Разработка печатной платы цифрового автомата

Конструктивная сложность и тактовая частота печатной платы невысоки, но в то же время условия эксплуатации довольно жёсткие. Объем выпуска ПП серийный. Выбираем 2й класс точности. Согласно 2-му классу точности:

- t = 0,45 мм

- S = 0,45 мм

- b = 0,20 мм

- d/H = 0,4

- ?t_v0 (без покрытия) = +0,10 мм

- ?t_v0 (без покрытия) = -0,10 мм

- ?t_n0 (с покрытием) = +0,15 мм

- ?t_n0 (с покрытием) = -0,10 мм

- T_t = 0,10 мм

t - наименьшая номинальная ширина проводника,

S - наименьшее номинальное расстояние между проводниками,

b - минимально допустимая ширина контактной площадки,

d\H - отношение минимального диаметра контактной площадки к толщине платы,

(мм) - верхнее предельное отклонение ширины печатного проводника или контактной площадки от номинального значения,

(мм) - нижнее предельное отклонение ширины печатного проводника или контактной площадки от номинального значения,

- позиционный допуск на размещение проводника.

Указанные допустимые значения являются минимальными и их необходимо соблюдать в узких местах платы. На остальных участках ширина печатных проводников и расстояния между ними могут выполняться большего размера, чем указанный размер по данному классу.

7.3 Выбор метода изготовления ПП

Маркировка производится в зоне для размещения компонент, маркируются позиционные обозначения элементов.

Краевые поля ПП имеют ширину 5 мм, что соответствует толщине платы 1,5 мм. Размеры печатной платы 120х150 мм. Площадь ПП 18000 мм².

Размещение зон на ПП:

7.5 Размещение компонент на ПП

Задача компоновки и размещения компонент на плоскости платы является сложной комбинаторной задачей, при решении которой конструктор должен предусмотреть:

-обеспечение наиболее простой трассировки,

-обеспечение требуемой плотности размещения,

-учет тепловых режимов,

-учет механических воздействий,

-обеспечение быстродействия,

-обеспечение технологических требований.

Формализованных алгоритмов, которые бы учитывали все требования, нет. В некоторых САПР, например SPECTRA, имеются алгоритмы для автоматического размещения, которые в основном используют критерий минимум суммарной длины связей. В САПР данная задача решается конструктором. Ниже приводятся рекомендации для конструктора, решающего данную задачу.

1.Компоненты, имеющие большое число внешних связей располагать ближе к соединителю.

2.Компоненты, имеющие большое число взаимных связей, устанавливать рядом.

3.Крупногабаритные компоненты устанавливать ближе к элементам крепления модуля.

4.Микросхемы по возможности располагать рядами с одинаковой ориентацией.

5.Дискретные компоненты располагать в ортогональных направлениях.

6.Выводы компонент располагать в узлах координатной сетки. Если шаг выводов компонента не соответствует шагу координатной сетки, то в узле располагается первый вывод компонента.

7.Теплонагруженные элементы располагать равномерно по площади платы.

8. Помехочувствительные компоненты не размещать рядом с компонентами, которые могут быть источниками помех.

9.Если схема содержит цифровую и аналоговую части, то следует их на плате по возможности разместить на разных участках, так как чувствительные аналоговые элементы, например, компараторы, могут ложно срабатывать при переключении цифровых схем.

10.Если схема содержит последовательные каскады, то целесообразно их размещать в той же последовательности.

11. При наличии в схеме информационных шин, компоненты подключаемые к этой шине, стараться расположить по возможному направлению шины.

12.Компоненты, требующие особых мест размещения, например, цифровые индикаторы, органы управления, устанавливаемые на печатной плате, должны быть строго привязаны к заданным координатам.

Компоненты необходимо размещать относительно равномерно по плоскости платы.

После размещения компонент может возникнуть необходимость в уточнении габаритных размеров ПП.

7.6 Определение толщины ПП

Устройство является быть портативным, предназначенным для длительной переноски и работающим на ходу. Поэтому необходимо увеличить жесткость платы, толщину платы возьмем 1,5 мм.

7.7 Выбор материала основания ПП

Исходя из требования повышенной механической прочности, в качестве материала основы печатной платы выберем стеклотекстолит. Он представляет из себя спрессованные слои стеклоткани, пропитанные эпоксидной смолой. По сравнению с гетинаксом стеклотекстолит имеет лучшие электрические характеристики, более высокую прочность, меньшую теплопроводность, влагостойкость.

Металлизация переходных отверстий обеспечит прочное сцепление элементов с платой, так как при монтаже припой заполняет всё свободное пространство металлизированного отверстия, плотно сцепляясь с поверхностью вывода и стенками отверстия, образуя надёжное механическое и электрическое соединение.

7.8 Расчет элементов печатного рисунка

q- величина скола, равна 1.2 для 2го класса точности для толщины ПП 1.5 мм. K-расстояние от скола. Определяется классом точности. Для 1,2 классов принимается равной 0,3 мм, для 3,4 классов - 0,15 мм , для 5-го класса - 0,1 мм. -позиционный допуск расположения центра отверстия (0,20).-позиционный допуск расположения центра контактной площадки (0,10). - верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки (+0,10)

Q=1.2+0.3+0.5*(0.2²+0.1²+0.1²)=1.53

7.8.3 Расчет ширины проводника

При расчете ширины проводника учитывают:

-класс точности,

-допустимый ток нагрузки,

-допустимое падение напряжения.

Ширина проводника выбирается их условия:

Где -расчетное значение ширины,

t - минимальная ширина проводника для заданного класса точности

- ширина проводника рассчитанная из условия допустимого тока

-ширина проводника, рассчитанная из условия заданного допустимого падения напряжения,

- нижний допуск на ширину проводника.

= -0.1

t = 0.35мм

7.8.4 Расчет ширины проводника исходя из условий допустимого тока

- Максимальный ток через проводник

i -плотность тока

h -толщина проводника.

Плотность тока определяется материалом проводника:

для медной фольги i=100 А \ кв.мм.

h=1mm

I_max=80мА

t_i = 0.08мм

7.8.5 Расчет ширины проводника исходя из условия допустимого падения напряжения

где-удельное сопротивление слоя металла,

-максимальная длина проводника на печатной плате=290мм,

-допустимое падение напряжения на проводнике=0,5В.

Удельное сопротивление для медной фольги равно 0,0000000172 Ом\м,

Максимальная длина проводника принимается равной сумме двух сторон платы.

Максимальное допустимое падение напряжения - 1.2 в

I_max=800мА

t_u=(0.0000000172*8*0.290)/(0.001*0.5)=0.001мм

Исходя из максимального значения, получаем ширину проводника t_max=0.35мм/

7.8.6 Расчет размеров контактных площадок

Контактные площадки со сквозными отверстиями обычно имеют круглую форму. Если форма отличается от круглой, то расчет ведут для окружности, вписываемой в данную форму. Расчет для контактных площадок со сквозными отверстиями ведется по формуле:

Для элемента K176ИЕ5 и схожих с ним

Где d=3.3 -диаметр отверстия

b=0.1 - гарантированный поясок. Определяется для выбранного класса.

=0.1 -верхнее отклонение ширины проводника.

=0.15-отклонение диаметра отверстия (по таблице)

D=3.3+0.2+0.1+0.15+(0.2^2+0.1^2+0.1^2)^1/2=4

Для элемента резистор и схожих с ним

Где d=1.6 -диаметр отверстия

b=0.2 - гарантированный поясок. Определяется для выбранного класса по таблице,

=0.1 -верхнее отклонение ширины проводника. Определяется по таблице…

=0.2-отклонение диаметра отверстия (по таблице)

D= D=1.6+0.2+0.1+0.15+(0.2^2+0.1^2+0.1^2)^1/2=2.3

7.8.7 Расчет расстояния между элементами печатного рисунка

Наименьшее расстояние между элементами печатного рисунка определяется по формуле:

S=0.1+0.1+0.025=0.225

Т.к. рассчитанное значение меньше аналогичного из таблицы, берем значение наименьшее номинальное расстояние между проводниками из таблицы: S=0.45

Расчет диаметра зоны запрета около не металлизированного отверстия. Зона запрета вводится при задании условий для трассировки. Она должна быть не меньше расчетной.

-позиционный допуск на отверстие

-верхнее предельное отклонение диаметра отверстия, таблица 15

d - величина скола

k - величина до зоны скола.

D_z=1.2+0.15+0.5+0.2+0.6=2.65

7.9 Трассировка с помощью САПР

Бессеточный трассировщик P-CAD Shape-Based Router предназначен для интерактивной и автоматической трассировки многослойных печатных плат с высокой плотностью размещения компонентов. Особенно эффективен для компонентов с планарными контактами, выполненных в разных системах единиц измерения. Автотрассировщик обрабатывает печатные платы, имеющих до 30 слоев, до 4000 компонентов, до 5000 контактов в одном компоненте до 1000 цепей и до 16 000 электрических соединений в проекте.

Запускается программа или непосредственно из редактора P-CAD РСВ или автономно из среды WINDOWS (файл SR.EXE).

Настройка стратегии трассировщика производится после его запуска с помощью диалогового окна Options/Auto-Router.

Диалоговое окно имеет три закладки: Routing Passes, Parameters и Testpoints.

В закладке Routing Passes в областях Router Passes и Manufacturing Passes устанавливаются различные процедуры (проходы) трассировки:

В закладке Parameters устанавливаются параметры трассировки для различных слоев платы.

В закладке Testpoints задаются параметры генерации контрольных точек электрических цепей, в качестве которых могут использоваться существующие контактные площадки и переходные отверстия, появившиеся в результате трассировки.

Для каждой электрической цепи можно задать индивидуальный набор атрибутов, который будет использоваться при автотрассировке. Нужные атрибуты цепей устанавливаются в окне Net Attributes, которое вызывается командой Edit/Net Attributes.

В этом окне можно задать:

Display - режим отображения цепи на экран (True/False);

Priority -- очередность автотрассировки цепей (до 20 цепей);

Length Minimize - режим минимизации длины конкретной цепи: None - нет требований к длине цепи, Min Dist - минимизация общей длины цепи, Daisy -- сохранение последовательного соединения контактных площадок (стиль Daisy-chain), Horizontal -- горизонтальная прокладка цепи (обычно используется для цепей "питание" и "земля", Vertical - вертикальная прокладка цепи (обычно используется для цепей "питание" и "земля");

Route Action -- стиль автотрассировки: Default -- стандартный стиль автотрассировки (если печатная плата двухслойная, то стрингеры создаются только для планарных контактных площадок), Route -- трассировка цепи без генерации стрингеров, No Route - запрет трассировки цепи, Locked - запрет перетрассировки ранее проложенной цепи, Fan Out/Route - предварительная генерация стрингеров для планарных контактных площадок (если таковые имеются) выбранной цепи, а затем ее трассировка, Fan Out/Plane -предварительная генерация стрингеров для планарных контактных площадок (если таковые имеются) выбранной цепи, без ее трассировки (для слоев "земли" и "питания");

Route Layers - выбор слоев трассировки для конкретной цепи: Аll Routing - трассировка на всех сигнальных слоях, Тор - трассировка только на верхнем слое, Bottom - трассировка только на нижнем слое;

Width - ширина трассы конкретной цепи (по умолчанию всем трассам назначается ширина, определенная в поле Primery Trace Width закладки Parameters окна Autorouter Setup).

Перед началом трассировки рекомендуется выполнить команду Reports/Pre-Route Synopsis, которая кратко информирует о возможных будущих результатах трассировки (файл SR.RPT). При анализе файла пользователь принимает решение о начале трассировки или о частичном изменении параметров стратегии трассировки или параметров печатной платы.

По команде View/Density можно получить цветную графическую карту плотности трассировки печатной платы. На этой карте красным цветом обозначена наибольшая плотность трасс, голубым -- наименьшая плотность. Если на печатной плате одно или несколько пятен красного цвета, занимающие более 10-20% площади печатной платы, то для успешной трассировки рекомендуется переразместить компоненты.

Ручная трассировка новых соединений или редактирование существующих трасс производится после выполнения команды Tools/ Manual route. Перед началом работы на печатной плате должны быть размещены компоненты и определены соединения между контактами компонентов по команде Place/Connection или загружена полученная ранее информация о соединениях командой Utils/Load Netlist. Необходимо проверить также наличие всех слоев для трассировки (в противном случае необходимо выполнить команду Options/Layers и настроить слои трассировки). Трассировка производится только в сигнальных слоях. При попытке использовать для трассировки несигнальные слои появляется сообщение об ошибке.

Трасса на печатной плате фиксируется щелчками левой кнопки мыши в местах начала трассы, ее изломов и конца трассы. В случае нарушения допустимых зазоров между объектами на печатной плате ошибка помечается маркерами (кружками) желтого цвета.

Переход трассы из одного слоя на другой с автоматической вставкой переходного отверстия производится нажатием на клавишу номера сигнального слоя. Клавиша L позволяет переключать сигнальные слои.

Для удаления последнего сегмента трассы в контекстном меню нажимается строчка Undo. Если нужно прервать трассировку в том месте, где находится курсор (при нажатой левой клавиши мыши), можно воспользоваться клавишей / (прямой слэш). Эта клавиша либо прерывает прокладку трассы, либо показывает кратчайший путь от прерванного места до контакта. Этот кратчайший путь называется оптимизацией частично выполненной трассировки, и этот режим включается флажком Optimize Partial Route команды Options/Configure.

В процессе выполнения ручной трассировки после нажатия на правую кнопку мыши появляется контекстное меню, которое позволяет выполнить следующие операции:

Exit - завершение прокладки трассы (трасса остается неразведенной);

Finish -- автоматическое завершение трассы программой;

Lock - прекращение прокладки трассы (трасса остается недоразведенной).

Интерактивная трассировка выполняется с помощью набора команд меню Tools.

Autorowte Connection (автоматическая трассировка одного соединения) -- пользователь последовательно, цепь за цепью, указывает порядок трассировки соединений.

Autoroute Net (автоматическая трассировка одной цепи) -- после выбора нужной цепи будет произведена ее трассировка с соблюдением всех обусловленных ранее ограничений на трассировку указанной цепи.

Autoroute Component (автоматическая трассировка всех связей компонента) -- выбор компонента производится указанием мышью на один из его выводов. Затем автоматически проводятся все цепи, инцидентные всем контактам выбранного компонента.

Autoroute Area (автоматическая трассировка в выбранной области) -- необходимо очертить область печатной платы, после чего все соединения, начинающиеся или заканчивающиеся в этой области, будут проведены автоматически.

Для соединения контактов надо щелкнуть по контакту (или по электрической связи, проложенной ранее), к которому подходит нужная связь. От контакта к контакту будет проложена трасса с возможными переходами из слоя в слой.

При интерактивной трассировке выполняются заданные атрибуты цепей:

WIDTH - ширина трассы;

VIASTYLE -- стиль переходного отверстия;

CLEARANCE - величина любого зазора;

PADTOPADCLEARANCE -- зазор между контактами компонента;

PADTOLINECLEARANCE - зазор между контактом и линией трассы;

LINETOLINECLEARANCE - зазор между линиями трасс;

VIATOPADCLEARANCE - зазор между контактной площадкой и переходным отверстием;

VIATOLINECLEARANCE -- зазор между контактной площадкой и линией трассы;

VIATOVIACLEARANCE - зазор между контактными площадками.

Если результаты трассировки не удовлетворяют пользователя, то можно выполнить следующие команды:

Unroute All Nets - удаление всех проложенных цепей.

Unroute Conflicts -- удаление всех цепей, имеющих помеченные на печатной плате конфликтные точки.

Unroute Net -- удаление всей трассы одной цепи.

Unroute Connections - удаление трассы, соединяющей две контактные площадки.

Unroute Segment -- удаление сегмента цепи.

При интерактивной трассировке рекомендуется перед окончательным проведением цепи использовать команду Tools/Sketch Route. При указании на цепь подсвечивается вся электрическая цепь. Далее указывается один из контактов цепи и, не отпуская левую клавишу мыши, вычерчивается (неровной линией) предполагаемая трасса, которая после отпускания клавиши мыши проводится окончательно с соблюдением всех установленных правил трассировки.

Автоматическая трассировка производится после выполнения команды Tools/Start Autorouter в меню автотрассировщика P-CAD ShapeBased Router. В процессе трассировки в строке состояний отражается ход трассировки: название текущего прохода трассировки, число разведенных цепей и количество введенных переходных отверстий, наличие конфликтов и т. д.

Перед началом трассировки система выполняет анализ печатной платы и выбирает подходящую стратегию трассировки. В случае появления сообщения One or more connection cannot be routed (одно или более соединений не может быть проведено) проанализируйте текстовый файл *.LOG, внесите нужные исправления и начните трассировку заново.

На начальных этапах трассировки программа Shape-Based Router прокладывает трассы с нарушением технологических зазоров и даже с пересечением трасс на одном слое. Такие конфликты указываются на экране кружочками желтого цвета. На последующих проходах конфликты устраняются, а если это не удается сделать трассировщику, то результаты трассировки вместе с оставшимися конфликтами передаются в редактор РСВ Editor и редактируются самим пользователем.

Автотрассировку можно остановить по команде Tools/Pause Autorouter, возобновить по команде Tools/Restart Autorouter и прекратить по команде Tools/Stop Autorouter.

При автотрассировке возможно задание еще нескольких ее локальных режимов (для этого необходимо остановить процесс автоматической трассировки):

Autoroute Connection (автоматическая трассировкга отдельных фрагментов электрической цепи) - автоматическая трассировка производится при последовательном выборе того или иного контакта электрической цепи;

Autoroute Net (автоматическая трассировка всей электрической цепи) - выбирается любой контакт нужной электрической цепи, а затем вся цепь разводится в автоматическом режиме;

Autoroute Component (автоматическая разводка всех связей компонента) -- автоматическая разводка производится после указания на любой контакт выбранного компонента;

Autoroute Area -- автоматическая трассировка области, выбранной пользователем.

Для возвращения в программу P-CAD РСВ с целью просмотра результатов трассировки и возможного редактирования этих результатов выполняется команда Save and Return.

8. Разработка сборочного чертежа и спецификации

Сборочный чертеж модуля выполняется в масштабе:1:1, 2:1, 2,5:1, 4:1.

На 1- ом листе размещается главный вид модуля и боковая проекция со всеми крепежными деталями. Размещение компонент на этом рисунке не указывается. На 2 и 3 ем листах представляются стороны А и Б с размещением компонент. Для модулей с односторонним размещением компонент допускается компоненты показывать непосредственно на рисунке с главным видом. В этом случае чертеж выполняется на одном листе.

Сборочный чертеж должен давать полное представление о конструкции модуля, поэтому чтобы показать сложные конструктивные участки, например, элементы крепления, фиксации и пр. необходимо показывать разрезы в этих местах. На чертеж наносят габаритные, установочные и присоединительные размеры, предельные отклонения, позиционные обозначения. Компоненты изображаются в упрощенном виде. Всем составным частям присваивают позиционные номера, которые указывают с помощью выносок вне поля платы. Сборочный чертеж должен содержать технические требования по монтажу и сборке.

Обычно сборочные чертежи выполняются с помощью системы автоматизированного проектирования Автокад. В программе P-CAD PCB есть средства для передачи файлов с расширением *.pcb в файлы для программы Автокад. В курсовом проекте допускается выполнение сборочного чертежа в программе P-CAD PCB. В данной лабораторной работе используем программу P-CAD PCB.

Спецификация на модуль.

Спецификация представляет собой таблицу, содержащую перечень всех составных частей, входящих в данное изделие, и конструкторских документов. Она выполняется на листах формата А4.

Спецификация содержит графы:

-"Формат" -заполняется только для документации, при этом указывается формат, на котором выполнен документ.

-"Зона" -используется для больших и сложных сборочных чертежей, в которых поле чертежа разбивается на зоны. Используется редко.

-"Поз."-указывается позиция на сборочном чертеже. Позиции обозначают цифрами в порядке возрастания.

-"Обозначение" -указывают децимальный номер документа. Заполняется только для документации.

-"Наименование"-указывается наименование документа, детали . компонента и прочее. Для компонент в этой графе указывают также ГОСТ или ТУ, по которым выполнен компонент.

"кол." - указывают количество однотипных элементов.

"Примечание" - позиционные обозначения для компонент указывают согласно электрической принципиальной схеме.

Спецификация состоит из разделов:

-Документация,

-Сборочные единицы,

-Детали,

-Стандартные изделия,

-Прочие изделия.

- Материалы.

Название раздела указывают в графе "Наименование" и подчеркивают.

9. Поверочные расчёты

9.1 Расчет надежности