Схемотехника ЭВМ. Операционное устройство

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Московский государственный технический университет имени

Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана)

Факультет "Информатика и системы управления"

Кафедра "Компьютерные системы и сети"

Курсовой проект

Схемотехника ЭВМ. Операционное устройство

Исполнитель: студ. гр. ИУ 6-72

И.А. Порядин

Руководитель: ст. преп. В.В. Радюкевич

Москва - 2011 г.

Реферат

РПЗ 32 с., 4 табл., 9 ист., 2 прил.

Ключевые слова: проект, схемотехника, операционное устройство, плата печатная, интегральная микросхема.

Объектом разработки данного курсового проекта является законченный модуль операционного устройства, предназначенный для приема, сравнения и сдвига данных и использования в качестве операционного устройства в аппаратуре различного назначения.

При проектировании ОУ были решены следующие основные задачи: анализ технического задания, разработка функциональной схемы, выбор подходящей элементной базы, разработка принципиальной схемы ОУ, оценка быстродействия устройства, определение класса точности изготовления печатной платы, размещение компонентов на ПП, а также ее трассировку.

Результатом работы являлось создание комплекта конструкторской документации законченного модуля.

Перечень сокращений и условных обозначений:

ОУ - операционное устройство.

ЛЭ - логический элемент.

ИМС - интегральная микросхема.

ПП - печатная плата.

ДПП - двухсторонняя печатная плата.

КП - контактная площадка.

МС - микросхема.

ФУ - функциональный узел.

КМОП - комплементарный металло-оксидный полупроводник.

DIP - корпус с двухрядным расположением выводов.

Содержание

Введение

1. Разработка функциональной схемы устройства

1.1 Описание принципа функционирования модуля

1.2 Синтез функциональной схемы

1.3 Описание схемы электрической функциональной

2. Разработка принципиальной схемы устройства

2.1 Выбор элементной базы

2.2 Выбор способа установки микросхем

2.3 Описание принципиальной схемы устройства

3. Расчет временных параметров схемы

4. Расчет потребляемой мощности

5. Расчет параметров печатной платы

5.1 Выбор способа установки ИМС

5.2 Выбор типа и класса точности печатной платы

5.3 Определение толщины печатной платы

5.4 Выбор материала основания печатной платы и материала ее основания

5.5 Определение длины электрических связей, числа слоев печатной платы

5.6 Расчет диаметра монтажных отверстий

6. Расчет элементов печатного монтажа

6.1 Выбор расстояния от края ПП до элементов печатного рисунка

6.2 Расчет расстояния от края паза, выреза, не металлизированного отверстия до элементов печатного рисунка

6.3 Расчет ширины печатных проводников

6.4 Расчет наименьшего расстояния между двумя проводниками

6.5 Трассировка печатного монтажа

7. Устранение помех в цепях питания

Заключение

Список использованных источников

Введение

Настоящий проект распространяется на разработку операционного устройства (ОУ) предназначенного для сравнения и сдвига данных и использования в качестве операционного устройства в аппаратуре различного назначения.

ОУ разрабатывается на основе учебного плана кафедры ИУ 6 МГТУ им. Н.Э. Баумана.

В аппаратуре различного назначения находят свое применение различные операционные устройства, так или иначе обрабатывающие входные данные и формирующие результат этой обработки. Одним из таких устройств может являться разрабатываемое операционное устройство, выполняющее сравнение двух слов и сдвиг третьего в ту или иную сторону.

Разрабатываемое устройство осуществляет прием трех 16-ти разрядных слов: информационного, сдвигаемого и порогового. В том случае, если информационное слово больше или равно пороговому слову, осуществляется операция над словом сдвига. Слова подаются на вход ОУ с определенной частотой, и операционное устройство хранит число сдвинутых слов, выполняет контроль по четности этого числа, индицирует его на индикаторе и по управляющему сигналу выдает на шину данных.

При проектировании ОУ необходимо решить следующие основные задачи: выполнить анализ технического задания, разработать функциональную схему, исходя из требований к потребляемой мощности и быстродействию, выбрать подходящую элементную базу, разработать принципиальную схему ОУ, выполнить оценку быстродействия устройства, определить класс точности изготовления печатной платы, выбрать ее геометрические размеры, выполнить размещение компонентов на ПП, а также ее трассировку.

1. Разработка функциональной схемы устройства

1.1 Описание принципа функционирования модуля

В ОУ производится параллельно-последовательная загрузка 3 16разрядных слов: информационного слова, "порогового значения" и "слова сдвига". Каждое из слов загружается в два этапа, по 8 бит каждый. ОУ рассортировывает поступившие слова по правилу "<=" и ">" порога и для первых ("<=") выполняет сдвиг на число разрядов в определенную сторону в соответствии с содержимым слова сдвига и возвращает сдвинутое слово. Число слов, подвергавшихся сдвигу, индицируется на семисегментном индикаторе, снабжается разрядом контроля на четность и возвращается на шину данных.

1.2 Синтез функциональной схемы

Исходя из условий задания, структурная схема будет состоять из следующих функциональных узлов:

1. Блок приема данных;

2. Блок сравнения слов;

3. Блок сдвига слов;

4. Блок подсчета сдвигаемых слов;

5. Блок индикации числа сдвинутых слов;

6. Блок контроля на четность;

7. Блок возврата слова данных;

Блок приема данных. Согласно техническому заданию в ОУ поступает 3 16разрядных слова порциями по 8 бит. Для приема потребуется регистр данных размером 48 бит. операционное устройство печатная расчет

Блок сравнения слов. Блок сравнения слов представляет собой последовательность компараторов, осуществляющую сравнение 16-разрядных информационного и порогового слова.

Блок сдвига слов. Блок сдвига слова осуществляет сдвиг "слова сдвига" вправо или влево, в соответствии с содержимым слова сдвига.

Блок подсчета сдвигаемых слов. Блок подсчета сдвигаемых слов представляет собой двоично-десятичный счетчик, которые увеличивает на единицу свое значение в случае, когда информационное слово меньше либо равно пороговому слову, и регистра, принимающего это значение и выдающего его на шину данных.

Блок индикации числа сдвинутых слов. Блок индикации числа сдвинутых слов состоит из нескольких семисегментных индикаторов и преобразователя двоично-десятичного кода, делающего возможным отображение числа слов на индикаторах.

Блок контроля на четность. Блок контроля на четность определяет значение контрольного разряда и возвращает его на шину данных.

Блок возврата слова данных. Блок возврата слова данных состоит из нескольких мультиплексоров, осуществляющих выбор либо сдвинутого информационного слова (когда информационное слово меньше либо равно пороговому слову), либо исходного информационного, и нескольких регистров принимающих данные с выходов мультиплексора и выдающих их на шину данных.

1.3 Описание схемы электрической функциональной

Работа схемы начинается с параллельно последовательной загрузки в регистр RG1 информационного слова, слова порога и слова сдвига.

Информационное слово сравнивается со словом порога в компараторе COMP. Выходы "=" и ">" объединяются элементом "ИЛИ", сигнал с которого подается на счетчик CTR2/10. Одновременно со сравнением информационного слова происходит запись слова сдвига в регистр сдвига RG3. Первый бит dc0 слова сдвига определяет направление сдвига. При наличии на dc0 сигнала высокого уровня будет осуществляться сдвиг влево, а низкого - сдвиг вправо. Для этого сигнал dc0 подается на вход S1 регистра сдвига RG3, а инверсный ему - на вход S0.

Значение счетчика количества сдвинутых слов подается в блок индикации числа сдвинутых слов, в блок проверки контроля на четность и выходной регистр числа сдвинутых слов RG2, являющийся частью блока подсчета слов. Блок индикации числа сдвинутых слов включает в себя преобразователи кода, которые формируют сигналы для управления семисегментными индикаторами, также входящими в состав этого блока и отображающими число сдвинутых слов. Блок проверки контроля на четность состоит из 15 элементов "сложение по модулю 2" и одного элемента "И", на вход которого подается значение контрольного разряда и синхроимпульс С 12, определяющий момент передачи значения контрольного разряда на шину данных. Выходной регистр числа сдвинутых слов RG2 служит для хранения числа сдвинутых слов и дальнейшей передачи их на шину данных.

На коммутатор слов MS поступает сдвинутое слово из регистра сдвига RG3 и информационное слово с входа ОУ. В случае, когда информационное слово меньше либо равно пороговому слову на выходе MS будет сдвинутое слово, а когда информационное слово больше слова порога - исходное слово. Данные с выхода коммутатора слов поступают в выходной регистр RG4 и оттуда возвращаются на шину данных.

2. Разработка принципиальной схемы устройства

2.1 Выбор элементной базы

Исходя из требований работы ОУ с входным сигналом частой 2 МГц, выберем в качестве основы построения устройства быстродействующие ИМС, выполненные по технологии КМОП. Выбор этой технологии позволит снизить суммарную потребляемую мощность. В качестве основной была выбрана отечественная серия КР 1554, в элементах которой сочетается высокое быстродействие (задержка на логическом элементе около 7 нс), малая потребляемая мощность (мощность на логическом элементе около 50 мкВт) и соответствие требуемым условиям эксплуатации (диапазон рабочих температур -45…+85). Данная серия обладает повышенной нагрузочной способностью, имеет допустимое напряжение питания В, в качестве постоянных логических уровней на входах можно использовать напряжения питания и нуля устройства. Недостатком можно считать высокую стоимость, однако задача снижения стоимости в рамках данной курсовой не стоит.

Окончательное заключение о правильности выбора можно будет дать только после расчета мощности, потребляемой устройством, и расчета его быстродействия.

Для реализации некоторых элементов была выбрана серия КР 1564.

2.2 Выбор способа установки микросхем

Все микросхемы в разрабатываемом модуле имеют корпуса DIP со штыревыми выводами. Такое решение имеет несколько преимуществ:

- микросхемы в корпусах со штыревыми выводами, как правило, меньше аналогичных в других типах корпусов;

- монтаж таких корпусов на плату очень прост; Микросхемы в DIP корпусах находятся на достаточном расстоянии от платы, чтобы обеспечить нормальное охлаждение;

- пайка производится со стороны, противоположной от корпуса микросхемы, что упрощает монтаж и разводку.

2.3 Описание принципиальной схемы устройства

Блок приема данных. Блок приема данных должен получать, хранить и выдавать 48 бит данных. Для его реализации выберем 6 ИМС КР 1554ИР 22, которые представляют собой восьмиразрядные регистры с параллельным вводом-выводом данных. Регистры DD1 и DD2 служат для приема информационного слова, регистры DD3 и DD4 - для приема порогового слова, регистры DD5 и DD6 - для приема слова сдвига.

Блок сравнения слов. Блок сравнения должен осуществлять сравнение двух 16-ти разрядных слов. Это можно реализовать последовательным соединением 4 элементов сравнения 4-х разрядных слов. Серия КР 1554 не содержит таких элементов, поэтому будем использовать ИМС КР 1564СП 1, которые представляют собой четырехразрядные компараторы. На вход "A=B" компаратора DD7 подаем напряжение высокого уровня, на входы "A<B" и "А>В" - напряжение низкого уровня. На входы "A=B", "A<B" и "А>B" компараторов DD8 - DD10 подаем сигналы с одноименных выходов компараторов DD7 - DD9 соответственно, наращивая, таким образом, число разрядов схемы сравнения до 16.

Выходы "<" и "=" объединяются элементом "ИЛИ" DD11.1. DD11 является ИМС КР 1554ЛЛ 1, который состоит из 4 независимых элементов, выполняющих функцию "2ИЛИ", в одном корпусе.

Блок сдвига слов. Блок сдвига слов предназначен для сдвига 16-ти разрядного слова влево или вправо. После продолжительного поиска для реализации сдвига была выбрана ИМС КР 1554ИР 24, которая представляет собой универсальный восьмиразрядный регистр с совмещенным портом ввода-вывода и синхронным сбросом. Она обладает всеми преимуществами ИМС серии КР 1554, обладает возможностью наращивания, ввод и вывод информации осуществляется параллельно, возможна работа в режимах сдвига влево, сдвига вправо, приема данных. Недостатком является сложность управления схемой.

Для реализации блока наращиваем количество разрядов до 16. Для этого соединяем выходы DO7 и DO0 регистра DD14 с входами DI0 и DI7 регистра DD15 соответственно и выходы DO0 регистра DD15 с входами DI0 и DI7 регистра DD14 соответственно. Режим работы определяется значением сигналов на входах SO и S1. Параллельная загрузка осуществляется при высоком уровне сигнала на обоих входах, сдвиг влево - при сигнале высокого уровня на входе S0 и низкого - на входе S1, сдвиг вправо - при сигнале высокого уровня на входе S1 и низкого - на входе S0. Для управления режимами работы будем использовать 2 элемента "ИЛИ" и 1 элемент "ИЛИ-НЕ", а в качестве признака, по которому будет определяться направление сдвига, выберем нулевой бит слова сдвига. Логический элемент "ИЛИ-НЕ" DD13.1 используем в качестве инвертора, подав на оба его входа сигнал dc0, соответствующий первому биту слова сдвига. Выход DD13.1 объединим элементом "ИЛИ" DD11.3 с сигналом 6c, а выходной сигнал элемента DD13.3 подадим на входы S1 регистров DD14 и DD15. Элементом "ИЛИ" DD11.2 объединим сигнал dc0 с сигналом 6c, и результат дизъюнкции подадим на вход S1 регистров DD14 и DD15. Таким образом, во время прихода синхроимпульса 6c на обоих входах установится высокий уровень напряжения. К этому моменту на входах DI/DO0…DI/DO7 регистров будут находиться сигналы dc0…dc15, которые будут записаны в регистры. Блок сдвига слов управляется синхроимпульсом 7с, к приходу которого уже закончится синхроимпульс 4с, и направление сдвига будет определяться только значением dc0: сдвиг влево при dc0 высокого уровня, сдвиг вправо при dc0 низкого уровня.

Блок подсчета сдвигаемых слов. Блок подсчета количества сдвигаемых слов подсчитывает сдвигаемые слова. В техническом задании не указано максимально возможное количество слов, предположим, что их количество не будет превышать 99. Для реализации счетчика выберем две ИМС КР 1554ИЕ 16, представляющие собой двоично-десятичные каскадируемые счетчики с возможностью запрещения счета. КР 1554ИЕ 16 обладают возможность предварительной загрузки данных, которая нам не требуется. Выбор этой ИМС обусловлен преимущественно тем, что счет осуществляется в двоично-десятичном коде. На инверсный вход параллельной загрузки счетчиков DD16 и DD17 подаем логическую единицу, т.к. режим параллельной загрузки использоваться не будет. По этой же причине на входы D00 … D03 подается сигнал низкого уровня. Выход переноса CR счетчика DD16 соединяем с входом разрешения переноса ECR счетчика DD17. На входы разрешения счета ECT обоих счетчиков подаем сигнал высокого уровня.

Счетчик увеличивает свое значение по фронту импульса на входе C обоих ИМС. На него подаем сигнал с выхода логического элемента "И" DD12.3, объединяющего сигнал с выхода DD11.1 (см. блок сдвига слов) и синхроимпульс 7c. В результате такой коммутации в момент прихода синхроимпульса 7с счетчик будет увеличивать на единицу свое значение только в том случае, если информационное слово меньше либо равно пороговому слову. DD12 является ИМС КР 1554ЛИ 1, которая состоит из 4 независимых элементов, выполняющих функцию "2И", в одном корпусе.

Выходы счетчика соединены с входом регистра DD28, который представляет собой Р 1554ИР 22 и управляется синхроимпульсом 10с.

Блок индикации числа сдвинутых слов. Поскольку максимально возможное число сдвинутых слов мы приняли равным 99, то для его индикации нам потребуется 2 семисегментных индикатора и два двоично-десятичных дешифратора для управления семисегментным индикатором. Для преобразования двоично-десятичного числа в сигнал управления индикатором выберем ИМС 1564ИД 23, поскольку серия КР 1554 таких дешифраторов не содержит. На входы A0…A3 дешифратора DD18 подадим сигналы с выходов D0…D3 счетчика DD16, а на аналогичные входы дешифратора DD19 - сигналы с аналогичных выходов счетчика DD17. На инверсные входы установки LT и сброса BL дешифраторов подадим сигнал высокого логического уровня, поскольку значения на входе будет определяться значениями на выходе счетчиков. На вход управления LE подадим сигнал низкого логического уровня, разрешив, таким образом, работу дешифратора.

Непосредственную индикацию числа сдвинутых слов будут выполнять два семисегментных индикатора. Остановим свой выбор на отечественных индикаторах АЛС 321А с общим катодом. Они обладают приятным желто-зеленым цветом свечения, напряжение питания составляет 5В. Недостатком всех светоизлучающих индикаторов является относительно высокая потребляемая мощность. Для АЛС 321А ее значение составляет 720мВт. На входы a…f индикаторов подаем сигнал с одноименных выходов дешифраторов DD18 и DD19. Для того чтобы избежать перегрева и выхода из строя индикаторов, необходимо использовать резисторы. Чтобы рассчитать их сопротивление, определим падение напряжения на них. Максимальное напряжение высокого уровня на выходе ИМС КР 1564ИД 23 при заданном напряжении питания равно 4,9 В. Максимальное прямое напряжение семисегментного индикатора АЛС 321А равно 3,6 В. Тогда падение напряжения на резисторе определяется по формуле:

.

Так как к цифровому выходу ИМС подключается только вход индикатора, то зададимся максимально возможным током ИМС 20мА.

.

При выборе резистора из таблицы номинальных значений можно взять резистор 68 Ом, т.е. больше чем рассчитали, чтобы не превысить максимально допустимый ток индикатора. Всего потребуется 14 таких резисторов. 4 и 12 выходы индикаторов соединяем с землей. Также поступает и со всеми неиспользуемыми выходами.

Блок контроля на четность. Блок контроля на четность служит для определения значения разряда контроля на четность числа сдвинутых слов, которое имеет 8 разрядов. Количество каскадов определяется как . В первом каскаде 4 логических элемента "Исключающие ИЛИ", во втором - 2, в третьем - 1. Всего 7 элементов. Для реализации контроля на четность выберем 2 ИМС КР 1554ЛП 5. На принципиальной схеме они обозначены как DD20 и DD21. Эти ИМС состоят из четырех двухвходовых логических элементов "Исключающие ИЛИ" в одном корпусе. Поскольку для реализации контроля на четность нам потребуется только 7 таких ЛЭ, один останется неиспользуемым. На все четыре ЛЭ ИМС DD20 подаем сигналы с выходов счетчика, на первые два ЛЭ ИМС DD21 подаем сигналы с выходов ИМС DD20, на третий ЛЭ ИМС DD21 подаем сигнал с выходов первого и второго ЛЭ этой же ИМС. На выходе третьего ЛЭ ИМС DD21 получим сигнал Er, который объединяем с синхросигналом 11с элементом "И" DD12.2 и результат этой конъюнкции возвращаем на шину данных.

Блок возврата слова данных. Блок возврата слова включает в себя коммутатор слов и выходной регистр. Коммутатор слов выдает в выходной регистр либо входное информационное слово, либо сдвинутое слово, в зависимости от результата сравнения блоком сравнения слов. Оба слова шестнадцатиразрядные и для выбора одного из них нам потребуется несколько селекторов-мультиплексоров. Остановим свой выбор на ИМС КР 1554, которая состоит из четырех двухвходовых селекторов-мультиплексоров, каждый из которых имеет по два входа данных. Для их выбора служит вход выбора данных SED. Если на него подано напряжение низкого уровня, то выбираются входы D0 одновременно всех четырех мультиплексоров, а если напряжение высокого уровня, то входы D1. Данные проходят на вход, если на вход EZ подано напряжение низкого уровня. Для реализации выбора одного из 16-ти разрядных слов потребуется 4 таких ИМС. На входы D0 первой из них, DD22, подаем сигналы di0…di3, на входы D1 - сигналы 1dc0…1dc3. На входы D0 ИМС DD23 подаем сигналы di4…di7, на входы D1 - сигналы 1dc4…1dc7, на входы D0 ИМС DD24 подаем сигналы di8…di11, на входы D1 - сигналы 1dc8…1dc11. На входы DO ИМС DD25 подаем сигналы di12…di15, на входы D1 - сигналы 1dc12…1dc15. На входы SED всех четырех ИМС подаем сигнал sed1 с выхода ЛЭ DD11.1, а на EZ - сигнал OE1 с выхода ЛЭ DD12.1.

Выходной регистр должен принять 16-ти разрядное слово и передать его на шину данных. Для его реализации выберем 2 ИМС 1554ИР 22, которые представляют собой восьмиразрядные регистры с параллельным вводом-выводом данных. На принципиальной схеме они обозначены DD26 и DD27. Управляются синхросигналами 8c и 9c, соответственно.

3. Расчет временных параметров схемы

Быстродействие устройства определим как наименьшее время, требуемое для выполнения операции, учитывая максимальные задержки на элементах.

Таблица 1 - Задержки распространения сигнала в используемых ИМС

Микросхема	Номер на принципиальной схеме	Задержка, нс
1	2	3
КР 1554ИР 22	DD1…DD6, DD26…D28	10,5
КР 1564СП 1	DD7…DD10	59
КР 1554ЛЛ 1	DD11	8,5
КР 1554ЛИ 1	DD12	8,5
КР 1554ЛЕ 1	DD13	7
КР 1554ИР 24	DD14, DD15	13
КР 1554ИЕ 16	DD16, DD17	13
КР 1564ИД 23	DD18, DD19	165
КР 1554ЛП 5	DD20, DD21	13,5
КР 1554КП 11	DD22…DD25	11

Для определения максимальной задержки сигнала определим самую длинную линию, по которой проходит сигнал. Эта линия проходит через следующие элементы: DD1 -> DD2 -> DD3 -> DD4 -> DD5 -> DD6 -> DD7 -> DD8 -> DD9 -> DD10 -> DD11 -> -> DD12 -> DD16 -> DD20 -> DD21 -> DD21 -> DD12.

Задержки DD1…DD6 одинаковые. С учетом этого, задержку распространения сигнала можно определить как:

нс.

4. Расчет потребляемой мощности

Согласно техническим требованиям устройство должно потреблять мощность не больше 5 Вт. Суммарная максимальная мощность, потребляемая устройством , может быть вычислена по следующей формуле:

,

где - суммарная мощность, потребляемая интегральными микросхемами в статическом режиме работы, - суммарная мощность, потребляемая интегральными микросхемами в динамическом режиме работы, - суммарная мощность, рассеиваемая резисторами и индикаторами.

Мощность, потребляемая микросхемой в статическом режиме, рассчитывается по формуле:

,

где Ucc - напряжение питания ИМС, Icc - ток потребления ИМС.

Суммарная мощность, потребляемая интегральными микросхемами в статическом режиме работы, для данного ОУ рассчитывается по формуле:

.

Таблица 2 - Параметры для расчета мощности используемых ИМС

Микросхема	Ucc, В	Icc, мкА	Сpd, пФ	Cin, пФ
КР 1554ИР 22	+5	8	80	4,5
КР 1564СП 1	+5	7	50	10
КР 1554ЛЛ 1	+5	4	30	4,5
КР 1554ЛИ 1	+5	4	30	4,5
КР 1554ЛЕ 1	+5	4	30	4,5
КР 1554ИР 24	+5	8	50	4,5
КР 1554ИЕ 16	+5	8	45	4,5
КР 1564ИД 23	+5	4	50	10
КР 1554ЛП 5	+5	8	30	4,5
КР 1554КП 11	+5	8	50	4,5

.

Мощность, потребляемая ИМС в динамическом режиме работы, рассчитывается по формуле:

.

где - внутренняя емкость схемы, В - напряжение питания, - частота на переключающем входе схемы, - количество переключающихся выходов, - емкость нагрузки на выходе, - частота на переключающемся выходе.

Рассчитаем мощность, потребляемую каждой микросхемой в динамическом режиме:

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Суммарная мощность, потребляемая интегральными микросхемами в динамическом режиме работы для данного ОУ рассчитывается по формуле:

.

.

Суммарная мощность, рассеиваемая резисторами и индикаторами, для данного ОУ рассчитывает по формуле:

,

где N1 - число резисторов, - падение напряжения на резисторе, R - сопротивление резистора, N2 - число индикаторов, - мощность, рассеиваемая индикатором. Для АЛС 321А. .

.

Суммарная максимальная мощность, потребляемая устройством равна:

.

Произведенные расчеты показывают, что максимальная потребляемая схемой мощность не превышает значений, заданных в ТЗ.

5. Расчет параметров печатной платы

5.1 Выбор способа установки ИМС

Все ИМС, используемые в ОУ, выпускаются как в корпусах DIP со штыревыми выводами, устанавливаемыми в отверстия, так и в корпусах с планарными выводами. Конденсаторы и разъем СНП 58-64 предусматривают установку только в отверстия. На основании этого выберем способ установки ИМС 1А (установка в отверстия с одной стороны платы).

Данное решение хорошо тем, что монтаж микросхем со штыревыми выводами на плату прост, пайка проводится со стороны, противоположной от корпуса МС, что упрощает монтаж и разводку. Кроме того, МС в DIP корпусах находятся на достаточном расстоянии от платы, что обеспечивает нормальный тепловой режим охлаждение.

5.2 Выбор типа и класса точности печатной платы

Довольно высокая конструкторская сложность разрабатываемого модуля (более 20 ИМС, большое число линий связи) требует применения ДПП, так как стоимость значительно ниже, чем у МПП.

Основными критериями выбора класса точности печатной платы являются:

1. Конструкторская сложность ФУ;

2. Элементная база;

3. Тип, число и шаг выводов ЭРИ;

4. Быстродействие;

5. Надежность;

6. Массогабаритные характеристики;

7. Условия эксплуатации и т.д.

Учитывая высокую насыщенность печатной платы и большое число линий связи на ней, использование 1 и 2 классов точности невозможно. В тоже время 4 и выше класс точности существенно повышает стоимость производства и требует наличия специального прецизионного оборудования. Проанализировав основные параметры 3, 4 и 5 классов точности, приходим к выводу, что точность 3 класса является достаточной.

Область применения 3го класса точности.

Для ПП с МСБ и ЭРИ, имеющих штыревые и планарные выводы, а также с безвыводными ЭРИ при средней и высокой насыщенности поверхности ПП ЭРИ.

Оборудование. Фотокоординатограф, фотоплоттер, сверлильно-фрезерный станок с ПУ, линии химико-гальванической металлизации и травления модульного тип.

Основные материалы. На основе стеклоткани с гальваностойкой фольгой толщиной не более 35 мкм.

Вспомогательные материалы. Сухой пленочный фоторезист (СПФ).

Тип производства. От мелкосерийного до крупносерийного.

Номинальные значения основных параметров:

- ширина проводника, мм.................................................... не менее 0,25;

- расстояние между проводниками, мм.............................. не менее 0,25;

- минимальная ширина контактной площадки, мм............................ 0,1;

- отношение диаметра отверстия к толщине платы...........................0,33;

- предельное отклонение ширины проводника, мм............................ 0,1;

- позиционный допуск расположения проводников, мм...................0,05.

Таблица 3 - Условные обозначения и значение некоторых параметров для 3-его класса точности ПП

Условные обозначения элементов печатного монтажа	3-ий класс точности ПП
t, мм	0.25
s, мм	0.25
b, мм	0.1
г=d/H	0.33
t, мм (без покрытия)	0.05
t, мм (с покрытием)	±0,1
, мм	0.05

t - ширина проводника; s - расстояние между проводниками; b - минимально допустимая ширина контактной площадки; d - диаметр отверстия; h - толщина ПП; t - предельное отклонение ширины печатного проводника; - позиционный допуск расположения печатных проводников.

5.3 Определение толщины печатной платы

Толщину ПП выбирают в зависимости от конструктивных, технологических особенностей.

- она должна соответствовать диаметрам применяемых металлизированных отверстий (для качественной металлизации отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы должно быть не более 0.33);

- длина штыревых выводов (минимальная длина участка вывода, выступающего из отверстия должна быть не менее 0.5мм для обеспечения нормальных условий пайки и получения качественного паяного соединения);

- необходимо учитывать установочный размер соединителя.

Приблизительно толщину печатной платы можно принять равной 1 мм.

5.4 Выбор материала основания печатной платы и материала ее основания

При выборе основания ПП воспользуемся таблицей 4.

Таблица 4 - Материалы и методы изготовления ДПП

В таблице цифрами обозначены слои: 1 - медная фольга, 2 - гальваническая медь, 3 - металлорезист, 4 - толстослойная химическая медь, 5 - химическая медь.

Выберем комбинированный позитивный метод изготовления ПП, так он является одним из наиболее распространенных способов, обеспечивает требуемый класс точности.

При выборе материалов основания ПП необходимо обратить внимание на: предполагаемые механические воздействия (вибрации, удары, линейное ускорение и т.п.); класс точности ПП (расстояние между проводниками); реализуемые электрические функции; объект, на который устанавливается ЭА; быстродействие; условия эксплуатации; стоимость.

Материал будем выбирать из стеклотекстолитов, т.к. по сравнению с гетинаксами они имеют лучшие механические и электрические характеристики, более высокую нагревостойкость, меньшее водопоглощение, однако, они характеризуются также более плохой обрабатываемостью и более высокой стоимостью. Однако, несмотря на последние два недостатка, данный вид материала более приемлем для основания нашей ПП.

Исходя из изложенных выше соображений, выберем в качестве материала основания ПП стеклотекстолит фольгированный двусторонний с гальванической фольгой СФ-2-35Г. Этот материал представляет собой спрессованные слои стеклоткани, пропитанные эпоксифенольной или эпоксидной смолой и покрытые гальванической фольгой.

Основные характеристики материала СФ-2-35Г:

Поверхностное сопротивление: 1*10¹² Ом.

Удельное объемное сопротивление: 2*10¹² Ом*м.

Диэлектрическая постоянная при 1 МГц: 4,6-5,4.

Тангенс угла диэлектрических потерь при 1 МГц: 0,03…0,035.

Сопротивление изоляции, МОм: 10⁶.

Стойкость к воздействию для пайки, ?С/с: 260/30.

Водопоглощение, % мг, менее: 0,20-0,25, 15.

Предел рабочих температур, ?С: -60 … + 105.

Горючесть в соответствии с UL94: V-0.

Прочность сцепления фольги с диэлектриком на полоске 3 мм, Н: 4,5

5.5 Определение длины электрических связей, числа слоев печатной платы

Суммарная длина электрических связей:

,

где=0,06 - коэффициент пропорциональности, учитывающий влияние ширины и шага проводников, эффективности трассировки, формы корпуса ИМС и монтажного поля; - габаритные размеры МПП; - число выводов ИМС; - количество ЭРИ, устанавливаемых на ПП.

L_св = 0,06*(0,12+0,14)*466=7,27 м.

Количество слоев ПП можно определить по формуле:

,

где =2,5 мм - шаг координатной сетки; =0,95 - коэффициент эффективности трассировки:

.

1 < 1,14 < 2, То есть, для реализации данной ПП можно использовать двухстороннюю печатную плату. ДПП применяются в измерительной, вычислительной технике, технике управления и автоматического регулирования, технике связи, высокоточной технике (ГОСТ 23751-86).

5.6 Расчет диаметра монтажных отверстий

Номинальный диаметр монтажных металлизированных и не металлизированных отверстий устанавливают, используя следующее соотношение:

,

где d_HO - нижнее предельное отклонение диаметра отверстия; d_Э - максимальное значение диаметра вывода ИМС, установленных на печатной плате; r - разность между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода установленного ИМС.

При автоматической сборке r =0.4мм; для корпусов DIP d_Э = 0,56 мм; для диаметра отверстия до 1мм включительно с металлизацией и оплавлением d_HO = 0,05…0,15 мм.

мм.

Округляем значение в сторону увеличения и приводим к предпочтительному ряду:

мм.

Минимальным диаметром металлизированного монтажного отверстия d₀ на печатной плате выбирается с учетом соотношения:

,

где Н_П = 1 мм - толщина печатной платы; г =0,33 - отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине печатной платы.

мм.

6. Расчет элементов печатного монтажа

6.1 Выбор расстояния от края ПП до элементов печатного рисунка

Расстояние Q1 должно быть не менее толщины ПП с учётом допусков на размеры сторон, кроме экранов, шин земли, концевых печатных контактов, знаков маркировки.

Рассчитанная ранее толщина ДПП равна 1 мм, поэтому выбираем Q1 = 1 мм.

6.2 Расчет расстояния от края паза, выреза, не металлизированного отверстия до элементов печатного рисунка

Это расстояние определяют по формуле:

.

где q - ширина ореола; k - наименьшее расстояние от ореола до соседнего элемента проводящего рисунка; - позиционный допуск расположения центров КП; - позиционный допуск расположения осей отверстий; - верхнее предельное отклонение размеров элементов конструкции.

Для 3 класса точности с учетом толщины материала основания q = 0,8 мм; для 3 класса точности k = 0,15мм; для ДПП 3 класса точности с размером ПП по большей стороне до 180 мм =0,15 и =0,08; для 3 класса точности =0,1мм.

.

6.3 Расчет ширины печатных проводников

Ширину печатных проводников определяют в зависимости от электрических, конструктивных и технологических требований. Наименьшее номинальное значение ширины , мм, печатного проводника рассчитывают следующим образом:

,

где - минимально допустимая ширина проводника, рассчитываемая в зависимости от допустимой токовой нагрузки; - нижнее предельное отклонение ширины печатного проводника (определяется по таблице).

Так как конструкция проводника состоит из нескольких слоёв меди и дополнительного покрытия, то минимально допустимую ширину проводника с учётом допустимого падения напряжения определим по формуле:

,

где Imax - максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках; определяют из анализа электрической принципиальной схемы; Uдоп - допустимое рабочее напряжение; l - максимально допустимая длина проводника (для низких и средних частот - 30 мм); - толщина и удельное объёмное сопротивление i-го слоя печатного проводника; k - число слоёв.

Число слоев k = 4:

1) Медная фольга: , h = 35 мкм.

2) Гальваническая медь: , h = 25 мкм.

3) Химическая медь: , h = 2 мкм.

4) Олово-свинец: , h = 15 мкм.

Допустимое падение напряжения Uдоп = 5 В, максимально допустимый ток Imax = 24 мА = 0,024 А. (максимальный выходной ток серии КР 1554).

Вычислим tmin D:

.

= 0.1 мм для 3го класса точности с покрытием.

Рассчитаем наименьшее номинальное значение ширины проводников:

t = 0,1 + 0,0033 = 0,104 мм.

Наименьшая номинальная ширина проводника для 3его класса точности t = 0.25 мм. Значит, выбираем t = 0,25 мм.

6.4 Расчет наименьшего расстояния между двумя проводниками

Наименьшее номинальное расстояние между элементами проводящего рисунка (между двумя проводниками):

,

где - позиционный допуск расположения печатных проводников, который учитывается только при n>0; n - количество проводников в узком месте; - верхнее предельное отклонение ширины проводника; - минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка;

Для 3 класса точности = 0,05 мм, n = 2, = 0.1; = 0,25 мм. Рассчитаем наименьшее расстояние между двумя проводниками:

S = 0,25 + 0,1 + 0,05/2 = 0,375 мм.

6.5 Трассировка печатного монтажа

При проектировании в САПР Proteus 7 Professional была создана библиотека компонентов, включающая в себя используемые микросхемы, конденсаторы и разъем, и все необходимые параметры. Далее они были вручную размещены на плате заданного размера. Затем на плате были размещены фиксированные элементы: разъем и развязывающие конденсаторы.

Трассировка печатного монтажа проводилась в ручном режиме для наиболее критических цепей: земли и питания, а для остальных цепей - в автоматическом режиме. Трассировка рисунка печатного монтажа производилась в системе автоматизированного проектирования Proteus 7 Professional программой ARES Professional. При трассировке были указаны требуемые параметры.

7. Устранение помех в цепях питания

Ко всем элементам, расположенным на ПП, подведены шины питания и земли, следовательно, могут возникнуть высокочастотные и низкочастотные помехи.

Для устранения высокочастотных помех необходимо использовать конденсаторы развязки. Емкость и количество конденсаторов развязки были выбраны по рекомендациям для серии КР 1554, а также с учётом общих рекомендаций для КМОП микросхем. Для каждой группы из 3-4 микросхем устанавливаем сглаживающий конденсатор емкостью 0,1 мкФ. ОУ содержит 28 микросхем, следовательно, необходимо использовать 7 блокирующих конденсаторов. Конденсаторы подключают между шинами питания и земли и распределяют по плате так, чтобы они были ближе к обслуживаемым корпусам.

Для устранения низкочастотных помех, то есть помех, приходящих на схему от внешних устройств, применяют один низкочастотный конденсатор, устанавливаемый непосредственно у разъема, на который подается питание. Рассчитаем минимальную ёмкость низкочастотного конденсатора. Для этого необходимо определить индуктивность и сопротивление шины питания. Общая длина проводников шины питания составляет 1660 мм. Сопротивление шины определяется как общее сопротивление ее слоев. Сопротивление каждого слоя рассчитывается по формуле:

,

где где - удельное сопротивление слоя, t - толщина слоя, w - ширина слоя.

Найдем сопротивление R1 слоя медной фольги (, t = 35 мкм):

.

Найдем сопротивление R2 слоя гальванической меди (, t = 25 мкм):

.

Найдем сопротивление R3 слоя химической меди (, t = 2 мкм):

.

Найдем сопротивление R4 слоя олово-свинец (, t = 15 мкм):

.

.

.

Индуктивность шины определяем по формуле:

,

где t - суммарная толщина всех слоев. Определим ее численное значение:

.

Зная индуктивность и сопротивление шины, определим минимальную ёмкость конденсатора групповой развязки:

.

Таким образом, непосредственно около разъема необходимо установить электролитический конденсатор емкостью 4,7 мкФ.

Заключение

В результате выполнения курсового проекта был спроектирован модуль оперативного устройства, выполняющий прием, сравнение и сдвиг данных. Параметры созданного устройства удовлетворяют требованиям технического задания.

Разработанное ОУ имеет простую конструкцию без использования каких-либо специальных компонентов, для его реализации используются только доступные компоненты отечественного производства.

Одним из требований технического задания является использование разъема СНП 58-64 для связи с другими устройствами, однако часть контактов этого разъема осталось не задействованной. Это дает возможность модернизации устройства, например, путем увеличения разрядов счетчика или вывода промежуточной информации. Другим направлением модернизации может стать добавления контроля на четность входных или выходных слов.

Разработанное устройство не требует применения смешанного монтажа. Этот факт, а также использование двусторонней печатной платы значительно снижает его стоимость и упрощает его производство.

Список использованных источников

1. Жирков В.Ф. Схемотехника ЭВМ. Методические указания к курсовому проектированию. М.: МГТУ, 1987. - 32 с.

2. Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат: Учебник. - М.: ФОРУМ: ИНФРА - М, 2005. - 560 с.

3. Петровский И.И., Прибыльский А.В., Троян А.А. Логические ИС: КР 1533. КР 1554. Ч.2: Справочник. М.: БИНОМ, 1993. - 253 с.

4. Вуколов Н.И., Михайлов А.Н. Знакосинтезирующие индикаторы: Справочник/ Под ред. В.П. Балашова. - М.: Радио и связь, 1987. - 576 с.

5. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник - М.: Радио и связь, 1987. - 352 с.

6. ГОСТ 2.743-82. Обозначения условные в графических схемах. Элементы цифровой техники.

7. ГОСТ 19480-89. Микросхемы интегральные. Термины, определенья и буквенные обозначения электрических параметров.

8. ГОСТ 17467-88. МС интегральные. Основные размеры.

9. ГОСТ 17021-88. МС интегральные. Термины и определения.

Размещено на Allbest.ru

...