Размещено на http://www.allbest.ru/

Нижегородский Государственный Технический Университет

Кафедра: «Вычислительные системы и технологии»

Курсовой проект

по дисциплине: «Конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ»

Конструирование модуля цифрового устройства

Выполнил: Колобянин А.М.

группа 07-В-2

Проверил: Макаров Н. Н.

Нижний Новгород, 2010 г.

Содержание

• 1. Техническое задание
• 2. Анализ технического задания
• 2.1 Анализ назначения и объекта установки
• 2.2 Анализ условий эксплуатации
• 2.3 Анализ электрической принципиальной схемы
• 2.4 Анализ элементной базы
• 3. Описание САПР, используемой при проектировании
• 4. Разработка библиотеки компонент и электрической принципиальной схемы
• 4.1 Выбор электрического соединителя
• 4.2 Установка фильтрующих конденсаторов
• 4.3 Исключение из схемы отдельных компонент
• 4.4 Порядок разработки библиотеки символов
• 4.5 Порядок разработки библиотеки посадочных мест
• 4.6 Порядок разработки библиотеки компонент
• 4.7 Порядок выполнения электрической принципиальной схемы модуля и перечня элементов
• 5. Разработка конструкции модуля
• 5.1 Размещение цифрового модуля в конструкции 2-го уровня
• 5.2 Выбор способа закрепления модуля в конструкции более высокого уровня
• 5.3 Выбор конструкции цифрового модуля
• 5.4 Разработка каркаса
• 5.5 Разработка субпанели
• 6. Разработка печатной платы
• 6.1 Выбор компоновочной структуры и типа печатной платы
• 6.2 Выбор класса точности ПП
• 6.3 Выбор метода изготовления ПП
• 6.4 Расчет габаритов ПП
• 6.5 Размещение компонент на ПП
• 6.6 Определение толщины ПП
• 6.7 Выбор материала основания ПП
• 6.8 Расчет элементов печатного рисунка
• 7. Разработка сборочного чертежа и спецификации
• 8. Поверочные расчеты
• 8.1 Расчет надежности
• 8.2 Расчет уровня стандартизации и унификации
• 8.3 Тепловые расчеты
• 9. Заключение и выводы
• 10. Перечень используемых источников
• 1. Техническое задание
• Настоящее техническое задание распространяется на разработку синтезатора частоты на диапазон 144 МГц, предназначенного для реализации связи на УКВ с применением наиболее помехоустойчивой частотной модуляции, и используемого в составе генераторного оборудования приемопередающих устройств систем связи, радиолокации и измерительной техники в качестве источника стабильных по частоте колебаний.
• Основание для разработки
• Изделие разрабатывается в соответствии с учебным планом специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», утвержденным учебно-методической комиссией.
• Разработка производится по теме «Конструирование модуля цифрового устройства».
• Источник разработки
• Существует множество аналогов данного устройства. Основной недостаток данных аналогов - дорогостоящая и редкая элементная база. При разработке нашего изделия главное внимание будем уделять повторяемости конструкции и доступности деталей. Так, предлагаемый вариант не требует применения дефицитных высокочастотных цифровых схем.
• Технические требования
• Состав изделия
• Изделие представляет собой одноплатную конструкцию на плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Для связи с другими модулями и подвода к схеме питающего напряжения используется разъем СНО51-10. Изделие размещается в конструкции более высокого уровня.
• Технические параметры
• выходная частота синтезатора в режиме передачи 144-146 МГц
• выходная частота синтезатора в режиме приема 133.3-135.3 МГц (для Fпч 10.7МГц)
• шаг сетки 5.0 кГц 10 кГц 12.5 кГц 25 кГц
• частоты поддержки (открывания) репитера 79.7 Гц 82.5 Гц 85.4 Гц 88.5 Гц 91.5 Гц 94.8 Гц 97.4 Гц 100 Гц 103.5 Гц 1750 Гц и OFF выкл.)
• разнос частоты прием-передача для репитера - 600 кГц
• напряжение питания синтезатора составляет 12 В
• ток потребления не более 30 мА
• уровень высокочастотного сигнала на выходе синтезатора на нагрузке 50 Ом составляет не менее 0.1 В.
• Требования к надежности
• Изделие должно обеспечивать безотказную работу в течение 24 ч. с вероятностью не меньше 0,99; наработку на отказ не менее 10000 ч.; иметь средний срок службы не менее 5 лет.
• Требования по стандартизации и унификации
• Изделие должно иметь значение коэффициента унификации и стандартизации не менее 80%.
• Конструктивные требования
• Данное изделие используется в конструкциях более высокого уровня.
• Условия эксплуатации
• Согласно варианту разработки (Вариант 27), изделие может эксплуатироваться на открытом воздухе при сухом и влажном тропическом климате (Т). Изделие является портативным, работающим или неработающим на ходу.
• Тип производства - массовое производство.
• Требования безопасности
• Изделие должно отвечать требованиям электрической безопасности.
• Требования к упаковке, маркировке, транспортировке и хранению
• Изделие транспортируется любым видом транспорта, может функционировать на ходу. Необходимо обеспечить защиту устройства от механических воздействий.
• Требования к патентной чистоте
• Изделие разрабатывается для эксплуатации в пределах РФ. Патентная чистота должна выполняться для территории РФ.
• Стадия разработки
• Изделие находится в стадии разработки технической документации (О).
• Исполнители
• Студент группы 07-В-2 Колобянин Алексей Михайлович.
• Сроки выполнения по этапам
• 1. Разработка технического задания -- 4-я неделя семестра;
• 2. Выполнение схемы электрической и перечня элементов -- 6 неделя семестра;
• 3. Выполнение чертежа печатной платы, сборочного чертежа и спецификации -- 8 неделя семестра;
• 4. Выполнение пояснительной записки -- 12 неделя семестра;
• 5. Защита курсового проекта -- 13-14 недели семестра.
• 2. Анализ технического задания
• 2.1 Анализ назначения и объекта установки
• Синтезатор частот -- устройство для генерации электрических гармонических колебаний с помощью линейных повторений (умножением, суммированием, разностью) на основе одного или нескольких опорных генераторов. Данное изделие служит источником стабильных (по частоте) колебаний и используется в конструкциях более высокого уровня, таких как радиоприемники, радиопередатчики, частотомеры, и других устройствах, в которых требуется настройка на разные частоты и требуется высокая стабильность выбранной частоты. Это устройство обеспечивает высокую точность и стабильность, поэтому часто используется в разных отраслях промышленности.
• Данное изделие относится к портативным устройствам, поэтому должна быть обеспечена стабильная работа на ходу. Отсюда следует, что изделие должно быть защищено от различных механических воздействий.
• 2.2 Анализ условий эксплуатации
• В соответствии с заданной климатической зоной и категорией изделия (ГОСТ 15150-69) определяем климатические факторы, воздействующие на изделие.
• 1. Температура

Климатическое исполнение	категория	Рабочая температура	Предельная температура
		верхняя	нижняя	верхняя	нижняя
Т	1	+45	-10	+55	-10

• 2. Влажность

Климатическое исполнение	категория	Относительная влажность
		Среднее значение	Верхнее значение
Т	1	90% при 27 градусах С	100% при 35 градусах С

• 3. Воздействие

Воздействие	Исполнение и категория	параметр
Интенсивность дождя	Т, категория 1	5 мм\мин.
Иней, роса	-
Выпадение капель	-
Снег, снежная пыль	-
Ветер	Т, категория 1	Скорость до 50 м/с
Пыль	-
Соляной туман	-
Плесневелые грибки	Т, категория 1

• 4. Механические воздействия определяются объектом размещения.

Воздействующий фактор	Параметры	Группа 6
Вибрация на одной частоте	Частота, Гц.	20
	Ускорение	2g
	Время выдержки, час.	0,5
Вибрация в диапазоне частот	Частота, Гц.	10--70
	Ускорение	0,8--3,8g
	Время выдержки, час.	12
Одиночные удары	Длительность, мс.	5--10
	Число ударов в 1 мин	40--80
	Ускорение	10g
	Общее число ударов	60
Многократные удары	Длительность.мс.	5--10
	Число ударов в 1 мин	40--80
	Ускорение	10g
	Общее число ударов	6000
Падение	Высота, мм	750

• Путем анализа условий эксплуатации устанавливают группу жесткости для печатной платы по климатическим воздействиям. Согласно ГОСТ 23752-79 для печатных плат устанавливают одну из 4 групп жесткости. Группа жесткости определяется по таблице:

Воздействующий фактор	Группа жесткости печатной платы
	1	2	3	4
Верхнее значение температуры, градусы Цельсия	55	85	100	120
Нижнее значение температуры, градусы Цельсия	-25	-40	-60	-60
Относительная влажность, в %	75	98	98	100

• Для определения группы жесткости печатной платы проанализируем условия, в которых будет находиться устройство. Наше изделие входит в состав конструкции более высокого уровня, поэтому температура внутри корпуса будет выше, чем температура окружающей среды, так как в процессе работы изделия выделяется тепло. Примем температуру перегрева внутри корпуса равной 20 градусам Цельсия.
• С учетом того, что на устройство могут влиять достаточно высокие перепады температур от -10 до +55 градусов Цельсия, а также очень высокая влажность воздуха (до 100% при 35 градусах С), определим печатную плату к 4 классу прочности.
• Проанализировав условия эксплуатации, выделим факторы, влияющие на конструкцию:
• · Интервал рабочих температур - от -10 до +45 °С
• · Интервал предельных температур - от -10 до +55 °С
• · Влажность воздуха - до 100% при 35 °С
• · Влияние дождя, ветра и плесневелых грибков
• · Влияние механических воздействий
• Исходя из тяжелых воздействующих на конструкцию факторов, определим приоритеты при конструировании:
• -устойчивость к внешним воздействиям: пыли, туману, перепадам температуры, влажности и пр.
• -механическая прочность, вибропрочность, вибростойкость,
• -себестоимость.
• 2.3 Анализ электрической принципиальной схемы
• Разрабатываемая схема является цифровой, возможности самовозбуждения отсутствуют, нет критичности к длине связей, теплонагруженных элементов нет. Критических требований к длине связи нет. Среди цепей следует выделить цепи «земля» и «питание», для которых будут созданы классы цепей (Net Class) с именем PWR и GND.
• Определим электрические параметры схемы, которые необходимы при расчете элементов печатного монтажа:
• · Источник питания: маломощный стабилизированный источник 12В.
• · Рассеиваемая мощность: 0,36Вт
• · Максимально допустимый ток в статике 30 мА
• · Максимально допустимый ток в динамике 300 мА
• · Максимальное напряжение в схеме: 12В
• · Максимально допустимое падение напряжения В
• · Сопротивление изоляции: 20 МОм
• 2.4 Анализ элементной базы

№	Тип компонента	Символ на ЭЗ	Конструкция, тип корпуса	Посадочное место
1	Резистор МЛТ-0,25		D=3 , L=7 , d=0,6 мм
2	Переменный резистор СП3-19А		d=0,5 мм
3	Конденсатор КМ-6		W=12, L=12, T=6 , A=7,5, d=0,5 мм
4	Конденсатор электролити-ческий К50-6		D=5, L=11, d=0,5 мм Для С13,С26 L=12 мм
5	Диод КД503-А		d=0,5 мм
6	Стабилитрон КС182Ж		d=0,5 мм
7	Варикап КВ109В		d=0,8 мм
8	Транзистор КТ342Б		d=0,5 мм
9	Транзистор КТ315Б		d=1 мм
10	Транзистор КТ316Б		d=0,5 мм
11	Транзистор полевой КП303Е		d=0,5 мм
12	Кварцевый резонатор РК-46		d=0,6 мм
13	Микросхема К561ИЕ19		d=0,5 мм
14	Микросхема К561ТВ1		d=0,5 мм
15	Микросхема К561ЛА7		d=0,5 мм
16	Микросхема К561ИЕ14		d=0,5 мм
17	Соединитель СНО51-10		L=21,2 , d=0,6 мм

• Сложность разрабатываемого модуля: средняя (>20 у.е.).
• Имеются следующие разновидности диаметров выводов компонентов:
• = 0,5 мм; 0,6 мм; 0,8 мм; 1 мм.
• Выводы компонент: гибкие, устанавливаемые в отверстия. Выводы микросхем устанавливаются с шагом 2,5 мм. Используется сетка с шагом 1,25 мм.
• 3. Описание САПР, используемой при проектировании
• Автоматизированная программа P-CAD предназначена для проектирования печатных плат. Пакет программы состоит из нескольких взаимосвязанных программ. Основными программами в пакете являются: P-CAD Schematic; P-CAD PCB; P-CAD Symbol Editor; P-CAD Pattern Editor; P-CAD Library Executive и др.
• Программа P-CAD Schematic является графическим редактором схем. С помощью неё выполняется принципиальная электрическая схема электронного узла, который затем размещается на печатной плате.
• Программа P-CAD PCB является графическим редактором и используется для выполнения чертежа печатной платы.
• Программа P-CAD Symbol Editor предназначена для создания условных графических обозначений элементов, которые могут объединяться в библиотеки. Условные графические обозначения используются при выполнении электрических принципиальных схем.
• Программа P-CAD Pattern Editor используется для создания посадочных мест элементов на печатную плату. Посадочные места объединяются в библиотеки и в дальнейшем используются программой P-CAD PCB при выполнении чертежа печатной платы.
• Программа P-CAD Library Executive используется для создания библиотек элементов. В системе могут использоваться библиотеки условных графических обозначений, библиотеки посадочных мест корпусов и интегрированные библиотеки компонент. Интегрированные библиотеки компонент содержат информацию о графическом изображении символа, о посадочном месте и текстовую информацию о выводах элементов. Для выполнения отдельных электрических схем или отдельных чертежей печатных плат можно использовать отдельные библиотеки символов или корпусов. Однако при сквозном проектировании удобнее пользоваться интегрированными библиотеками, так как в этом случае программа автоматически устанавливает взаимосвязь между электрической схемой и печатной платой.
• 4. Разработка библиотеки компонент и электрической принципиальной схемы
• 4.1 Выбор электрического соединителя
• Все электрические соединения модуля с другими устройствами должны осуществляться только через разъемы. Для этого на модуле установим один электрический соединитель СНО51-10, предназначенный для печатного монтажа. Так как в разомкнутом состоянии на контактах разъема нет электрическое напряжения, то на печатную плату ставится вилка.
• Характеристики соединителя СНО51-10, которые учитывались при выборе разъема.
• Конструктивные особенности:
• Исполнение соединителя - всеклиматическое (В).
• Число контактов - 10.
• Отверстия располагаются с шагом 2,5 мм.
• Условия эксплуатации:
• Температура окружающего воздуха - -60…+85 °С
• Относительная влажность воздуха - до 98%
• Электрические характеристики:
• Максимальное рабочее напряжение - 150 В
• Максимальный ток на контакт - 2,2 А
• Сопротивление электрического контакта - не более 0,01 Ом
• Надежность:
• Износостойкость соединителя составляет 500 сочленений-расчленений.
• 4.2 Установка фильтрующих конденсаторов
• Для исключения помех по шинам питания между шинами «питание» и «земля» возможна установка фильтрующих конденсаторов. Рекомендуется устанавливать один или два конденсатора по низкой частоте и несколько конденсаторов от высокочастотных помех. По низкой частоте устанавливают электролитические конденсаторы ближе к разъему с емкостью от 47 до 100 мкФ. В качестве конденсаторов для защиты от высокочастотных помех рекомендуется применять керамические конденсаторы с емкостью от 1000 до 10000 пФ.
• В соответствии с рекомендациями на схему были установлены один керамический конденсатор КМ-6 емкостью 2000пФ (С1), расположенный вблизи кварцевого резонатора и два электролитических конденсатора К50-6 емкостью 100мкФ x 16В (С13 и С26) рядом с разъемом.
• 4.3 Исключение из схемы отдельных компонент
• Разрабатываемая электрическая принципиальная схема не содержит электро-радиоэлементов, которые по конструктивно-технологическим соображениям целе-сообразно вынести на другие конструкции.
• 4.4 Порядок разработки библиотеки символов
• Для разработки библиотеки символов использовался редактор Symbol Editor P-CAD 2002 со следующими настройками: формат А4, единица измерения миллиметр (мм), варианты ортогональности 90 и 45 градусов, сетка с шагом 0,1 ; 0,5 и 1 мм , линия рисования с шириной 0,2 мм, курсор привязан к координатной сетке (snap to grid), шрифт «2,5».
• Для микросхем используем возможность мастера символов, т.к. этот метод быстрее и удобнее. Для остальных элементов создаем символ вручную.
• Разработка дискретных элементов: резистор, конденсатор, диод, кварцевый резонатор состоит в выполнении следующих пунктов:
• 1. Рисуется контур УГО элемента.
• 2. Изображаются выводы элемента
• Установим длину вывода равную 4 мм. В поле Default Pin Name вводим имя вывода, а в поле Default Pin Des номер вывода. Нажать ОК. Установить курсор в точку, где должен быть вывод, если вывод неверно ориентирован, то, не отпуская кнопку мыши, нажать на клавиатуре кнопку R.
• 3. Введение атрибутов элемента

В качестве атрибутов указать места для размещения позиционного обозначения и типа элемента. Позиционное обозначение указывается над элементом, а тип элемента - под элементом.

Выполнить команду Place Attribute. В диалоговом окне в области Attribute Category выбрать Component. В области Name выбрать Ref Des и нажать ОК, Type или Value и нажать ОК.

4. Ввод точки привязки

Выполнить команду Place Ref Point. Переместить курсор в выбранную точку привязки и щелкнуть левой клавишей мыши.

5. Сохранение УГО в библиотеке

Для создания УГО микросхем удобнее пользоваться мастером создания символа.

1. Задать геометрические размеры контура элемента

2. Указать число выводов справа и слева

3. Указать длину вывода Normal и расстояние между выводами 5мм

4. Подписываем выводы, задавая их имена в поле Default Pin Name и номер вывода в поле Default Pin Des в соответствии со схемой

5. Затем производим редактирование элемента, т.е. дорисовываем линии внутри контура, ставим знак инверсии у выводов, указываем позиционное обозначение и типа элемента.

4.5 Порядок разработки библиотеки посадочных мест

Для разработки библиотеки посадочных мест использовался редактор Pattern Editor P-CAD 2002 со следующими настройками: формат А4, единица измерения мм, сетка с шагом 1,25 мм для рисования монтажных отверстий и 0,1 ; 0,5 и 1 мм для рисования контуров посадочных мест, линия рисования с шириной 0,2 мм, курсор привязан к координатной сетке (snap to grid), шрифт «2,5».

Создадим стек монтажных отверстий. В данной схеме используются круглые отверстия (Кр) для штыревого вывода размером 0,8\1,3 ; 1,1\1,6 и 1.3\1,8. Для изображения монтажного отверстия первого вывода микросхем используется стиль Кв 0,8\1,3.

Для создания монтажного отверстия под штыревой вывод надо:

1. Выбрать команду Options Pad Style. В одноименном окне нажать кнопку Copy. Появится панель Copy Pad Style, на которой необходимо задать новое имя стиля.

2. Наименование стиля указывает форму контактной площадки и размер отверстия. Появится вновь окно Options Pad Style. Нажать кнопку Modify Simple.

3. Появится окно Modify Pad Style (Simple). В области Type (Тип) выбрать Thru (Сквозное отверстие). В области Shape выбрать Elipse для кругового отверстия. Установить Width (ширину) равной 1,3 мм и Height (высоту) - 1,3 мм. В области Hole установить диаметр отверстия 0.8 мм. Нажать ОК.

Посадочное место элемента на печатной плате состоит из монтажных площадок и отверстий. Монтажные отверстия размещают в узлах координатной сетки. Для привязки курсора к узлам координатной сетки выбрать команду View Snar to Grid.

Разработка посадочных мест дискретных элементов: резистор, конденсатор, диод, кварц, состоит в выполнении следующих пунктов:

1. Рисуем корпус элемента

Он изображается в виде простых геометрических фигур без указания деталей конструкции. Он изображается на слое Top Assy. Для этого в строке состояний в поле Select Layer (выбор слоя) установить слой Top Assy.

Для рисования линий вызвать команду Place Line, для рисования окружностей вызвать команду Place Arc.

2.Выбор монтажного отверстия или контактной площадки

Активизируем необходимый стиль монтажного отверстия или контактной площадки, вызвав Options Pad Style и выбрав его. Нажать кнопку Close. Щелкнуть левой клавишей мыши по пиктограмме Place Pad. Появится панель Place Pad. На панели в окнах будут установлены единицы. Оставить установки без изменений и нажать ОК. Подвести курсор на координаты установки первого отверстия и щелкнуть левой кнопкой. Переместить курсор на координаты 2-ого отверстия и вновь щелкнуть левой кнопкой. Продолжить операцию для установки всех отверстий данного стиля и в конце нажать правую кнопку мыши. Если посадочное место строится с использованием разных стилей отверстий, то необходимо изменить стиль монтажного отверстия и повторить описанные ранее операции с другим стилем отверстия.

3. Ввод атрибутов

В качестве атрибутов ввести место для размещения позиционного обозначения и типа элемента. Выполнить команду Place Attribute. В диалоговом окне в области Attribute Category выбрать Component. В области Name выбрать Ref Des и нажать ОК. Установить курсор в точку над элементом и щелкнуть левой кнопкой мыши, а затем правой кнопкой мыши. Повторить операцию для установки надписи о типе элемента под элементом.

4. Выберем точку привязки

Выполнить команду Place Ref Point. Переместить курсор в выбранную точку привязки.

5.Сохранение посадочного места в библиотеке.

флажок Create Component должен быть сброшен.

Для создания посадочных мест микросхем удобнее пользоваться мастером создания посадочного места.

1. Указываем количество выводов и расстояние между ними

2. Указать место расположения первого отверстия - точки привязки

3. Выбрать стиль монтажного отверстия или контактной площадки для первого вывода и остальных

4. Задать размеры корпуса микросхемы

5. Нажать ОК и сохранить

4.6 Порядок разработки библиотеки компонент

Для разработки библиотеки компонент используем Library Executive P-CAD 2002.

Чтобы создать компонент надо:

1. Component New. Будет предложено выбрать библиотеку, из которой надо будет создавать элемент (ту, в которую сохраняли символы и посадочные места).ОК

2. Выбираем посадочное место Select Pattern. ОК. Указываем количество шлюзов Number of Gates 1.

3. Выбираем символ Select Symbol. OK.

4. Далее прописываем соответствие выводов и их эквиваленты. Pins View. В идеале программа сама произвела сопоставление вывода контакта, вывода на символе, его имени.

5. Прописываем электрический тип: неизвестен, ввод, вывод, питание.

6. Вручную прописываем номер шлюза.

7. Заполним графы соответствия выводов. Чаще всего все выводы эквивалентны, входы эквиваленты.

8. Для питания заполним колонки Pin Name и Gate #.

9. Для проверки правильности создания элемента выполним команду Component Validate. Если все правильно, то программа выдаст сообщение No errors found.

При выполнении данной работы была разработана библиотека со следующими компонентами :

- Резистор МЛТ-0,25;

- Переменный резистор СП3-19А;

- Конденсатор КМ-6;

- Электролитический конденсатор К50-6;

- Диод КД503-А;

- Стабилитрон КС182Ж;

- Варикап КВ109В;

- Транзистор КТ342Б;

- Транзистор КТ315Б;

- Транзистор КТ316Б;

- Транзистор КП303Е;

- Кварцевый резонатор РК-46;

- Микросхема К561ИЕ19;

- Микросхема К561ТВ1;

- Микросхема К561ЛА7;

- Микросхема К561ИЕ14;

- Соединитель СНО51-10;

- GND;

- +12V;

- +5V.

4.7 Порядок выполнения электрической принципиальной схемы модуля средствами P-CAD 2002 и перечня элементов

Электрическая принципиальная схема и перечень элементов разрабатываются с помощью программы P-CAD Schematic в соответствии с методическими указаниями «Разработка модуля ЭВМ. Схема электрическая принципиальная» к лабораторной работе №5.

Перед началом разработки необходимо установить следующие параметры:

Формат: А3.

Единица измерения: мм.

Варианты ортогональности 90/45 градусов.

Шаг сетки: 1мм, 2 мм, 0,2 мм, 0,1 мм, 0,5 мм.

Ширина линии рисования: 0,2 мм.

Привязать курсор к координатной сетке.

Используемые шрифты: 2,5; 3,5; 5.

Данный набор параметров является наиболее приближенным к требованием ЕСКД предъявляемым к электрической принципиальной схеме.

Выполнение принципиальной электрической схемы следует начинать с наиболее габаритных элементов, например, разъемов и микросхем.

Далее размещаются остальные элементы. Затем производится соединение выводов проводниками или при помощи шины. После устранения ошибок выявленных утилитой ERC необходимо сохранить схему и подготовить список цепей для импортирования в программу PCB.

5. Разработка конструкции модуля

5.1 Размещение цифрового модуля в конструкции 2-го уровня

Разрабатываемая конструкция является конструктивным модулем 1-го уровня, который должен устанавливаться в конструкцию 2-го уровня. Наше изделие входит в состав более сложного модуля, поэтому модуль 2-го уровня представляет собой блок для установки нескольких модулей первого уровня.

Разрабатываемый модуль размещается в конструкции второго уровня -- пластиковом корпусе прямоугольной формы. Исходя из условий эксплуатации, необходимо сформировать ряд требований на корпус: вентиляционные отверстия находятся на задней стенке корпуса и снизу, углы корпуса прорезинены (для обеспечения лучшего сцепления с поверхностью, на которую устанавливается прибор).

Положение ПП в корпусе показано на эскизе.

Вид спереди Вид слева Блок питания

5.2 Выбор способа закрепления модуля в конструкции более высокого уровня

Так как на устройство влияют сильнее механические нагрузки, следует предусмотреть меры по надежному закреплению модуля. Для этого жестко закрепим печатную плату в корпусе со всех четырех сторон при помощи четырех болтов диаметром 2 мм и четырех пружин. Пружины необходимы для уменьшения влияния вибраций.

5.3 Выбор конструкции цифрового модуля

В состав конструкции 1-го уровня входят следующие элементы:

· монтажная плата

· соединитель

· компоненты

· элементы закрепления модуля

5.4 Разработка каркаса

Конструкция является бескаркасной. Печатная плата крепится к корпусу при помощи болтов.

печатная плата сборочный чертеж

5.5 Разработка субпанели

Устройство не предполагает наличия субпанели. Для связи данного блока с другими блоками используется разъем.

6. Разработка печатной платы

6.1 Выбор компоновочной структуры и типа печатной платы

Исходя из способа монтажа элементов на ПП и элементной базы выбираем компоновочную схему.

· Тип компоновочной схемы: Тип 1 (компоненты устанавливаются на одну сторону ПП).

· Класс компоновочной схемы: Класс А (компоненты монтируются в отверстия).

Отсюда компоновочная структура нашей схемы : 1А. Теперь необходимо определить тип печатной платы.

Типы печатных плат могут быть:

-односторонние ОПП,

-двухсторонние ДПП,

-многослойные МПП.

Для компоновочной схемы 1А целесообразно применять ОПП и ДПП.

Функциональная сложность разрабатываемого модуля: средняя (>20 у.е.). При средней сложности целесообразно применять ДПП и МПП.

Сопоставив эти рекомендации, выбираем тип ПП: ДПП (двухсторонняя ПП).

6.2 Выбор класса точности ПП

По российским стандартам (ГОСТ 23751-86) существует 5 классов точности выполнения элементов печатного монтажа.

При выборе класса точности мы руководствуемся следующими доводами:

-конструктивная сложность изделия средняя, поэтому следует выбирать 1-3 классы точности;

-у нас нет БИС, СБИС, бескорпусных микросхем, которые требуют применения 3-5 классов точности;

-массо-габаритные характеристики : нет необходимости применять высокие классы точности, так как не было задано требования компактности ПП;

-стоимость: высокий класс точности требует более дорогостоящего оборудования, что приводит к повышению стоимости изделия;

-условия эксплуатации: этот фактор является решающим для нас, так как наше изделие может находиться в очень суровых условиях (перепады температур, влажность). Поэтому для обеспечения надежности следует применять более высокий класс точности;

Проанализировав все «за» и «против» выберем 3 класс точности со следующими параметрами:

Условные обозначения элементов печатного монтажа	Класс точности
	3
t (мм)	0,25
S (мм)	0,25
b (мм)	0,10
d\H	0,33
(мм) без покрытия	+0,05
(мм) без покрытия	-0,05
(мм) с покрытием	+0,10
(мм) с покрытием	-0,10
(мм)	0,05

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 необходимо соблюдать в узких местах платы. Узкое место ПП- это участок ПП, на котором элементы печатного проводящего рисунка выполняются с минимально допустимыми значениями. На остальных участках ширина печатных проводников и расстояния между ними могут выполняться большего размера, чем указанный размер по данному классу.

6.3 Выбор метода изготовления ПП

Для изготовления ДПП используют следующие технологические процессы:

-комбинированный позитивный,

-комбинированный негативный,

-аддитивный,

-фотоформирование,

-электрохимический,

-тентинг процесс.

Для средней конструктивной сложности применяют комбинированные методы изготовления печатных плат.

Для 3-4 классов точности используют комбинированные методы.

Для массового производства используют, как правило, комбинированные методы.

Исходя из типа ПП, класса точности и масштабов производства, выбираем комбинированный позитивный метод изготовления ПП.

6.4 Расчет габаритов ПП

На нашей ПП имеются следующие зоны:

· зона для размещения компонент;

· зона для размещения соединителя;

· зона для размещения элементов крепления модуля;

· зона маркировки;

· краевые поля ПП.

Расчет площади зоны для размещения компонент.

- установочная площадь i-го элемента.

При расчёте площади, занимаемой компонентом, берётся площадь прямоугольника, включающая корпус элемента и монтажные площадки. Площадь определяется по формуле:

где и - стороны прямоугольника (в мм).

=21*(14*4)+2*(7,3*7,3)+21*(13*7)+6*(6*6)+2*(15*4)+1*(10,8*2,9)+1*(11*3,5)+1*(6,9*6,9)+1*(8,2*4)+1*(6,9*6,9)+2*(6,8*6.8)+1*(14,6*4,4)+1*(21,8*8,5)+1*(21,8*8,5)+1*(20,5*8,5)+3*(21,8*8,5)=1176+106,58+1911+216+120+31,32+38,5+47,61+32,8+47,61+92,48+64,24+185,3+185,3+174,25+185,3=4429 мм2

- коэффициент, зависящий от типа конструкции платы и приоритетных требований к конструкции. Для ДПП берется в интервале (1,5…2,5). Поскольку нашим требованием является низкая себестоимость, примем коэффициент = 2,5.

Тогда площадь зоны размещения компонент будет равна: =2,5*4429=11073 мм2

Расчет площади зоны для размещения соединителя.

Площадь зоны для соединителя с прямоугольным корпусом и размещаемого на краю платы определяется по формуле:

, где Lc и Bc - габаритные размеры соединителя.

(21,2+20)*(8,75+10)=773 мм2

Зона для размещения элементов крепления модуля

В нашем случае элементами крепления модуля служат винты. Размеры зон выбираются по формуле

Где Sкр площадь элемента крепления

Sполя - площадь краевого поля, которая берется по периметру площади, занимаемой элементом крепления.

Для крепления платы используются винты М2 (диаметр резьбы 2 мм). Тогда = 4 . Ширина краевого поля равна 5 мм, тогда . Получаем .

Найдем площадь зоны для размещения элементов крепления: .

Зона для маркировки

Маркировка наносится в зоне для установки компонент. Это делается для маркировки позиционных обозначений компонент, их номиналов, типа компонента.

Краевые поля ПП.

Краевые поля ПП это поля по периметру платы, на которых не могут размещаться элементы печатного монтажа. Выберем краевые поля, равные 5 мм. В нашем случае на краевых полях размещается зона для соединителя.

Теперь необходимо скомпоновать конструкторско-технологические зоны. Сначала выбираем размеры зоны для размещения компонент 120x100 мм (12000 мм2). После к этим размерам добавим размеры зоны для соединителя, получим 130x100 мм. Осталось по периметру ПП ввести краевые поля шириной 5мм.

В результате мы получили габариты нашей ПП: 140x110 мм.

Полученные размеры ПП удовлетворяют требованиям ГОСТ:

-соотношение длины к ширине не более 3,

-размер по ширине рекомендуется выбирать из ряда: 20, 30, 40, 45, 50, 60, 75, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140,150, 160, 170, 200 мм.

6.5 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.

Необходимо выполнять следующие рекомендации:

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.

6.6 Определение толщины ПП

Толщина платы выбирается из условий:

1.Толщину платы рекомендуется выбирать из предпочтительного ряда значений толщины для ОПП и ДПП. Предпочтительными являются значения: 0,8; 1,0; 1,5; 2,0 мм. для стеклотекстолита и 1,0; 1,5; 1,0; 3,0 мм для гетинакса.

2.Отношение минимального диаметра отверстия к толщине должно быть не менее величины установленной стандартом для данного класса. Например, для 3-го класса точности это отношение должно быть не менее 0,33. Для качественной металлизации отверстий рекомендуется отношение для всех классов брать не менее 0,4.

3.Длина штыревого вывода, выступающего из отверстия платы должна быть не менее 0,5 мм для обеспечения надежной пайки.

5.Учет механических нагрузок. При значительных механических нагрузках (Ударных, вибрациях) толщину платы необходимо брать больше.

6.Учет конструктивных особенностей модуля и способа его закрепления в конструкции 2-го уровня. Для бескаркасных конструкций толщину платы необходимо взять не менее 1 мм. Для жесткого крепления платы, например точечное крепление винтами, толщину платы можно брать небольшой, например 0,8-1 мм.

7.Толщина платы определяется используемым материалом для основания ПП. Для стеклотекстолита берутся меньшие толщины, чем для гетинакса.

Из ряда значений для толщины ПП для ДПП выбираем ширину 1,5 мм. Данное значение удовлетворяет критерию соотношения минимального диаметра отверстия к толщине ПП. Выбранное значение также удовлетворяет критериям, учитывающим конструктивные особенности модуля и возможные механические нагрузки.

6.7 Выбор материала основания ПП

При выборе материала основания ПП учитываем тип конструкции ПП, класс точности, климатические и механические воздействия, стоимость. Необходимо выбрать либо гетинакс, либо стеклотекстолит. Для уменьшения себестоимости следовало бы выбрать гетинакс, но он обладает невысокими диэлектрическими свойствами и неустойчив к влаге, что недопустимо для заданных климатических условий. Стеклотекстолит же имеет более устойчивые электрические характеристики, лучшие механические характеристики, более устойчив к внешним воздействиям. Поэтому в качестве материала основания ПП выбираем стеклотекстолит СФ-2-50. Толщина медной фольги 50 мкм.

6.8 Расчет элементов печатного рисунка

Диаметр монтажного отверстия.

Диаметр рассчитывается с учетом диаметра вывода компонента, точности позиционирования отверстия, и необходимого зазора для обеспечения свободной установки вывода компонента при монтаже.

где: -максимальное значение диаметра вывода компонента. Если сечение вывода имеет сложную форму, то в качестве диаметра принимается диаметр описываемой окружности.

r- зазор (разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным значением диаметра вывода). Зазор выбирается конструктором для ручного монтажа из интервала (0,1-0,4) мм, а для автоматизированного монтажа и установки компонент - из интервала (0,4 - 0,5) мм.

- нижнее предельное отклонение диаметра отверстия.

= 0,10.

У нас имеются следующие разновидности диаметров выводов компонентов: = 0,5 мм; 0,6 мм; 0,8 мм; 1 мм.

Для каждого диаметра выводов найдем диаметр монтажного отверстия.

r = 0,2 : 0,5+0,2+0,10=0,8 =0,8 мм

r = 0,1 : 0,6+0,1+0,10=0,8 =0,8 мм

r = 0,2 : 0,8+0,2+0,10=1,1 =1,1 мм

r = 0,2 : 1+0,2+0,10=1,3 =1,3 мм

После определения размеров диаметров необходимо проверить условие:

где H - толщина ПП,

-коэффициент, определяемый классом точности, для 3 класса точности равен 0,33.

Если соотношение не выполняется, то диаметр увеличивают.

Условие выпоняется.

Расчет расстояния от среза платы или от не металлизированного отверстия до элемента печатного рисунка.

Расстояние от края платы, от среза платы или от не металлизированного отверстия до элемента печатного рисунка определяется классом точности и толщиной платы. Необходимость расчета этого расстояния обусловлена необходимостью задания барьеров для трассировки.

Это расстояние можно посчитать отдельно для печатного проводника и отдельно для контактной площадки. С целью унификации выполняется расчет только для контактной площадки, так как это расстояние оказывается больше, чем для проводника.

q- величина скола. Определяется по таблице,

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 определяется по таблице.

-позиционный допуск расположения центра контактной площадки определяется по таблице.

- верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки, определяется по таблице.

Таблица для определения зоны скола края платы.

Толщина платы	Класс точности
	3
До 0,5 мм включительно	0,15
0.5-0.8 мм	0,2
0,8-1,0 мм	0,25
1,0-1,5 мм	0,35
1,5-2,0 мм	0,5
2,0-2,5 мм	0,7

Таблица для определения позиционного допуска центра контактной площадки

Размер ПП по большей стороне	Класс точности
	3
До 180 мм	0,15
180-360 мм	0,20
Свыше 360 мм	0,25

Таблица для определения позиционного допуска центра отверстия

Размер ПП по большей стороне	Класс точности
	3
До 180 мм	0,08
180-360 мм	0,10
Свыше 360 мм	0,15

В нашем случае мм, мм, мм, мм.

Расчет ширины проводника.

При расчете ширины проводника учитывают:

-класс точности,

-допустимый ток нагрузки,

-допустимое падение напряжения.

Ширина проводника выбирается из условия:

Где - расчетное значение ширины,

t - минимальная ширина проводника для заданного класса точности.

t = 0.25

- ширина проводника, рассчитанная из условия допустимого тока.

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

- нижний допуск на ширину проводника.

= 0.10

Расчет ширины проводника исходя из условия 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 = 50 мкм

Imax = 300 мА

= 0,06 мм

Расчет ширины проводника исходя из условия допустимого падения напряжения.

где-удельное сопротивление слоя металла, для медной фольги равно 0,0000000172Ом\м,

-максимальная длина проводника на печатной плате, принимается равной сумме двух сторон платы: 175+110 = 285 мм,

- допустимое падение напряжения на проводнике, для цифровых схем берется 10% от питающего напряжения = 1,2 В.

Imax = 300 мА

0.025 мм

Выбираем среди найденных значений максимальное значение ширины проводника 0,25 мм.

Таким образом, ширина проводника равна

Ширину шин питания выбираем равную 1 мм.

Расчет размеров контактных площадок.

Расчет для контактных площадок со сквозными отверстиями ведется по формуле:

Где d - диаметр отверстия

b = 0,10 - гарантированный поясок. Определяется для выбранного класса по таблице.

= 0,10 - верхнее отклонение ширины проводника. Определяется по таблице.

= 0 - отклонение диаметра отверстия. Определяется по таблице.

У нас имеются следующие разновидности диаметров отверстий:

= 0,8 мм; 0,9 мм; 1,1 мм; 1,3 мм.

Для каждого диаметра отверстия найдем диаметр контактной площадки.

Расчет расстояния между элементами печатного рисунка.

Наименьшее расстояние между элементами печатного рисунка определяется по формуле:

где - верхнее предельное отклонение ширины проводника из таблицы,

- позиционный допуск расположения печатных проводников из таблицы,

-минимально допустимое расстояние между элементами печатного рисунка. Определяется по таблице.

S = 0,2+0,10+0,05/2 = 0,325

Т.к. рассчитанное значение больше аналогичного из таблицы, берем это значение как наименьшее номинальное расстояние между проводниками:

S = 0,325 мм.

6.9 Трассировка с помощью САПР

Трассировку будем осуществлять в автоматическом режиме при помощи программы P-CAD Shape Route. Перед началом трассировки следует установить области запрета трассировки (с помощью команды Place Keepout).

· Запрет трассировки под разъёмом.

· Запрет трассировки под элементами крепления платы.

Перед трассировкой необходимо задать правила, по которым она будет выполняться. Правила задаются пунктом меню Options => Design Rules.

На вкладке Design задаются нормы и параметры для всего проекта. Для ввода параметра нажимаем кнопку Add, при этом откроется вкладка Place Attribute. Выбираем категорию атрибута Net и вводим параметр Width, равный 0,4 мм.

На вкладке Layer задаются зазоры для разных слоёв. Зададим все зазоры равными 0,35 мм, кроме зазора Line to Via, его установим для обоих слоёв равным 0,3 мм. На вкладке Net Class устанавливаются нормы для группы (класса) цепей. Нажмём кнопку Edit Net Classes и создадим два класса цепей: Power и Signal. Для этого в окне Class Name введём имя Power и нажмём кнопку Add. Новое имя появится в окне Classes. Выделим этот класс цепей и запишем в него цепи +12V, +5V и GND, пометив их в окне Unassigned Nets и нажав на кнопку Add.

Аналогично создадим класс цепей Signal и запишем в него оставшиеся цепи. Нажмём кнопку Close, при этом вновь появится окно Options => Design Rules. Выберем класс цепей Power и нажмём кнопку Edit. Введём параметр Width, равный 1 мм для данного класса цепей.

Итак, мы задали следующие параметры для автоматической трассировки:

· Ширина цепей питания будет равна 1 мм.

· Ширина остальных цепей будет равна 0,4 мм.

· Зазоры между элементами печатного монтажа будут равны 0,35 мм.

· Зазор между проводником и переходным отверстием будет равен 0,3 мм.

Необходимо также выполнить настройку самого автотрассировщика. Для этого используется пункт меню Options => Auto-router. На вкладке Parameters установим единицу измерения (Units) - миллиметры. Остальные параметры оставим по умолчанию.

Кнопка Start Autoroute - запуск трассировки. После завершения трассировки переносим результат в PCB с помощью пункта меню File => Save and Return. Наносим координатную сетку с помощью команды Place Copper Pour.

7. Разработка сборочного чертежа и спецификации

Сборочный чертеж и спецификация разрабатываются с помощью программы P-CAD PCB в соответствии с методическими указаниями «Разработка сборочного чертежа для электронного модуля» к лабораторной работе №7.

Сборочный чертёж модуля

Сборочный чертёж допускается выполнять в следующих масштабах: 1:1, 2:1, 2.5:1, 4:1.

На первом листе размещается главный вид модуля и боковая проекция со всеми крепёжными деталями. Размещение компонентов на этом чертеже не указывается.

На втором и третьем 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 чертёж выполняется на одном листе.

Сборочный чертёж должен давать полное представление о конструкции модуля, поэтому, чтобы показать сложные конструктивные участки, например, элементы крепления, фиксации и т.п., необходимо в этих местах выполнять разрезы.

На чертёж наносят габаритные, установочные и присоединительные размеры, предельные отклонения, позиционные обозначения. Компоненты изображаются в упрощённом виде. Всем составным частям присваивают позиционные номера, которые указывают с помощью выносок вне поля платы. Сборочный чертёж должен содержать технические требования по монтажу и сборке.

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 состоит из следующих разделов:

· Документация.

· Сборочные единицы.

· Детали.

· Стандартные изделия.

· Прочие изделия.

· Материалы.

8. Поверочные расчеты

8.1 Расчет надежности

Заполним таблицу данных для расчета. Она имеет вид:

компонент
1	2	3	4	5	6	7	8	9

В графе 1 перечисляются все компоненты и элементы печатного монтажа, влияющие на надежность.

В графе 2 устанавливается значение коэффициента , учитывающего механические воздействия. Он определяется объектом размещения. Для портативных устройств .

В графе 3 устанавливается значение коэффициента , который зависит от максимальной температуры и влажности, при которых эксплуатируется изделие. Он определяется:

Температура	Влажность
	До 70%	1.0
Более	До 70%	1.5
До	70-100%	2.0
Свыше	70-100%	2.5

Для наших условий .

В графе 4 устанавливается значение коэффициента K3, который зависит от высоты над уровнем моря и определяется по таблице:

Высота км.	0-1	1-2	2-3	3-5	5-6	6-8	8-10	10-15	15-20	20-25
K3	1	1,05	1.1	1,14	1,16	1,2	1,25	1,3	1,35	1,38

Для наших условий .

Коэффициент нагрузки вычисляется только для компонент. Он вычисляется исходя из электрического режима работы i-го компонента индивидуально по одному или нескольким электрическим параметрам. В общем случае он равен

, где:

- рабочий параметр компонента. Находится путем расчета режима работы схемы.

- допустимый рабочий параметр компонента. Находится по справочным данным.

Коэффициент зависит от и от температуры корпуса компонента. Для учебных целей рассчитываем по формулам:

- при температуре корпуса компонента менее ;

- при температуре корпуса компонента от до ;

- при температуре корпуса компонента более .

Для элементов печатного монтажа и элементов, не выделяющих тепло, коэффициент принять равным 1. Температуру корпусов компонентов д...