Конструкторские расчеты - один из основных разделов дипломного проекта. В данном разделе проверяется соответствие основных характеристик разработанного устройства, предъявляемым техническим требованиям.

Выбираются способы защиты от воздействия внешних факторов, таких, например, как вибрации и повышенная температура.

В процессе расчетов выбирается компоновочная схема устройства, метод и принцип его конструирования.

Надежность является одним из главных технических параметров, характеризующих ЭВА. Расчетные значения показателей надежности служат отправным моментом при окончательном выборе схемных и конструктивных решений.

Методика расчетов надежности и приведена далее.

4.1 Выбор и обоснование элементной базы, унифицированных узлов

Критерием выбора электро радиоэлементов (ЭРЭ) в любом радиоэлектронном устройстве является соответствие технологических и эксплуатационных характеристик ЭРЭ заданным условиям работы и условиям эксплуатации.

Основными параметрами при выборе ЭРЭ являются:

а) технические параметры:

номинальные значения параметров ЭРЭ согласно принципиальной электрической схеме устройства;

допустимые отклонения величин ЭРЭ от их номинальных значений;

допустимые рабочие напряжения ЭРЭ;

диапазон рабочих частот ЭРЭ;

коэффициент электрической нагрузки ЭРЭ;

б) эксплуатационные параметры:

диапазон рабочих температур;

относительная влажность воздуха;

давление окружающей среды;

вибрационные нагрузки;

другие (специальные) показатели.

Дополнительными критериями при выборе ЭРЭ являются: унификация ЭРЭ, масса и габариты ЭРЭ, наименьшая стоимость, надежность. Выбор элементной базы по вышеназванным критериям позволяет обеспечить надежную работу изделия при выборе ЭРЭ, а также при конструировании изделия в целом позволяет получить следующие преимущества:

1. Значительно сократить сроки и стоимость проектирования.

2. Сократить на предприятии-изготовителе номенклатуру применяемых деталей им сборочных единиц, увеличить применяемость и масштаб производства.

3. Исключить разработку специальной оснастки и специального оборудования для каждого нового варианта РЭА, т.е. упростить подготовку производства.

4. Создать специализированные производства стандартных и унифицированных сборочных единиц для централизованного обеспечения предприятий.

5. Улучшить производственную и эксплуатационную технологичность.

6. Снизить себестоимость выпускаемого изделия.

Учитывая все вышесказанное перейдем к выбору элементной базы разрабатываемого устройства сопряжения электрического кардиографа с компьютером.

Сравнительный анализ по использованию элементной базы в данном приборе согласно схеме электрической принципиальной показал соответствие эксплуатационных и технических характеристик ЭРЭ заданным условиям эксплуатации. Этими элементами являются: микросхемы KR140UD780 DA1..DA3, K1107PV2 DA4, KR580VV55A DD6, ILQ621 DA17, DA22, DD1..DD5 серии К561, DD7…DD11 серии КR1533. Резисторы R1…R4, R6…R15, R18, R21, R22 типа С2-23, R5, R16, R17, R19, R20 типа СП3-19. Оптопары транзисторные U1…U8 АОТ123A. Конденсаторы С1..С4,C6 типа К73-17, С5, С7 типа К10-17. Диоды VD1,VD2 КД521А. Транзисторы VT1 типа КТ315, VT2,VT3 типа КТ361. Разъемы Х1 на 45 входов, Х2 на 25 входов. Трансформатор питания не, т.к. питание блока осуществляет от электрического кардиографа.

В результате сопоставления условий эксплуатации разрабатываемого устройства и условий эксплуатации применяемых в нем ЭРЭ произведен выбор элементной базы. Выбранная элементная база является унифицированной.

4.2 Выбор и обоснование компоновочных схем, методов и принципов конструирования

Основная задача решаемая при компоновке РЭА - это выбор форм, основных геометрических размеров, ориентировочное определение веса изделия и месторасположения в пространстве радиоэлементов и элементов несущих конструкций. При компоновке изделия необходимо учитывать электрические, магнитные, механические, тепловые и другие виды связей. Учет видов связей и оптимальное расположение радиоэлементов в конструкции позволяют обеспечить надежную работу устройства в целом при высокой его ремонтопригодности.

Под компоновкой понимается процесс размещения комплектующих модулей. ЭРЭ и деталей РЭА на плоскости или в пространстве с определением основных геометрических форм и размеров. В зависимости от уровней модульности различают несколько уровней компоновки аппаратуры: микросхем и ЭРЭ на плате, ячеек в блоке и т.д. Процесс компоновки завершается получением компоновочного эскиза.

Компоновочные решения должны удовлетворять требованиям:

между отдельными узлами, приборами и блоками должны отсутствовать заметные паразитные электрические и магнитные взаимности, влияющие на технические характеристики изделия; тепловые и механические влияния элементов конструкции не должны значительно ухудшать их технические характеристики;

взаимное расположение элементов конструкции должно обеспечивать технологичность сборки и монтажа с учетом использования автоматов и полуавтоматов, легкий доступ к деталям для контроля, ремонта и обслуживания;

расположение и конструкции органов управления и отсчетных устройств должны обеспечивать максимальные удобства оператора;

изделие должно удовлетворять требованиям технической эстетики;

габариты и масса изделия должны быть минимальными.

Однако следует отметить, что габариты и масса изделия в значительной мере зависят от принятых схемных решений и используемых радиоэлементов. Мерой эффективности мероприятий по уменьшению габаритов аппаратуры является плотность монтажа - среднее количество радиоэлементов, умещающихся в единицу объема.

Удовлетворить одновременно всем перечисленным требованиям в большинстве случаев не удается. Поэтому процесс компоновки, как и всякий процесс конструирования, сводится к нахождению оптимального решения.

Высокая сложность разрабатываемой в настоящее время РЭА, построенной с применением различного типа микросхем, микросборок и других современных ЭРЭ, вызвала необходимость поиска таких конструкций и компоновочных решений, которые позволили бы удовлетворять следующим требованиям:

высокая степень микро миниатюризации аппаратуры в целом;

широкая унификация элементов конструкции;

возможность параллельной сборки и регулировки составных частей РЭА;

обеспечение высокой эксплуатационной надежности аппаратуры многоразового действия за счет быстрой замены вышедших из строя составных частей;

возможность проведения модернизации отдельных частей при сохранении неизменными других.

Указанные требования в значительной степени удается выполнить, применяя функционально-модульный метод конструирования в сочетании с упорядоченной структурой деления аппаратуры на составные части.

4.3 Компоновочный расчет устройства сопряжения

Блок сопряжения с ЭВМ является определяющей конструкцией проектируемого электрического кардиографа. От правильного его функционирования зависит работа остальных частей.

Все этапы создания электрического кардиографа проводятся с помощью системы автоматизированного проектирования (САПР) P-CAD, программы схемотехнического моделирования PC-Spice и пакета машинной графики AutoCAD. Исключением не является и компоновка. Все вышеупомянутые требования и рекомендации необходимы только для правильного описания стратегии работы составных частей САПР P-CAD (PC-Place, PC-Route). Процесс трассировки печатной платы полностью автоматизирован. Необходимо только «подсказывать» САПР как надо разместить некоторые элементы с учетом конкретных требований.

Преимущества такого решения задачи очевидны: возрастает вероятность нахождения оптимального решения; снижается вероятность появления ошибок соединения печатной платы; происходит экономия материальных и людских ресурсов; появляется возможность оперативного вмешательств в процесс изготовления печатной платы при изменяющейся номенклатуре ЭРЭ, а также в ходе модернизации схемы; значительно сокращаются сроки разработки и суммарная себестоимость конструкторских работ. Одним из основных достоинств данного подхода к конструированию является то, что существует возможность получить на выходе готовые программы управления станками сверления с числовым программным управлением (ЧПУ), фотоплоттером и оборудованием для установки компонентов.

Полученные результаты анализируются с помощью математических расчетов на следующих этапах конструирования. При необходимости в рисунок печатной платы, а также в расположение элементов вносятся соответствующие коррективы и процесс трассировки повторяется.

Исходными данными для расчета являются перечень элементов схемы электрической принципиальной, необходимые типоразмеры и установочные размеры ЭРЭ: установочный объем V_уст., установочная площадь S_уст представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Исходные данные для компоновочного расчета

Вид элемента и основная характеристика	Тип, типономинал	Установочный объем, см3	Масса, не более, г
1	2	3	4
Диоды	КД521А	0.46	0.31
Конденсаторы 0.1мкФ…100пФ 0.047мкФ…3.3мкФ	К10-17 К73-17	0.33 0.41	0.50 0.60
Микросхемы Корпус 201.14-1 Корпус 2136.64-1	К1533 К1107ПВ2	0.80 1.1	1.50 15
Резисторы	С2-23 СП3-19	0.25 0.95	0.80 1.8
Оптопары	АОТ123Б	0.4	1.7
Разъем	ДБ25М ДБ45М	3.2 5.2	3.5 5
Транзисторы	КТ315	0.55	1.00

Определяем суммарный объем, занимаемый ЭРЭ, он равен 40.22 см³. Из конструктивных соображений выбираем коэффициент заполнения объема корпуса блока сопряжения равным К_з=0.4.

Ориентировочно определяем реальный размер V_реал разрабатываемой конструкции по формуле:

, (4.1),

где V =40.22 см³ - суммарный объем, занимаемый ЭРЭ.

Тогда имеем:

.

Габаритные размеры блока равны следующим:

Длина -228 мм;

Ширина - 110 мм;

Высота - 28 мм.

Масса готового изделия с учетом всех составляющих прибора элементов (включая печатную плату и корпус) не превышает 0.4кг.

4.4 Расчет показателей надежности устройства сопряжения

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:

. (4.2)

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:

. (4.3)

С учетом формулы (4.2) получим:

, (4.4)

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 в формуле (4.4) выразится как:

, (4.5)

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:

, (4.6)

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:

, (4.7)

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 4.2.

Таблица 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	7	0.15	0.35	1.07	0.38	0.97	1.1	8.6
2	Аналоговые Микросхемы	10	0.02	0.7	1.07	0.75	0.05	0.5	0.4
3	Цифровые микросхемы	2	0.02	0.7	1.07	0.75	0.50	0.5	14
4	Транзисторы	3	0.09	1	2	2	1.8	0.5	16
5	Диоды КД521А	2	0.04	1	2	2	0.8	0.5	7
6	Резисторы С2-23 СП3-19	14 7	0.01 0.05	0.4 0.4	2 2	0.8 0.8	0.08 0.4	1.1 1.1	0.7 3.5
7	Разъем Многоштырьковый (25,45 штырей)	2	3.2	0.7	1.07	0.75	4.8	1.2	42
8	Соединения пайкой	390	0.01	0.8	1.07	0.86	7.1	1.2	62.8
9	Плата печатная	1	0.2	0.6	1.07	0.64	0.13	3.2	28.3

Воспользовавшись данными табл. 4.2 по формуле (4.7) можно определить суммарную интенсивность отказов , 1/час.

Далее найдем среднюю наработку на отказ , применив следующую формулу:

. (4.8)

Итак, имеем:

часов.

Вероятность безотказной работы определяется исходя из формулы (4.4), приведенной к следующему виду:

, (4.9)

где часов - заданное по ТЗ время безотказной работы.

Итак, имеем:

Среднее время восстановления определяется последующей формуле:

, (4.10)

где - вероятность отказа элемента i-ой группы;

- случайное время восстановления элемента i-ой группы, приближенные значения которого указаны в таблице 4.2.

Подставив значения в формулу (4.6), получим среднее время восстановления =2.491ч.

Далее можно определить вероятность восстановления по формуле:

, (4.11)

где =6.4ч.

Следовательно, по формуле (4.11) 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. Конструкторская разработка узлов УСТРОЙСТВА СОПРЯЖЕНИЯ с использованием САПР

В настоящее время во всем мире наблюдается резкое увеличение производства электронной аппаратуры (ЭА) и повышение ее возможностей. Особенно это связано с последними успехами в области микроэлектроники.

Разработка и внедрение ЭА является одним из основных показателей современного научно-технического развития общества. Прогресс в области создания ЭА определяется повышением надежности, экономичности, качества и эффективности устройств, совершенствованием схем, конструкций, технологии.

С повышением сложности ЭА резко возросла трудоемкость процесса разработки и производства устройств. Увеличение объемов конструкторско-технологических работ привело к необходимости создания систем автоматизированного проектирования (САПР), которые позволяют значительно уменьшить затраты труда при разработке аппаратуры, тем самым уменьшая сроки проектно-конструкторских работ и снижая себестоимость изделия в целом. При этом технологичность и надежность разрабатываемых устройств не уменьшается, а наоборот возрастает.

В настоящее время на основе современных вычислительных комплексов и средств автоматизации созданы и находятся в промышленной эксплуатации САПР ЭА, позволяющие в значительной степени освободить конструктора-проектировщика от однообразной, трудоемкой и утомительной работы и повысить его интеллектуальные возможности на этапах принятия решений.

Существующие САПР ЭА решают комплекс вопросов по проектированию схем и конструкций аппаратуры, включая параметрический и статистический анализ и оптимизацию схем, расчет параметров механических, электромеханических и электронных узлов и блоков ЭА с учетом производственных погрешностей, расчет общих компоновочных характеристик ЭА и тепловых режимов, механической прочности и надежности конструкций.

5.1 Особенности и назначения применяемых пакетов САПР

Фирмой ACCEL выпускается два варианта системы PCAD 8.5: Master Design и Associate Design. Большими возможностями обладает вариант Master Design [10].

Система поддерживает широкий набор графических дисплеев, плоттеров, манипуляторов и цифровых планшетов различных типов.

Система PCAD позволяет выполнять следующие проектные операции: создание символов элементов принципиальной электрической схемы и корпусов; графический ввод принципиальной электрической схемы и конструктивов плат проектируемого устройства; ручную и автоматическую трассировку печатных проводников произвольной ширины; автоматизированный контроль результатов проектирования ПП на соответствие принципиальной электрической схеме.

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

Schematic Editor - графический ввод и редактирование принципиальной электрической схемы;

Symbol Editor - графический ввод и редактирование символов радиоэлектронных компонентов на принципиальных схемах;

PCB Editor - графический ввод и редактирование конструктивов ПП, автоматическое или ручное размещение компонентов на плате;

Part Editor - графический ввод и редактирование корпусов компонентов РЭА и стеков контактных площадок.

Графический редактор принципиальных схем и символов компонентов имеет два режима: Schematic Editor и Symbol Editor. После загрузки графического редактора экран дисплея форматируется и разбивается на несколько зон. Зона меню подкоманд, предназначенная для команд графического редактора, расположена справа от окна и внизу под ним. Команды выбираются щелчком левой кнопки мыши. Расположенные справа команды имеют подкоманды, список которых выводится на экран после выбора основной команды.

Построение чертежа выполняется с помощью манипулятора мышь, перемещаемого по горизонтальной поверхности рабочего стола, при этом на экране дисплея синхронно перемещается курсор в виде креста. Координатная сетка на экране упрощает процесс построения чертежа и повышает точность позиционирования. Шаг координатной сетки по осям X и Y показан в поле Grd. Текущие координаты указываются в поле XY.

В схемном графическом редакторе полная информация о чертеже заносится в 18 - слоев, устанавливаемых по умолчанию. На каждой фазе работы с графическим редактором необходима не вся имеющаяся информация, поэтому часть слоев делают невидимыми. Информация о слоях выводится по команде View Layer. Всего слоев поддерживается до 100. Слои могут быть окрашены в любой из 16 цветов. Каждый слой имеет одно из трех состояний: OFF - слой невидим и недоступен, ON - слой видим но недоступен, ABL - слой видим и может стать активным.

Также отличительной особенностью PCAD является использование атрибутов. Атрибуты состоят из двух частей: ключевого слоя и значения, разделенных знаком равенства “=”. Ключевое слово должно начинаться с буквы и иметь длину до 23 символов. Значение атрибута представляет собой последовательность чисел или текстовых переменных, разделенных запятыми. После вода атрибута ключевое слово и знак равенства становятся невидимыми на экране.

При использовании атрибутов можно значительно облегчить работу со схемой. В частности можно использовать автоматическое создание корпусов компонентов, автоматическое присвоение имени цепи и др.

При создании символов УГО элементов дискретного типа есть своя специфика, которую следует помнить.

Для дискретных компонентов не должны присутствовать имена и номера выводов на схеме. Имя дискретного компонента на слое DEVICE не наносится. Номера выводов по команде Enter/Packing Data наносят на слое ATTR2, который в дальнейшей работе выключают.

Для резисторов дополнительно следует указать атрибут RVALUE=<номинал>. Он необходим для диагностики ошибок, связанных с отсутствием резистора в цепях для микросхем с открытым коллектором.

Для дискретных компонентов целесообразно создавать два УГО: для вертикального и горизонтального расположения на схеме.

Для редактирования чертежей будет использован пакет AutoCAD.

Команды AutoCAD могут выбираться из меню с помощью кнопок панелей управления, а так же набираться с клавиатуры в текстовом окне. Независимо от способа набора команды для ее повторения необходимо нажать клавишу Enter. AutoCAD хранит чертежи в файлах с расширением “.dwg”. Кроме чертежа этот файл содержит ряд параметров. При создании нового чертежа эти параметры устанавливаются по умолчанию, либо берутся из чертежа прототипа.

В AutoCAD имеется возможность определения формата и точности представления чисел. Ввод координат с клавиатуры возможен в абсолютных и относительных координатах. Относительные координаты задают смещение относительно последней введенной точки. Для удобства работы можно определить пользовательскую систему координат, которая может быть смещена относительно мировой и повернута под любым углом.

Чертежи в AutoCAD создаются в примитивах, над которыми понимают элементы чертежа, которые обрабатывают как единое целое, а не как совокупность точек и объектов. Система позволяет ставить линейные, угловые, диаметральные, радиальные и координатные размеры. Составные элементы размера: размерная линия, выносная линия и размерный текст. Имеется возможность ввода своего значения. Все линии, стрелки, элементы текста рассматриваются как один примитив.

Как и система PCAD система AutoCAD поддерживает слойность чертежа. Слои обладают свойствами сходными со слоями PCAD, что дает возможность редактировать чертежи созданные PCAD-ом. Слои в AutoCAD могут содержать имя слоя, состоящее из символов и цифр-букв, они могут переходить из включенного состояния в выключенное и наоборот. На каждом слое можно задавать свой цвет и тип линии, что помогает при создании и редактировании чертежей.

Одной из особенностей AutoCAD, является то, что он поддерживает специфический язык программирования Lisp. Этот язык ориентирован на обработку списков. Применение этого языка в AutoCAD дает ему широкие возможности.

5.2 конструкторский расчет устройства сопряжения

В качестве устройства, для которого необходимо разработать печатную плату, в соответствии с заданием к дипломному проекту, предложено устройство сопряжения с ЭВМ.

В состав блоков входят элементы серий К561, КР140, КР1533, микроконтроллеры: К1107ПВ2 и КР580ВВ55А, также оптопары транзисторные АОТ123Б. Также имеются резисторы, диоды, транзисторы и конденсаторы.

Для разработки платы сопряжения выбираем способ монтажа - печатный. Основные размеры печатной платы необходимо выбрать в соответствии со стандартом МЭК 297-3. Основные размеры печатных плат, регламентируемые данным стандартом приведены в таблице 5.1.

В этой таблице значения ряда 1 рекомендуется применять для печатных плат, компонуемых в частичном корпусе. Значения ряда 2 применяются для печатных плат, вставляемых непосредственно в комплектный корпус. Однако целесообразно из условий совместимости принимать значения ряда 1 для печатных плат любых применений, а значения ряда 2 - для применения в частичном корпусе.

При разработке печатной платы шаг координатной сетки отверстий необходимо примем равным 1,25 мм.

Остальные характеристики разрабатываемой печатной платы (шаг трассировки, шаг печатных проводников, диаметры контактных площадок и переходных отверстий) определим с использованием методик, описанных в [11].

Таблица 5.1-Основные размеры печатных плат по стандарту МЭК-297-3

Высота Н, мм	Ширина
Ряд 1	Ряд 2	В, мм
55,55	67,31	100; 160; 220; 280
100,00	111,76	100; 160; 220; 280
144,45	156,20	100; 160; 220; 280
188,90	200,70	100; 160; 220; 280
233,35	245,10	100; 160; 220; 280
277,80	289,55	100; 160; 220; 280
322,25	334,00	100; 160; 220; 280
366,70	378,45	100; 160; 220; 280
411,15	422,90	100; 160; 220; 280
455,60	467,35	100; 160; 220; 280
500,05	511,80	100; 160; 220; 280

Минимальное число слоев печатной платы примем равное не менее двух. Коэффициент заполнения должен быть не менее 0,5.

В качестве предложенного пакета САПР печатных плат необходимо использовать пакет Pcad. С его помощью надо осуществить ввод электрической принципиальной схемы, генерацию списка связей, компоновку, размещение элементов, а также трассировку печатных соединений.

Чертежи разработанной печатной платы необходимо выполнить с использованием средств пакета САПР AutoCAD.

5.3 Особенности применяемой элементной базы и материалов

В соответствии с полученным заданием в принципиальной схеме устройства, для которого необходимо разработать печатную плату, использованы микросхемы серий: К561, КР140, КР1533, микроконтроллеры: К1107ПВ2 и КР580ВВ55А, также оптопары транзисторные АОТ123Б.

Основные параметры микросхем данных серий, необходимые для выполнения поставленной задачи, взяты из справочников [12].

В качестве материала для изготовления ПП выберем стеклотекстолит фольгированный СФ-2, толщиной 1,5 мм. Толщина слоя фольги 35 мкм. Этот материал обладает следующими характеристиками:

плотность..................................................................2.4*10^-4 кг/см;

модуль упругости.....................................................3.3*10⁵ кг/см²;

коэффициент теплопроводности................................0.34 Вт/мС.

Толщина получаемой платы h_П.П=1,07мм

5.4 Расчет печатного монтажа разрабатываемой ПП

Конструкторско-технологический расчет ПП производится с учетом производственных погрешностей рисунка проводящих элементов, фотошаблонов, базирования и т.п. он наиболее оптимальный вариант по технологичности.

Зададимся граничными значениями параметров печатного монтажа:

1) min ширина проводника: t=0,25 мм,

2) min расстояние между проводниками: S=0,25 мм

3) гарантированный поясок наружного слоя: b_Н=0,1 мм

4) гарантированный поясок внутреннего слоя: b_b=0,05 мм

5) отношение диаметра отверстия к толщине платы: j=0,33

Произведем расчет вычислительного блока аппарата:

Разрабатываемый печатный узел содержит в себе:

5 корпус с размерами 30х9 мм, (К561КР1);

3 корпус с размерами 17,25x7,5 мм, ( К140УД708);

1 корпус с размерами 51,5х15 мм, (КР580VV55А);

1 корпус с размерами 77,5х17 мм, (K1107PV2);

1 корпус с размерами 19,5х7,5 мм, (КР1533ЛН1);

1 корпуса с размерами 19,5x7,5 мм, (КР1533ЛА2);

2 транзистора с размерами 3x14 мм, (КТ301);

1 транзистор с размерами 8x7 мм, (КТ315);

3 конденсатора с размерами 4,5x7 мм;

4 конденсатора с размерами 3x6,5 мм;

2 диода с размерами 3x4 мм;

6 резисторов с размерами12x5 мм;

15 резисторов с размерами16x8 мм;

8 оптопар с размерами 28х10 мм;

1 разъем с размерами 190х26 мм;

1 разъем с размерами 107х26 мм;

Общая площадь, занимаемая компонентами без учета зазоров равна 14817,75 мм². В соответствии со стандартом МЭК 237-3 приведенным в таблице 5.1 выбираем ближайшую по площади плату с размером ПП-100х220.

Коэффициент заполнения определяем по формуле:

, (5.1)

где S_Э- площадь, занимаемая элементами; S_ТР- площадь трассировки.

Конструктивно-технологический расчёт печатных плат производится с учётом производственных погрешностей рисунка проводящих элементов, фотошаблонов, базирования, сверления, экспонирования и т.п. Граничные значения основных параметров печатного монтажа, которые могут быть обеспечены при конструировании и производстве для трех классов плотности монтажа, приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 - Граничные значения основных параметров печатного монтажа.

Наименование расчетного элемента	Обозначение	Размеры элементов для класса плотности печатного монтажа
Ширина проводников, мм	bГпр	0,5	0,25	0,15
Расстояние между элементами печатного монтажа, мм	lГ	0,5	0,25	0,15
Отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы	kД.Т.	0,4	0,33	0,33
Ширина пояска контактной площадки, мм	bГПО	0,05	0,05	0,025

Выбранные в соответствии с данной таблицей размеры необходимо согласовывать с технологическими возможностями конкретного производства.

Минимальный диаметр переходного отверстия определяется из соотношения:

, (5.2)

минимальный диаметр монтажного отверстия:

, (5.3)

где h_П.П - расчетная толщина печатной платы; d_В - диаметр вывода эрэ, микросхемы или соединителя; - зазор между выводом и монтажным отверстием (наивысшая надежность паяного соединения будет при =0,40,6 мм); h_Г - толщина гальванически наращенной меди (обычно h_Г=0,050,06 мм)

Если вычисленный по формуле (5.3) диаметр d_М.О окажется меньше произведения k_М.О h_П.П , то из технологических соображений d_М.О принимается равным d_П.О .

Минимальный диаметр контактной площадки d_К.П металлизированных отверстий с учетом погрешностей и подтравливания фольги:

, (5.4)

где h_Ф - толщина фольги.

Сечение проводника цепей питания и земли можно вычислить по формуле:

. (5.5)

Для современных серий микросхем ток, выдаваемый в нагрузку не превышает 0,1А. Максимальную длину проводника для платы 100220 мм² можно принять равной 22000 мм

Необходимая ширина проводника цепей питания и земли:

. (5.6)

Необходимая ширина проводника сигнальной цепи:

. (5.7)

Минимальное расстояние между проводниками:

, (5.8)

, (5.9)

. (5.10)

На основании приведенной выше методики и приняв третий класс плотности печатного монтажа произведем расчет печатного монтажа для разрабатываемой двусторонней печатной платы.

Минимальный диаметр переходного отверстия

Минимальный диаметр контактной площадки d_К.П.ПО переходного отверстия:

Минимальный диаметр монтажного отверстия:

а) Для DIP корпусов:

.

б) Для навесных элементов:

Минимальный диаметр контактной площадки d_К.П.МО монтажного отверстия:

а) Для DIP корпусов:

б) Для навесных элементов:

Минимальный размер шины питания и земли:

Находим суммарный ток:

К561КР1 (1шт) - I_ПОТР=20 мА

К140УД708 (1шт) - I_ПОТР=15 мА

КР580VV55А (1шт) - I_ПОТР=80 мА

K1107PV2 (1шт) - I_ПОТР=35 мА

КР1533ЛН1 (1шт) - I_ПОТР=12 мА

КР1533ЛА2 (1шт) - I_ПОТР=15 мА

I=177мА

Требуемое сечение шины питания и земли:

S_пз=0,017*2,2*0,177/0,02*50,06мм²

Требуемое сечение шины питания 9В:

S_пз=0,017*2,2*0,177/0,02*90,05мм²

Требуемое сечение шины питания 12В:

S_пз=0,017*2,2*0,177/0,02*120,04мм²

Ширина дорожки питания и земли:

b_п=0,06/0,035=1 мм

Ширина дорожки +9В:

b_п=0,03/0,035=0,9 мм

Ширина дорожки +12В:

b_п=0,025/0,035=0,8 мм

Необходимая ширина проводника сигнальной цепи:

b_пр=0,017*22*0,192/(0,4*0,035)=0,25

Минимальное расстояние между проводниками:

n=(2,5-(1,3+1,3)/2-0,15-0,03)/(0,15+0,15)=3,4 мм

Используя полученные данные можно приступать к трассировке платы.

5.5 Решения задачи топологического синтеза ПП с помощью применяемого пакета САПР - PCAD-8.5

Основным инструментом при автоматической трассировке ПП в пакете PCAD является файл стратегии. Поэтому опишем некоторые его основные установки для объяснения нашего способа разводки [10].

После выбора пункта Routing Parameters в основном меню программы Autorouter на экране появится меню, в котором можно устанавливать параметры.

Приведем основные из них:

первоначально устанавливаем метрическую систему измерения, т.к. все наши элементы рисовались в ней;

устанавливаем основную координатную сетку шагом 2,5 мм, как задано в ТЗ, также задаем вспомогательную сетку шагом 1,25 мм, что соответствует технологическим требованиям;

устанавливаем количество слоев для трассировки;

устанавливаем тип трассировки - наиболее целесообразным является тип Steiner, которая позволяет выполнять Т-образные соединения и другие соединения, которые минимизируют расстояния между точками;

устанавливаем порядок трассировки - по рекомендациям авторов ставим порядок Short-Long, т.е. сначала будут трассироваться короткие цепи, а затем - длинные. Это дает меньшее количество не разведенных цепей;

на первоначальном этапе произведем отключение диагональной трассировки, т.к. она может дать несоблюдение допустимых зазоров, однако после первого этапа трассировки окажется, что зазоры соблюдаются, то можно установить Diagonal Routing и повторить трассировку, что, возможно, даст улучшение;

проведем включение режима минимизации количества переходных отверстий, сделав установку Via minimization;

установим режим сглаживания углов Perform Beveling. В этом случае будет производиться замена прямоугольных изгибов проводников, где это возможно на изгибы под углом 45°. Установим здесь параметр During+After, т.к. он наиболее эффективный;

установим параметр Jog Elimination который осуществляет ликвидацию выступов печатных проводников. Процедура заключается в том, что: 1. Ликвидируются выступы, остающиеся после перемещения переходных отверстий; 2. Два или более сегмента проводника заменяются по возможности одним сегментом.

На этом заканчивается установка основных параметров трассировки, и переходим к установке дополнительных параметров.

Войдя в режим Detailed Routing Parameters, у нас есть возможность произвести следующие установки:

установим тип переходных отверстий (Via Type) Through который позволит создавать сквозные переходные отверстия;

далее необходимо установить параметр Via Sites который определяет размещение переходных отверстий. Произведем установку All Grid Points, что предоставит возможность располагать переходные отверстия во всех точках координатной сетки;

разрешим размещение переходных отверстий на всей плате, произведя установку в пункте Via Lattice Region параметра Entire Board;

установим размеры области поиска пути для трассы в пункте Route Search Area Size. Следуя указаниям авторов, установим в этом пункте значение 3;

определим число основных проходов алгоритма “лабиринт” - Number of Maze Router Passes. В связи с тем, что уже на третьем проходе размер области поиска увеличен в 4 раза, то установим количество проходов равное 3;

произведем открытие всей площади платы для трассировки, на последнем проходе установив параметр Full Board;

согласно технологическим требованиям и, исходя из коэффициента заполнения, установим минимальное расстояние трасс от края платы равное 0,5;

в следующем окне установим только параметр Even Distribution, который позволит равномерно распределять проводники на всех парах слоев. При отсутствии этой установки, будет поставлено значительно больше переходных отверстий, и проводники будут располагаться неравномерно.

Перейдем к установке параметров алгоритма Rip-Up. Этот параметр позволяет управлять наиболее мощным средством программы.

Произведем установку следующих пунктов:

установим количество проходов каждого алгоритма трассировки. Пункт Normal трогать не будем, т.к. там уже находится значение установленное ранее. В пункте Rip-Up установим количество проходов равное 2, что наиболее оптимально с точки зрения загрузки памяти. В пункте Optimize установим количество попыток переразвести связи равное 3;

включим режим уплотнения трасс Trace Hugging, что дает нам уплотнение трасс и экономию пространства на ПП;

отключим режим Penalize Corners уменьшающий количество изгибов проводника, т.к. он вступает в противоречие с предыдущим режимом.

Остальные установки оставим без изменений.

Произведем определение контактных площадок. Этим пунктом мы зададим размет и форму контактных площадок.

В соответствии с рассчитанными ранее параметрами площадок под контакты и переходные отверстия произведем установки. При этом необходимо учитывать, что первый вывод в микросхеме должен быть отличной формы от других, поэтому установим его квадратным. Так же надо установить отключение проводимости во внутреннем слое и установить расположение контактных площадок в узлах координатной сетки.

Определим правила прокладки проводников.

В этом пункте алгоритма воспользуемся ранее рассчитанными параметрами проводников и внесли их в данный пункт.

Определим классы цепей.

Этот раздел позволяет задать определенные цепи, которые будут разводиться особым способом.

Здесь осуществляется ввод параметров цепей питания и земли. Установим для этих цепей высокий приоритет.

Произведем описание слоев.

В этом пункте можно задать количество трассируемых слоев отличных от общего количества слоев ПП, задать предпочтительное направление трассировки для каждого из трассируемых слоев.

Далее проведем заполнение таблицы слоев, в которой каждому слою укажем направление разводки.

Перейдем к конструктору контактных площадок. В данном пункте произведем только установку имен файлов входной базы данных ПП, входной файл стратегии трассировки и имя проекта. От внесения изменений можно отказаться, нажав Exit.

Таким образом, мы провели конфигурирование файла стратегии. Оттрассировав плату по данной стратегии, мы получим плату соответствующую нашим расчетным данным.

После того, как мы растрассировали плату, необходимо оформить ее как чертеж в соответствии с требованиями. Система PCAD не позволяет полностью провести оформительскую работу, и поэтому воспользуемся системой AutoCAD. Для того чтобы AutoCAD смог прочитать чертежи слоев и печатной платы преобразуем файлы с расширением “.pcb” в файлы формата “.dxf”. сделать это можно воспользовавшись функцией PCAD.

После преобразования мы загружаем файлы в AutoCAD.

5.6 Оценка качества разработанной конструкции

Оценку качества разрабатываемой конструкции можно проводить постепенно, по мере разработки конструкции [10].

После создания базы данных принципиальной электрической схемы целесообразно с помощью программы Electrical Rules Check (PC-Erc) выявить синтаксические ошибки, исправить их и затем приступить к моделированию или разработке ПП.

Выходным файлом программы PC-Erc служит файл списка электрических связей (.nlt) или (.xnl). Результаты проверки заносятся в текстовый файл с расширением .erc. Программа вызывается в разделе Schematic Tools.

В появившемся меню необходимо установить контроль всех параметров на наличие ошибок. Установка параметров производится с учетом расчетов печатного монтажа печатной платы представленного в подразделе 5.4.

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

Floating Pins - неподключенные связи. Это связано с тем, что в компонентах задействованы не все выводы;

Nets With One or No Connections - это связано с тем, что при проверке не учитывались атрибуты компонентов (PWGD);

Nets With No input/output Pins - цепи которые не соединены с входами/выходами. Связано с наличием в схеме аналоговых элементов;

Nets With No Pull-Up Resistor - цепи подключенные к “открытому коллектору”;

Components With All Input Pins Tied to Gather - компоненты у которых соединяются входы

После проведения трассировки ПП целесообразно провести сравнение двух списков электрических связей с целью выявления в них различий с помощью программы Netlist Comparison. Среди предложенных способов проверки, целесообразнее выбрать сравнение списка связей, один из которых извлечен из файла .sch, а другой - из файла .pcb.

Выходной файл содержит следующую информацию:

Number of Gates (Parts) - общее количество компонентов в каждом списке;

Number of Nets - общее количество цепей в каждом списке;

Number of Suspect Nets - общее количество цепей каждого списка, которые не согласуются с цепями другого списка;

Number of Spare (Parts) - общее количество компонентов которые не соединяются ни с одной цепью в каждом списке;

Number of Floating Nets - общее количество цепей которые не соединяются ни с одним компонентом в каждом списке.

После этого приводится полная информация о сравниваемых списках.

Теперь осуществим проверку платы на соответствие ее требуемому классу точности.

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

Программа PC-DRC вводит в базу данных ПП новые слои $CONT, $DRC и $ATT, на которых отмечаются ошибки.

После загрузки утилиты, для редактирования технологических ограничений, на панели Rule Name выбирается имя правила проверки из списка. Для создания нового правила следует выбрать команду ADD, ввести имя правила и затем задать минимальные размеры и зазоры для компонентов.

После выполнения утилита создает файл с расширением .drc, в котором будет отчет по каждому из проверяемых слоев. Плата подходит по технологическим требованиям, если в процессе проверки не было найдено ни одной ошибки.

Исходя из результатов проверок, можно сделать вывод, что наша плата полностью удовлетворяет всем требованиям.

6 Разработка методики проведения лабораторной работы

Лабораторная работа предназначена для специальности медицинская электроника на тему “Измерение принципов и методов дистанционной диагностики”. Лабораторная работа проводится на разработанном приборе “Дистанционном комплексе контроле функционального состояния”. Разработка методики проведения лабораторной работы позволит студентом более тщательно изучить необходимые аспекты дистанционной диагностики. Лабораторная работа включает в себе следующие этапы:

Изучение способов и устройств обеспечения дистанционного измерения параметров биологических объектов.

Настройка дистанционного комплекса контроля функционального состояния.

3. Наблюдение передаваемого сигнала:

- имитированного сигнала от эквивалентной антенны;

- от биологического объекта (сигнал поступает с передатчика).

4. Измерение различных характеристик передаваемого сигнала.

5. Измерение зависимости сигнала от изменения различных параметров.

6.1 Разработка структурной схемы проведения лабораторной работы

Подготовка к выполнению лабораторной работы.

Прежде, чем приступить к выполнению лабораторной работы, необходимо выполнить следующие подготовительные операции с дистанционным комплексам контроля функционального состояния:

включить прибор в сеть питания 220В, 50Гц;

при выключенной кнопке “ВЧ-коррекция” добиться максимального отклонения стрелки индикатора, путем вращения ручки “Гетеродин” (находится на передней панели прибора).При этом мы настраиваем приемник на частоту приема сигнала 27,12 МГц;

включить кнопку “ВЧ-коррекция”, при этом стрелка индикатора должна отклониться примерно на половину шкалы. Дальнейшее отклонение стрелки при выполнении лабораторной работы показывает о приеме сигнала приемником.

Если все вышеуказанные условия выполнены, тогда можно приступить к выполнению лабораторной работы.

Структурную схему проведения лабораторной работы условно можно разделить на части.

Исследования проводятся при помощи имитации низкочастотного сигнала. Для этого применяем генератор стабильной частоты НЧ и высокочастотный генератор.

Высокочастотный генератор необходимо настроить на частоту 27,12 МГц - частота, на которой работает приемник. К нему подключаем генератор стабильной частоты НЧ для имитации низкочастотного сигнала (10 -20 Гц). Таким образом, высокочастотный сигнал промоделированный по частоте при помощи эквивалента антенны передаются на штыревую антенну приемника.

Амплитуда подаваемого сигнала не должна превышать 15 mВ. Для контроля необходимо использовать вольтметр.

В этой части лабораторной работы студентам необходимо:

пронаблюдать форму сигнала в различных точках аппарата (на выходе приемника, дешифратора, детектора и усилителя). Для этой цели в приборе выведены специальные отведения;

выявить зависимость принимаемого сигнала от изменения следующих параметров: частота модуляции, амплитуда сигнала, расстояние до штыревой антенны приемника.

Наблюдения необходимо производить при помощи осциллографа.

3. Исследования проводятся с биологическим объектом (человеком). Для этих целей применяется передатчик, который подключается к питанию 12 В. Передатчик имеет два электрода: сигнальный и пассивный. Сигнальный электрод крепится в активной зоне, а пассивный электрод является общим. Электроды снимают сигнал, который передается по радиоканалу при помощи антенны на штыревую антенну приемника с частотой 27,12 МГц.

В этой части лабораторной работы студентам необходимо:

пронаблюдать форму сигнала на компьютере;

выявить зависимость принимаемого сигнала от изменения расстояния до штыревой антенны приемника;

проверить коэффициент стабилизации сигнала при действии автоматической регулировки усиления приемника.

После выполнения лабораторной необходимо отключить все приборы от сети питания.

7 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА

Определение цены научно-технической продукции: разработка лабораторной работы на тему “Дистанционный комплекс контроля функционального состояния”.

В главе “ Технико-экономическое обоснование дипломного проекта” осуществляется переход от многочисленных отдельных технических параметров к оценке конструкции в целом, дается обобщенная оценка в денежном выражении разнообразных достоинств и недостатков каждого из вариантов новой техники. Отсутствие экономического обоснования и расчетов приводит к экономическим ошибкам в проектировании, созданию неэффективных конструкций. Экономическое обоснование дипломного проекта является завершающим этапом. Новая техника должна быть не только технически совершенной, но и экономически выгодной. На основе экономической оценки новой техники принимается решение об инвестициях в данный проект [13]. В зарубежной практике такие расчеты относятся к числу инвестиционных.

7.1 Характеристика проекта

В настоящее время непрерывно расширяется область применения методов регистрации параметров биосигналов в практических и исследовательских задачах. Современный уровень научных достижений и технологий открывает новые перспективы для создания портативных систем с дистанционным анализом. Исключение «привязки» обследуемого к диагностической аппаратуре обеспечивает естественную подвижность пациента при выполнении им функциональных проб, тестовых профессиональных операций и других диагностических, профилактических и лечебных мероприятий, улучшает качество жизни пациентов, и в то же время позволяет врачу оперативно получать объективную картину состояния системы.

Создание лабораторной работы позволит студентам по специальности “Медицинская электроника” ознакомиться и изучить принципы и методы дистанционной диагностики.

7.2 Определяем материальные затраты на выполнение работ, включая стоимость покупных комплектующих изделий и полуфабрикатов на изготовление макетов и опытных образцов

В эту статью включается стоимость основных и вспомогательных материалов, необходимых для изготовления продукции по установленным нормам.

В нашем случае необходимо подключить электрический кардиографик компьютеру.

Формула расчета следующая:

, (7.1)

где К_ТР -- коэффициент, учитывающий транспортно-заготовительные расходы при приобретении материалов;

Н_HI -- норма расхода i-го вида материала на единицу продукции (кг, м, л и пр.);

Ц_I -- отпускная цена за единицу i-го вида материала, руб.;

О_BI -- возвратные отходы i-го вида материала, руб.;

Ц_OI -- цена за единицу отходов материала i-го вида, руб.;

n -- номенклатура применяемых материалов.

Цена приобретения материалов определяется по текущим справочным материалам на момент выполнения дипломного проекта: данным договоров, ценам бирж, информационным бюллетеням и пр. Коэффициент транспортно-заготовительных расходов можно принять равным 1,1 -- 1,2.

Для упрощения расчетов возвратные отходы можно принять в размере 1 % от стоимости материалов с учетом транспортно-заготовительных расходов.

В таблице 7.1 приведены материалы, используемые при изготовлении платы сопряжения с компьютером.

Таблица 7.1- Расчет материалов измерителя температуры.

Наименование	Единица измерения	Норма расхода	Цена за 1 кг (л), руб.	Сумма, руб.
1. Припой ПОС-61	кг	0,15	2700	400
2. Канифоль	кг	0,08	500	40
3. Лак ЭП-730	кг	0,01	1600	16
4. Клей	кг	0,02	3200	64
5. Флюс глицериновый	л	0,05	3000	150
Итого		670
Транспортно-заготовительные расходы (10%)	67
Отходы (1%)	7,37
Всего		730

7.3 Расчет затрат по статье «Топливно-энергетические ресурсы для научно-экспериментальных целей»

(7.2)

где Мцi - установочная мощность i-го объекта основных производственных фондов, используемых для выполнения работ по данной теме, кВТ;

t_фi - время фактического использования i-го объекта, час;

Цэл - тариф за 1 вВт/ч энергии, руб.

Лабораторная работа на тему “Дистанционный комплекс контроля функционального состояния” предназначена для специальности медицинская электроника. В таблице 7.2 представлен расчет топливно-энергетических ресурсов при проведении одной лабораторной работы без использования компьютера по устаревшей программе.

Лабораторные работы проводятся для двух групп в количестве 64 часов в семестр. Время одной лабораторной работы составляет 4 часа.

Таблица 7.2 -Расчет топливно-энергетических ресурсов.

Наименование оборудования, используемого для научно- экспериментальных и технологических целей	Установочная мощность, кВт	Время использования, часов	Тариф за 1 кВт/ч, руб .	Сумма затрат, руб.
1	2	3	4	5
Передатчик	0.2	4	69	42
Приемник с осциллоскопом	4	4	69	1110
Генератор низкочастотный	5	4	69	1380
Осциллограф	3	4	69	830
Всего		3362
В течение года		215000

При проведении лабораторной работы по новой программе с использованием компьютера будет иметь место экономический эффект, который описывается в разделе 7.5.

7.4 Расчет затрат по статье «Основная заработная плата научно-производственного персонала»