициент использования материала:

К = Q_д/Q_з,, (5.5.1)

где Q_д - вес готовой детали;

Q_з - вес заготовки.

Большинство деталей в проектируемом устройстве сделаны методом горячей штамповки. Она обладает рядом преимуществ перед другими видами обработки материалов:

- простота технологического процесса;

- высокая производительность, позволяющая на большой площади при малом количестве единиц оборудования изготовить в короткие сроки большое количество деталей;

- относительная и абсолютная дешевизна деталей;

- возможность комбинирования с другими видами технологических процессов;

- достаточная точность.

Основа точной штамповки - высокая культура эксплуатации штампов.

В соответствии с выбранным методом конструирования целесообразно выделить следующие основные функционально законченный узел - блок управления, выполняемый на отдельной печатной плате.

При данном разбиении схемы электрической принципиальной обеспечивается минимальное количество связей между узлами, высокая ремонтопригодность изделия, минимальные величины паразитных наводок, уменьшение габаритов изделия.

Компоновочные схемы блоков определяются количеством и видом составляющих элементов (дискретных радиодеталей, модульных узлов и микросхем) и их расположением. На компоновочные схемы блоков значительное влияние оказывают вспомогательные элементы (ручки, направляющие, фиксаторы, разъёмы и т.п.).

Разрабатываемая конструкция с выбранной внутренней компоновкой прибора отвечает требованиям производственной технологичности, обеспечивает высокую ремонтопригодность изделия и удобство в эксплуатации.

5.6 Защита конструкции устройства от внешних и внутренних дестабилизирующих факторов

В процессе эксплуатации разрабатываемый модуль подвергается воздействию различных факторов, отрицательно влияющих на его надёжность. К ним относятся: нагрев и охлаждение, изменение давления, влажности, химического и биологического состава среды, попадание пыли и песка, находящихся в земной атмосфере, солнечная и искусственная радиация, вибрации и удары. Для повышения надёжности блока необходимо в той или иной степени защитить его от воздействия этих факторов.

5.6.1 Выбор способа теплозащиты

Способ охлаждения во многом определяет конструкцию РЭС. Поэтому уже на ранней стадии конструирования необходимо выбрать способ охлаждения блока, после чего можно приступить к предварительной проработке конструкции. Выбранный способ охлаждения должен обеспечить заданный по ТЗ тепловой режим блока.

Как уже было отмечено, устройство управления представляет собой разборную конструкцию; блок управления монтируется в пластмассовом корпусе. Таким образом, при рассмотрении вопросов теплового режима необходимо подходить ко всему электронному блоку в целом.

Для выбора способа охлаждения необходимы следующие исходные данные:

-суммарная мощность P, рассеиваемая в блоке; P= 3 Вт;

-диапазон возможного изменения температуры окружающей среды Тсmax,

Tcmin; из раздела 1 имеем: Tcmax=55°C, Tcmin=-25°C;

-пределы измерений давления окружающей среды Pmax, Pmin; из ранее сказанного имеем Pmax=106.7кПа, Pmin=84кПа;

-время непрерывной работы T; будем считать, что режим работы длительный, т. е. T велико;

-допустимые температуры элементов Ti;

-коэффициент заполнения блока Kv=0,5;

-размеры корпуса блока L1, L2, L3; размеры корпуса электронного блока согласно ТЗ: L1=100 мм, L2=120 мм, L3=125 мм.

Определим площадь условной поверхности теплообмена:

, (5.6.1)

где L1, L2, L3- соответственно длина, ширина и высота блока;

Kv - коэффициент заполнения объёма корпуса.

За основной показатель, определяющий области целесообразного применения способа охлаждения, принимается величина плотности теплового потока, проходящего через поверхность теплообмена: