Узел преобразования адресов для работы в полевых транспортных условиях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Более чем тридцатилетняя история становления и развития электронной вычислительной техники (ЭВТ) включает в себя создание, развитие и постепенное вытеснение нескольких поколения ЭВМ. При этом каждое поколение, создание которого предопределяло появление нового типа элементной базы, существенным образом изменяло правила и положения теории и практики конструирования.

Являясь составной частью процесса разработки ЭВМ, конструирование представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных работ, при выполнении которых необходимы учет разносторонних требований к конструкции машины, знание сопротивления материалов, теории надежности и других теоретических и прикладных дисциплин.

Рост степени интеграции микросхем, связанный с успехами микроэлектроники, увеличивает число типов узлов, оформленных в виде конструктивно законченных элементов, и снижает тиражность в пределах одной ЭВМ. Последнее достижение микроэлектроники - микропроцессоры - расширило области применения ЭВМ, явилось основой для создания нового, самого массового средства вычислительной техники - микро-ЭВМ. Для этих ЭВМ отдельные элементы схемотехнически различны и, как правило, не повторяются. Диапазон применений микро-ЭВМ весьма широк: они используются для управления объектами как бытового, так и космического назначения, вследствие чего вопросы конструирования этого класса машин, базирующихся на использовании больших интегральных схем (БИС), становятся все более и более сложными, разнообразными.

Рост интеграции микросхем ставит перед разработчиками электронно-вычислительной аппаратуры (ЭВА) ряд задач, решение которых зависит прежде всего от полноты учета всех факторов, влияющих на процесс обработки и хранения информации. Эти факторы имеют различную физическую природу, поэтому конструктор ЭВМ должен быть разносторонне развит, т.к. при разработке конструкции ЭВМ требуется решение задач противодействия климатическим, механическим и радиационным воздействующим факторам, обеспечения теплового режима работы отдельных элементов и устройств в целом, обеспечения помехоустойчивости и нормальных электрических режимов работы, обеспечения механической прочности, обеспечения надежной и безопасной работы ЭВМ, обеспечения нормальной работы оператора.

Развитие информационных технологий и широкое их применение для проектирования различных изделий дает возможность разработчику ЭВА использовать принципиально новые инструменты и подходы, что в конченом итоге отражается на сокращении сроков разработки, улучшении технических и снижении экономических показателей создаваемой ЭВА.

В данном курсовом проекте разрабатывает узел преобразования адресов для работы в полевых транспортных условиях.

1. Конструкторский анализ исходных данных

Узел преобразования адресов, схема электрическая принципиальная которого представлена на рисунке 1, предназначен для преобразования виртуальных адресов в физические.

Условия эксплуатации ЭВА имеют различную физико-химическую природу и изменяются в весьма широких пределах. Факторы, воздействующие на работоспособность ЭВМ, разделяют на климатические, механические и радиационные. На элементы в зависимости от условий их эксплуатации каждый фактор воздействует по-разному.

Данный узел преобразования адресов используется в полевых транспортных условиях эксплуатации. Исходные данные для проектирования:

- рабочая частота - 50 МГц;

- напряжение питания - 5В±5%;

- диапазон рабочих температур - -25ч50 C;

- частота вибраций - 1ч200 Гц;

- многократные удары - 15 g;

- относительная влажность - 93%;

- класс точности - 4.

Специфика работы транспортируемых ЭВМ предопределяет повышенное воздействие механических факторов, в основном вибрации и ударов.

Вибрации представляют собой периодические (как правило, сложные) колебания, которые возникают в ЭВМ при контакте с источником колебаний в процессе транспортирования и эксплуатации машины. Особо опасны вибрации, частота которых близка к собственным частотам узлов и элементов конструкции. Способность машины противодействовать их влиянию характеризуется вибропрочностью и виброустойчивостью.

Виброустойчивость определяет способность ЭВМ устойчиво работать в условиях воздействия вибрации. Вибропрочность характеризует качество конструкции машины, т.е. способность противостоять разрушающему воздействию вибрации в нерабочем состоянии и продолжать нормально работать при включении после снятия вибрационных нагрузок.

Для предупреждения повреждений ЭВМ необходимо, чтобы вся машина и отдельные ее части имели собственные резонансные частоты, лежащие вне диапазона частот вибрации транспортного средства, на котором машина эксплуатируется или перевозится. На ЭВМ, устанавливаемую на автомобилях и автоприцепах, могут воздействовать вибрация до 200 Гц и удары, вызванные неровной дорогой.

На транспортируемые ЭВМ значительное влияние оказывают механические удары, вызванные неровной дорогой, отдачей орудия при выстреле, попаданием снаряда в корпус, сопровождающиеся возникновением вибраций.

Помимо основных факторов, воздействующих на работу ЭВМ, влияние оказывают влажность, пыль и песок, грибковые образования (плесень).

Исходя из этого, ЭВМ, используемые в полевых транспортных условиях, должны соответствовать следующим требованиям:

- стойкость к вибрациям;

- стойкость к ударным нагрузкам;

- плеснестойкость;

- защита от песка и пыли;

- коррозийная стойкость.

Исходя из условий эксплуатации и анализируя воздействующие факторы, выбираем серию 555, она удовлетворяет всем требованиям к полевым транспортным условиям эксплуатации.

2. Проектирование печатных плат на ИМС

печатный плата интегральный микросхема

Основную трудоёмкость работы в курсовом проекте составляет разработка печатной платы.

Разработка конструкции печатной платы имеет следующие основные этапы:

- выбор типов корпусов ИМС;

- выбор и обоснование типа печатной платы;

- выбор габаритных размеров и конфигураций печатной платы;

- выбор материла основания печатной платы;

- выбор шага установки ИМС;

- размещение навесных элементов на печатной плате;

- трассировка проводников;

- размещение элементов проводящего рисунка на печатной плате.

2.1 Выбор типа корпуса ИМС

Корпуса ИМС выполняют ряд функций, основные из которых следующее: защита от климатических и механических воздействий; экранирование от помех; упрощение процессов сборки микросхем; унификация исходного конструктивного элемента по габаритным и установочным размерам.

По конструктивно-технологическому признаку различают корпуса:

- металлостеклянные;

- металлополимерные;

- металлокерамические;

- керамические;

- пластмассовые.

Каждый вид корпуса характеризуется габаритными и присоединительными размерами, числом выводов и расположением их относительно плоскости основания корпуса (планарные выводы) или быть перпендикулярными ему (штыревые выводы). Планарные выводы по сечению, как правило, прямоугольные, штыревые - круглые или прямоугольные.

Каждому выводу корпусов любого типа присваивается номер его позиции. На крышке корпуса в определенной области выполняется ключ микросхемы, указывающий начало отсчета выводов.

Основным недостатком корпусных микросхем, и как следствие построенных на них устройств, является сравнительно большой объем вспомогательных конструктивных элементов: корпусов, выводов, элементов герметизации, теплоотвода, не несущих функциональной нагрузки. Использование корпусных микросхем приводит к непроизводительно большим затратам полезного объема и массы устройства, уменьшает на один, два порядка плотность компоновки элементов по сравнению с плотностью их размещения в кристалле или на подложке.

В соответствии с выбранной серией К555 и заданными полевыми транспортными условиями эксплуатации, возможно использование прямоугольных пластмассовых корпусов типов 238.16-2, 201.14-1 и прямоугольного керамического - 201.14-8. Габаритный чертеж корпусов представлен на рисунке 2.



Рисунок 2 - Корпуса интегральных микросхем

2.2 Выбор типа печатной платы

Печатные платы - основа печатного монтажа любой ЭА, при котором микросхемы, полупроводниковые приборы, ЭРЭ и элементы коммутации устанавливаются на изоляционное основание с системой токопроводящих полосок металла (проводников), которыми они электрически соединяются между собой в соответствии с электрической принципиальной схемой.

В ЭА печатные платы применяются практически на всех уровнях конструктивной иерархии: на нулевом - в качестве основания гибридных схем и микросборок, на первом и последующих - в качестве основания, механически и электрически объединяющего все элементы, входящие в схему электрическую принципиальную ЭФ и ее узлов.

Государственным стандартом предусмотрены следующие типы печатных плат:

- односторонняя печатная плата (ОПП);

- двусторонняя печатная плата (ДПП);

- многослойная печатная плата (МПП);

- гибкая печатная плата (ГПП);

- гибкий печатный кабель (ГПК).

Односторонняя печатная плата представляет собой основание, на одной стороне которого выполнен проводящий рисунок, а на другой стороне размещаются электрорадиоэлементы и интегральные микросхемы. Для соединения выводов навесных элементов с печатными проводниками служат монтажные отверстия. Металлизированные контактные отверстия обеспечивают более надежное соединение. Однако ОПП с неметаллизированными отверстиями более просты в изготовлении.

Двусторонняя печатная плата имеет одно основание, на обеих сторонах которого выполнены проводящие рисунки и все требуемые соединения. Переход токопроводящих линий с одной стороны платы на другую осуществляется металлизированными монтажными отверстиями. С помощью такой можно выполнять более сложные схемы, чем с помощью ОПП. В сравнении с многослойной ПП двусторонняя является более экономичной.

Многослойная печатная плата состоит из чередующихся слоев изоляционного материала с проводящими рисунками на двух и более слоях, между которыми выполнены требуемые соединения.

Гибкая печатная плата имеет гибкое основание. По расположению проводников она аналогична обычной двусторонней печатной плате.

Гибкий печатный кабель состоит из тонких полосок проводящего материала, расположенных параллельно и заклеенных между двумя пленками изоляционного материала.

2.3 Выбор габаритных размеров и конфигурации печатной платы

Габаритные размеры печатных плат должны соответствовать ГОСТ 10317-79 при максимальном соотношении 5:1. Рекомендуется разрабатывать печатные платы простой прямоугольной формы. Конфигурацию, отличную от прямоугольной формы, следует применять только в технически обоснованных случаях.

Для 4 класса точности максимальный размер двусторонней печатной платы и рабочего поля групповой заготовки не должен превышать 180180 мм. Необходимо отметить, что при увеличении размера плат снижается их жесткость и виброустойчивость.

Толщина печатной платы определяется толщиной исходного материала и выбирается в зависимости от используемой элементной базы и действующих механических нагрузок. Предпочтительными значениями номинальных толщин печатной платы являются 0,8; 1,0; 1,5; 2,0 мм. Для полевых транспортных условий эксплуатации достаточной толщиной будет 1 мм.

Габаритные размеры печатной платы узла преобразования адресов представлены на рисунке 3.

2.4 Выбор материала основания печатной платы

При проектировании и изготовлении ПП большое значение имеет правильный и тщательный выбор используемого материала.

Основания ПП изготавливают из изоляционного материала, который должен хорошо сцепляться с металлом проводников, иметь диэлектрическую проницаемость не более 7 и малый тангенс угла диэлектрических потерь, обладать достаточно высокой механической и электрической прочностью, допускать возможность обработки резанием и штамповкой, сохранять свои свойства при воздействии климатических факторов, а также в процессе создания рисунка схемы и пайки. Таким требованиям удовлетворяет гетинакс, стеклотекстолит и некоторые другие фольгированные и нефольгированные материалы. При выборе материала основания ПП неоходимо обратить внимание на следующее: предполагаемые механические воздействия (вибрации, удары, линейное ускорение и т.п.); класс точности ПП; реализуемые электрические функции; быстродействие; условия эксплуатации; стоимость.

В зависимости от основы и пропиточного материала различают несколько типов материалов для диэлектрической основы ПП:

- фенольный гетинакс, представляющий бумажную основу, которая пропитана фенольной смолой;

- эпоксидный гетинакс, представляющий материал на такой же бумажной основе, как и фенольный гетинакс, но пропитанный эпоксидной смолой;

- эпоксидный стеклотекстолит, представляющий материал на основе стеклоткани, который пропитан эпоксидной смолой (в материала сочетаются высокая механическая прочность и хорошие электрические свойства);

Как правило, слоистые пластики на фенольном, а также эпоксидном гетинаксе не используются в платах с металлизированными отверстиями. В таких платах на стенки отверстий наносится тонкий слой меди.

В связи с тем, что температурный коэффициент расширения меди в 6-12 раз меньше, чем у фенольного гетинакса имеется определенный риск образования трещин в металлизированном слое при термоударе, которому подвергается ПП в машине для групповой пайки.

Трещина в металлизированном слое на стенках отверстий резко снижает надежность соединения. В случае применения эпоксидного стеклотекстолита отношение температурных коэффициентов расширения примерно равно 3, тем самым снижается риск образования трещин в отверстиях.

ПП из эпоксидного стеклотекстолита характеризуются меньшей деформацией, чем ПП из фенольного и эпоксидного гетинакса. Последние имеют степень деформации в 10 раз больше, чем стеклотекстолит.

Из сопоставления характеристик оснований следует, что основания из эпоксидного стеклотекстолита превосходят основания из гетинакса, уступая гетинаксу только в стоимости.

Следовательно, для изготовления ПП в качестве материала основания выбирается эпоксидный стеклотекстолит.

Т.к. в качестве метода изготовления ПП выбран аддитивный, то необходимо использовать нефольгированный диэлектрик. Он имеет на поверхности специально нанесенный адгезивный слой толщиной 50-100 мкм (например, эпоксикаучуковой композиции), который служит для лучшего сцепления наносимой химической меди с диэлектриком и повышает качество поверхности диэлектрика, способствующее лучшему формированию проводящего рисунка.

Таким образом, для изготовления ПП аддитивным способом выбирается стеклотекстолит с двусторонним адгезионным слоем - СТЭК-2-1 ТУ 16-503.201-80, где

СТЭК - стеклотекстолит с адгезионным слоем;

2 - двусторонний;

1 - толщина стеклотекстолита 1 мм.

2.5 Выбор шага установки ИМС

Чем плотнее будут располагаться корпуса микросхем на плоскости печатной платы, тем сложнее автоматизировать режим их работы, тем более жестким будет температурный режим их работы, тем больший уровень помех будет наводиться в сигнальных связях. И наоборот, чем больше расстояние между микросхемами, тем менее эффективно используется физический объем машины, тем больше длина связей. Поэтому при установке микросхем на печатную плату следует учитывать все последствия выбора того или иного варианта их размещения.

От правильного расположения корпусов микросхем на печатной плате (ПП) элементов первого уровня конструктивной иерархии - ячейках, модулях, типовых элементов замены - зависят такие параметры ЭВА, как габариты, масса, надежность работы, помехоустойчивость.

Выбор шага установки микросхем на ПП определяется:

- требуемой плотностью компоновки микросхем в аппаратуре;

- температурным режимом работы;

- методом разработки топологии ПП;

- сложностью схемы электрической принципиальной

- конструктивными параметрами корпуса микросхемы.

Вне зависимости от типа корпуса шаг установки микросхем рекомендуется принимать кратным 2,5 мм.

В данном курсовом проекте горизонтальный и вертикальный шаги установки микросхем выбраны равными 25 мм и 17,5 мм соответственно. Шаг установки и конфигурация печатной платы показаны на рисунке 3.

Рисунок 3 - Чертеж габаритный печатной платы

3. Топология проектирования печатных плат

Принципиальная задача размещения элементов и проводников между ними может быть решена вручную. Однако для этого потребуется много конструкторов, длительное время трассировки проводников, скрупулезная проверка и исправление ошибок. Также задача усложняется при необходимости учёта специфичности отдельных проводников, например, особой чувствительности к перекрестным помехам, необходимости выполнения минимальной длины и т.д.

Высокие достижения в области вычислительной техники позволяют решать многие задачи автоматически на ЭВМ, но не без участия оператора ЭВМ. ЭВМ может решать не все задачи, например, оптимальное размещение элементов на ПП, проверка на наличие ошибок трассировки соединений.

Тем не менее, рост сложности конструкции ЭВА неизбежно ведет к росту сложности ПП как основы для осуществления электрических связей между составляющими аппаратуру элементами. Увеличение числа и типов корпусов ИМС усложняет электрическую схему машины, насыщает ее электрическими проводниками. Трассировка этих проводников в одной, двух или нескольких плоскостях (для одно-, двух- и многослойных ПП) представляет собой сложную математическую и инженерную задачу, решение которой на современном этапе развития техники невозможно без использования мощных вычислительных средств.

3.1 Размещение элементов на печатной плате

Размещение навесных элементов на печатной плате можно осуществлять следующим образом:

- схема электрическая принципиальная разбивается на функционально связанные группы, составляется таблица соединений, производится размещение навесных элементов в каждой группе;

- группа элементов, имеющая наибольшее количество внешних связей, размещается вблизи соединителя;

- группа элементов, имеющая наибольшее число связей с уже размещенной группой навесных элементов, размещаются рядом;

- при необходимости производится корректировка отдельных навесных элементов или замена адресов связей.

Размещение элементов на ПП осуществляют в соответствии с ОСТ 4ГО.010.030 и ОСТ 4ГО.010.003. Размещение элементов при конструировании ПП под автоматическую установку элементов производят в соответствии с ОСТ 4.091.124-79. Размещение навесных элементов на ПП следует согласовывать с конструктивными требованиями на печатный узел и устройство в целом.

При расположении навесных элементов необходимо предусматривать:

- обеспечение основных технических требований, предъявляемых к аппаратуре (автоматизированную сборку, пайку, контроль);

- обеспечение высокой надежности, малых габаритных размеров и массы, быстродействия, теплоотвода, ремонтопригодности.

Выбор варианта установки элементов на ПП производят в соответствии с заданными условиями эксплуатации и другими техническими требованиями к конструкции печатного узла и аппаратуры. Микросхемы на ПП располагают линейно-многорядно, однако допускается их размещение в шахматном порядке. Такое расположение корпусов микросхем позволяет автоматизировать процессы сборки и контроля, с большей эффективностью использовать полезную площадь ПП и прямоугольную систему координат для определения места расположения корпусов.

Необходимо выполнить рациональное размещение навесных элементов с учетом:

- элегических связей и теплового режима с обеспечением минимальных значений длин связей;

- количества переходов печатных проводников со слоя на слой;

- паразитных связей между навесными элементами.

Кроме этого, если возможно, то целесообразно выполнить равномерное распределение масс навесных элементов по поверхности платы с установкой элементов с большей массой вблизи мест механического крепления платы.

При необходимости рекомендуется устанавливать навесные элементы на теплоотводящие металлические шины или радиаторы.

Корпуса микросхем со штыревыми выводами устанавливают только с одной стороны ПП. С двух сторон ПП разрешается монтировать микросхемы только в корпусах с планарными выводами. Это объясняется тем, что монтаж штыревых выводов, как правило, производят в сквозные металлизированные отверстия, причем концы выводов выступают на обратной стороне платы. Плоские планарные выводы можно припаивать к металлизированным контактным площадкам с обеих внешних сторон ПП.

На ПП узла преобразования адресов устанавливаются корпуса микросхем со штыревыми выводами только с одной стороны, линейно-многорядно. Размещение элементов на ПП показано на рисунке 4.

Рисунок 4 - Размещение элементов на печатной плате

Выбор типа электрического соединителя

Разъемные соединения нашли широкое применение в конструкциях ЭВМ. Особенно велика их роль в больших машинах, где от степени использования разъемов зависят такие характеристики, как технологичность при сборке и настройке и ремонтоспособность при эксплуатации. Наиважнейший узел разъемного соединения - контактная пара, состоящая из двух частей: штыря и гнезда. В рабочем положении для создания электрического контакта одна из этих частей (штырь) должна входить в другую (гнездо). Основное требование, предъявляемое к контактной паре, - обеспечение высокой надежности соединения при воздействии допустимых механических и климатических факторов. Этот параметр зависит от:

- типа контактирования;

- материалов контактной пары и их покрытий;

- точности изготовления и чистоты обработки;

- величины контактного усилия.

Кроме параметра надежности, контактная пара характеризуется:

- переходным сопротивлением;

- максимальным рабочим током;

- нестабильностью переходного сопротивления;

- максимальной частотой тока;

- усилием соединения и разъединения контактов;

- износоустойчивостью (предельным числом сочленений);

- допустимыми условиями эксплуатации.

Электрический соединитель необходимо выбирать исходя из условий эксплуатации, в которых будет работать узел. Также надо учитывать количество сочленений, ток, проходящий через разъем и т.д.

В узле преобразования адресов для полевых транспортных условий эксплуатации выбран прессованный гибкий кабель.

Прессованный гибкий кабель представляет собой совокупность одинаковых параллельных проводников, запрессованных в гибкий диэлектрик. Их рекомендуют устанавливать с одной стороны платы. Зачищенные проводники кабелей могут быть запаяны в металлизированные отверстия платы (предпочтительнее), припаяны к печатным контактным площадкам или навиты на металлические штыри.

В данном курсовом проекте шаг расположения металлизированных отверстий кратен 2,5 мм. Для обеспечения надежности соединения кабели прикрепляются к плате с помощью прижимной планки. Схема гибкого прессованного кабеля показана на рисунке 5:

1 - прижимная планка;

2 - гибкий кабель;

3 - плата;

Рисунок 5 - Схема монтажа гибкого кабеля

Критерии оптимального размещения элементов

Высокая плотность размещения элементов на ПП создает большие трудности при реализации соединений между элементами.

Задача размещения элементов на ПП заключается в определении оптимального варианта их расположения на плоскости согласно следующим критериям:

- минимум внутрисхемных пересечений (минимум металлизированных отверстий);

- минимальная длина линий связи;

- минимум изгибов проводников;

- максимум проводников простейшей конфигурации (прямых проводников);

- максимально возможное равномерное распределение проводников на ПП.

Перечисленные критерии размещения позволяют в той или иной мере достичь основных целей размещения:

- максимального снижения искажений логических сигналов;

- максимального облечения последующей трассировки соединений.

3.2 Трассировка соединений

Задачу получения схемы соединения элементов можно разделить на четыре подзадачи:

- установление списка проводников;

- распределение проводников по слоям;

- упорядочение проводников;

- размещении проводников.

Задача трассировки проводников в одной или нескольких плоскостях сводится к полному перебору всех возможных вариантов размещения соединяемых элементов и нахождения оптимального. Критерием оптимальности является минимальная сумма всех длин, размещаемых на плате печатных проводников.

Размещение проводников заключается в определении пути соединения между двумя несвязанными соединениями. Этот этап проектирования является самым трудоемким. Порядок трассировки:

- определяем местоположение разъема;

- выбираем число горизонтальных и вертикальных рядов;

- у разъема размещаем те элементы, которые имеют наибольшее количество с ним связей;

- остальные элементы размещаем так, чтобы между ними длина линий была минимальной;

- проводники шин «питание» и «общий» нельзя переводить с одной стороны на другую;

- допускается элементы устанавливать в шахматном порядке;

- развязка в цепи питания по низкой частоте устанавливается в начале цепи питания «плюс»;

- конденсаторы по высокой частоте рекомендуется устанавливать в начале и конце горизонтального ряда.

Низкочастотные помехи, проникающие в схему по шинам «питание» и «общий» должны блокироваться с помощью конденсаторов, включенных между выводами шин «питание» и «общий» непосредственно с места начала проводника печатной платы.

Конденсаторные развязки, установленные в непосредственной близости от микросхемы образуют цепь низкого сопротивления высоким частотам.

Расчет элементов печатного монтажа

Для расчета рисунка ПП необходимо подготовить следующие исходные данные:

- класс точности;

- максимальные значения диаметров выводов навесных элементов, устанавливаемых на плату;

- размер большой стороны платы;

- значения минимальных размеров основных параметров элементов конструкции ПП в узких местах.

Диаметры монтажных и переходных металлизированных и неметаллизированных отверстий должны соответствовать ГОСТ 10317-79. Номинальное значение диаметра монтажного отверстия d рассчитываются по формуле, мм:

d = d_э + r + |d_н.о|,

где

d_э - максимальное значение диаметра вывода навесного элемента, мм;

r - разность между минимальны значением диаметра отверстия и максимальным значением диаметра вывода элемента, r = 0,2 мм;

d_н.о - нижнее предельное отклонение номинального значения диаметра отверстия, d_н.о = -0,1 мм.

d = 0,5 + 0,2 + 0,1 = 0,8 мм

Расчет номинального значения ширины проводника

Расчет номинального значения ширины проводника и расстояние между проводниками учитывает номинальные значения основных параметров моментов конструкции печатной платы для узкого места.

Номинальное значение ширины проводника t рассчитывается по формуле, мм:

t = t_м.д + |t_н.о|,

где

t_м.д - минимально допускаемая ширина проводника, t_м.д = 0,15 мм;

t_н.о - нижние предельные отклонения ширины проводника,

t_н.о = -0,05 мм.

t = 0,15 + 0,05 = 0,20 мм

Расчет номинального значения расстояния между соседними элементами проводящего рисунка.

Номинальное значение расстояния между соседними элементами рисунка S определяется по формуле, мм:

S = S_м.д + |t_в.о|,

где

S_м.д - минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка, S_м.д = 0,15 мм;

t_в.о - верхнее предельное отклонение ширины проводника,

t_в.о = 0,05 мм.

S = 0,15 + 0,05 = 0,20 мм

Расчет минимального диаметра контактной площадки.

Расчет минимального диаметра контактной площадки проводят по формуле, мм:

D = (d + d_в.о) + 2b_н + t_в.о + (d² + p² + t_н.о²)^1/2,

где

d_в.о - верхнее предельное отклонение номинального значения диаметра отверстия, d_в.о = 0,05 мм;

b_н - ширина гарантийного пояска, b_н = 0,05 мм;

t_в.о - верхнее предельное отклонение ширины проводника,

t_в.о = 0,05 мм;

d - допуск расположения центров отверстий, d = 0,05 мм;

p - допуск расположения контактных площадок, p = 0,15 мм.

D = (0,8 + 0,05) + 20,05 + 0,05 + ((0,05)² + (0,15)² + (-0,05)²)^1/2 = 0,85 + 0,1 +0,05 + (0,0275)^1/2 = 1 + 0,1658 1,17 мм

Расчет минимального расстояния для прохождения между двумя контактными площадками.

Минимальное расстояние для прохождения между двумя контактными площадками проводится по формуле, мм:

l = (D1 + D2)/2 + tn + S(n+1) + l,

где

n - количество проводников;

l - допуск расположения проводника, l = 0,03 мм.

D1 = D2 = 1,17 мм

Для n = 1

l = (1,17 + 1,17)/2 + 0,21 + 0,2(1 + 1) + 0,03 1,8 мм.

Для n = 2

l = (1,17 + 1,17)/2 + 0,22 + 0,2(2 + 1) + 0,03 2,2 мм.

Для n = 3

l = (1,17 + 1,17)/2 + 0,23 + 0,2(3 + 1) + 0,03 2,6 мм.

Исходя из проделанных расчетов, можно сделать вывод, что между двумя контактными площадками можно расположить не более двух проводников (l ? 2,5 мм).

Расчет ширины проводников шин «питание» и «общий».

Ширина проводников шин «питание» и «общий» проводится по формуле:

t ? (P_имс/(0,01U_пит²))(/h_ф)[mn(n + 1)l_г + ((m²+ 3m)/2)l_в],

где

P_имс - средняя потребляемая мощность, P_имс = 0,4 Вт;

U_пит - напряжение источника питания, U_пит = 5 В;

- удельное электрическое сопротивление, = 0,017 Омм;

h_ф - толщина фольги, h_ф = 0,030 мм;

m - число ИМС в горизонтальных рядах, m = 4;

n - число ИМС в вертикальных рядах, n = 3;

l_г - шаг установки ИМС в горизонтальном ряду, l_г = 0,02 м;

l_в - шаг установки ИМС в вертикальном ряду, l_в = 0,0175 м.

t?(0,4/(0,015²))(0,017/0,030)[43(3+1)0,02+((4²+34)/2)0,0175]?1,09 мм.

После проведения расчетов получены следующие результаты:

d = 0,8 мм;

t = 0,2 мм;

S = 0,2 мм;

D = 1,17 мм;

l = 2,2 мм при n = 2;

t ? 1,3 мм.

Двусторонняя печатная плата в разрезе показана на рисунке 6.

Рисунок 6 - Плата печатная двусторонняя

H_н.с - общая суммарная толщина печатной платы;

h_п - толщина химико-гальванического покрытия;

h - толщина проводящего рисунка;

L' - расстояние между центрами (осями) элементов конструкции печатной платы;

H_п - толщина печатной платы;

H_м - толщина основания печатной платы (изоляционного материала);

H_ф - толщина фольги;

b - гарантийный поясок;

D - диаметр контактной площадки;

d - диаметр отверстия;

S - расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка;

t - ширина печатного проводника.

4. Конструирование сборочного узла

Сборочный чертеж должен содержать:

- изображение сборочной единицы, дающее представление о расположении и взаимосвязи составных частей, соединяемых по данном чертежу, и обеспечивающее возможность осуществления сборки и контроля сборочной единицы (допускается на сборочных чертежах помещать дополнительные схематические изображения и расположения составных частей изделия);

- размеры, предельные отклонения и другие параметры и требования, которые должны быть выполнены или проконтролированы по данному сборочному чертежу (допускается указывать в качестве справочных размеры деталей, определяющие характер сопряжения; характер сопряжения и методы его осуществления, если точность сопряжения обеспечивается незаданными предельными отклонениями размеров, а подбором, подгонкой; сведения о выполнении неразъемных соединений);

- номера позиций составных частей, входящих в изделие;

- габаритные размеры изделия;

- установочные, присоединительные и другие необходимые справочные размеры;

- координаты центра масс (при необходимости).

При минимальном количестве проекций сборочный чертеж печатного узла должен давать полное представление о навесных ЭРЭ, ИМС и других деталей и их расположении и установке на ПП.

При указании установочных и присоединительных размеров должны быть нанесены:

- координаты расположения;

- размеры с предельными отклонениями элементов, служащих для соединения с сопрягаемыми изделиями;

- другие параметры, например количество контактных пар электрического соединителя.

Сборочные чертежи следует выполнять упрощениями по ГОСТ 2.109-73.

4.1 Выбор и обоснование конструкции сборочного узла

Для устройств, подверженных повышенному воздействию вибрации и ударов, необходимо предусматривать меры, исключающие выпадение ячеек из разъема во время работы. Примером таких мер может быть введение дополнительных точек крепления. Это играет значительную роль при использовании ЭА в полевых транспортных условиях эксплуатации.

Для печатной платы узла преобразования адресов выбрана конструкция ячейки с дополнительными точками крепления к направляющим, представленная на рисунке 7.

На лицевой панели размещается маркировка, а на ее концах, выступающих за пределы платы ячейки, расположены отверстия, через которые винтами ячейку прикрепляют к направляющим. Для надежности соединения кабель прикреплен к плате прижимной планкой, которая фиксируется на плате невыпадающими винтами, помещенными в резьбовые отверстия на ней.

Рисунок 7 - Конструкция печатной платы

4.2 Расчет коэффициента заполнения сборочного узла по площади

Для расчета ориентировочного коэффициента заполнения сборочного узла по объему необходимо знать:

- количество ИМС (L);

- занимаемая ИМС площадь на ПП (S_имс);

- общая площадь, занимаемая всеми ИМС на ПП (S_{имс.общ});

- количество навесных элементов (N);

- площадь, занимаемая навесным элементом (S_н.э);

- общая площадь, занимаемая навесными элементами (S_н.э.общ);

- площадь разъема (S_разъем);

- площадь деталей конструкции (S_констр);

- площадь проводящего рисунка (S_рис);

- площадь сборочного узла (S_{сб.узел}).

S_имс = a b,

S_н.э = a b,

где

a - длина ИМС (навесного элемента);

b - ширина ИМС (навесного элемента);

Для конденсаторов и резисторов длина берется равной сумме длины элемента и длины его выводов, а ширина принимаются равной диаметру выбранного элемента.

Таким образом, расчет занимаемого на ПП объема примет вид:

S_имс1 = 22 8 = 176 мм²

S_имс3 = 20 8 = 160 мм²

L₁ = 2

L₂ = 8

S_{имс.общ} = S_имс1 L₁ + S_имс2 L₂ = 176 2 + 160 8 = 1632 мм²

S_н.э1 = 7 5 = 35 мм²

S_н.э2 = 10 3 = 30 мм²

N₁ = 2

N₂ = 1

S_н.э.общ = S_н.э1 N₁ + S_н.э1 N₁ = 35 2 + 30 1 = 100 мм²

S_разъем = 100 20 = 2000 мм²

S_констр = 130 10 = 1300 мм²

S_рис = 618,75 мм²

S_{сб.узел} = 130 72,5 = 9425 мм²

Коэффициент заполнения сборочного узла по объему рассчитывается по следующей формуле:

K = (S_{имс.общ}+S_н.э.общ+S_разъем+S_констр+S_разъем)/S_{сб.узел} = 0,60

Полученное значение коэффициента означает, что узел не заполнен по площади до требуемой величины, т.к. K получился меньше 0,7.

4.3 Тепловой расчет сборочного узла

Для расчета теплового режима узла преобразования адресов используются следующие данные:

- мощность, потребляемая всем узлом;

- геометрические размеры узла (длина, высота, ширина);

- коэффициент заполнения по площади;

- давление окружающей среды;

- температура воздуха;

- площадь одного перфорационного отверстия;

- количество перфорационных отверстий;

- количество теплонагруженных элементов.

Расчет произведен с помощью специальной программы на ЭВМ:

Мощность, потребляемая блоком 0,84 Вт

Длинна блока 130 мм

Ширина блока 72,5 мм

Высота блока 30 мм

Коэффициент заполнения блока по объему 0,6

Давление воздуха 0,1 МПа

Температура воздуха 25 C

Количество перфорационных отверстий 0

Площадь одного перфорационного отверстия 0 мм²

Количество теплонагруженных элементов 4

Таблица 1 - Расчет тепловой узла преобразования адресов

Наименование типа элемента	Количество элементов	Мощность рассеивания, Вт	Площадь поверхности элемента	Температура воздуха, окружающего элемент	Температура элемента
К555ИР16	6	0,1	160	40,04	50,06
К555ЛИ1	1	0,033	160	31,31	35,51
К555ЛА1	1	0,075	160	36,78	44,63
К555СП1	2	0,1	176	38,85	48,09

Температура корпуса блока 28,71

Температура нагретой зоны 29,47

Средняя температура воздуха в блоке 27,68

Анализ проделанного расчета позволяет установить, что узел преобразования адресов удовлетворяет тепловому режиму, т.к. по условиям эксплуатации рабочие температуры лежат в диапазоне 25ч50 С. Следовательно нет необходимости применять дополнительные средства охлаждения.

Заключение

В данном курсовом проекте был разработан узел преобразования адресов, предназначенный для работы в полевых транспортных условиях эксплуатации.

В анализе исходных данных были рассмотрены ограничения, накладываемые условиями эксплуатации на разрабатываемый узел, исходя из которых, был выбран материал основания (стеклотекстолит с двусторонним адгезионным слоем) и метод изготовления печатной платы.

Конструкция сборочного узла и тип печатного кабеля были выбраны с учетом повышения надежности крепления ПП и предохранения ее от воздействия внешних факторов. Тепловой расчет сборочного узла показал, что специальных мер охлаждения не требуется, т.к. температура блока находится в диапазоне рабочих температур.

Был использован аддитивный метод изготовления ПП и разработаны маршрутно-операционные карты на техпроцесс.

Расчет коэффициента технологичности показал, что конструкция является технологичной в условиях опытного производства, однако недостаточно технологичной в условиях серийного производства. При этом были указаны пути повышения технологичности.

Список использованных источников

1. Преснухин Л.Н., Шахнов В.А. Конструирование электронных вычислительных машин и систем. - М.: Высшая школа, 1986.

2. Ильин В.А. Прогрессивные технологические процессы производства печатных плат. - М.: Высшая школа, 1984.

3. Алексеев В.Г., Гриднев В.Н., Нестеров Ю.И. Технология ЭВА, оборудование и автоматизация. - М.: Высшая школа, 1984.

4. Шахнов В.А. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумена, 2002.

5. Кузёмин А.Я. Конструирование и микроминиатюризация электронной вычислительной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1985.

6. Йович В., Пескова С. Электронные компоненты. - СПб.: Платан Компонентс, 2007.

7. Ушаков Н.Н. Технология производства ЭВМ. - М.: Высшая школа, 1991.

Размещено на Allbest.ru

...