Разработка платы входов внешнего аудио ЦАП, обеспечивающего качество цифрового оригинала на уровне дорогого High-End плеера

Маркировка блока должна соответствовать требованиям конструкторской документации на него, и должна содержать обозначение изделия.

Место и способ нанесения марки должен соответствовать требованиям сборочного чертежа.

Требования к упаковке

Упаковка при транспортировке и хранении должна обеспечить необходимую защиту от механических воздействий, влаги, пыли.

Целью данного расчета является определение необходимой площади печатного узла и его линейных размеров.

Площадь печатного узла находится по формуле:

, (1)

где S_i - установочная площадь i-ого элемента с учетом его выводов и максимальных габаритных размеров, мм²;

К - коэффициент плотности компоновки, К=0,3.

Установочные площади всех комплектующих элементов схемы сведены в таблицу 1.

Необходимая площадь печатного узла:

мм².

Таблица 1 - Размеры элементов и их суммарная позиция

Целесообразно принять соотношение сторон разрабатываемого печатного узла близкими к 1:1. На этом основании габаритные размеры принимаются равными 110x90 мм, из за наличия 5 микросхем и большого количества соединений.

Выбор типа печатной паты

Определив габаритные размеры печатного узла, необходимо подробнее проанализировать параметры, входящей в данный узел, платы печатной и принять решение по выбору типа данной печатной платы.

Учитывая выбранный средний коэффициент компоновки целесообразно использование двусторонней печатной платы.

Выбор и расчет класса точности печатной платы

На начальном этапе разработки блока должен быть выбран класс точности, входящего в изделие печатной платы. В данном случае, с учетом выбранных линейных размеров платы, а также с учетом рассматриваемой плотности компоновки, делается выбор наиболее приемлемого класса точности - третьего.

В соответствие с ГОСТ Р 53429-2009 наименьшие номинальные значения основных размеров элементов конструкции печатных плат для узкого места по третьему классу точности представляют: ширина печатного проводника, t, мм - 0,25; расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка, S, мм - 0,25;гарантийный поясок, b, мм - 0,1; отношение номинального значения диаметра наименьшего из металлизированных отверстий к толщине печатной платы, f - 0,33.

Для того чтобы уточнить правильность выбранного третьего класса точности разрабатываемой печатной платы необходимо убедиться в возможности прохождения печатного проводника между двумя монтажными отверстиями, наиболее близко расположенными относительно друг друга на плате, т.е. должны быть соблюдены параметры, поставленные в данном классе точности.

Наиболее близко (L=2,5 мм) расположены между собой выводы стабилизатора напряжения LM3940T-3.3 следовательно далее будет проведен расчет, определяющий возможность прохождения печатного проводника между монтажными отверстиями. Диаметр монтажных отверстий

d_МО=d_ш+2m_пок+2k (2)

d_МО=0,8+2*0.05+2*0.1=1,1 мм

с учетом, того, что диаметр выводов микросхемы равен 0,8 мм. Тем самым, принимая во внимание размер гарантийного пояска для третьего класса точности (b=0,1 мм), Диаметр контактных площадок (D_КП) задается равным 1,4 мм.

(3)

где, n - желаемое количество проводников

При расчете получаем , что говорит о возможности использования третьего класса точности, с учетом проведения одного печатного проводника между данными отверстиями.

Рисунок 1-Расчёт класса точности ПП.

3. Обоснование конструкторских и технологических решений

3.1 Выбор конструкции корпуса блока

Использование базовых несущих конструкций не предполагается ввиду единичного производства изделия и отсутствия требований к стандартизации и унификации. Такое решение позволит рассматривать задачу проектирования корпуса прибора с необходимыми габаритными, конструктивными и технологическими показателями.

3.2 Разработка печатной платы

цифровой преобразователь плата конструкторский

Выбор материала и способа изготовления печатной платы

Для изготовления печатной платы выберем комбинированный позитивный метод изготовления. Этот метод предусматривает использование фольгированного травящего диэлектрика.

В качестве основания печатной платы выберем фольгированный стеклотекстолит марки СФ-2-35 ГОСТ 10316-78.

Так как дополнительных требований к жесткости не предъявлено, то определяем группу жесткости 3 по ГОСТ 23752-79.

Толщину основания печатной платы выбираем из предпочтительного ряда 0,8-1,0-1,5-2,0-3,0 мм руководствуясь обеспечением требуемого минимального диаметра металлизированного отверстия. Для третьего класса точности печатной платы установлено отношение минимального диаметра металлизированного отверстия к толщине печатной платы 0,33 [1, стр.3]. Принимаем толщину основания 1,5 мм, что обеспечивает минимальный диаметр металлизированного отверстия 0,495 мм.

Расчет параметров металлизированных отверстий

Процессы металлизации отверстий являются неотъемлемой частью производства печатных плат и от качества их выполнения в значительной степени зависит надежность изделий. Эксперименты показали, что долговременная надежность в значительной степени определяется качеством и однородностью меди, осажденной в отверстии. При этом критическим фактором успешного осаждения однородного слоя меди в сквозном или глухом отверстии является процесс металлизации, предшествующий нанесению гальванической меди.

Диаметр монтажного металлизированного отверстия, без учета погрешности изготовления, вычисляется по формуле:

, (4)

где - толщина металлизированного покрытия при металлизации гальваническим методом, мм;

К - зазор между выводом и стенкой металлизированного покрытия берется мм;

- диаметры выводов устанавливаемых элементов:

мм;

мм;

мм.

мм.

мм;

мм;

мм.

мм.

Расчет диаметра контактных площадок вокруг металлизированных отверстий, с учетом того, что контактные площадки выполнены в виде контактного кольца (рисунок 2) с обеих сторон печатной платы, производится по формуле (5):

, (5)

где - гарантийный поясок, в соответствии с выбранным классом точности мм;

- технологический коэффициент на ошибку, .

Рисунок 2- Контактная площадка

мм;

мм;

мм.

мм.

Полученные при расчете данные сведены в таблицу 2

Таблица 2 - Размеры диаметров отверстий и контактных площадок

Особенности размещения проводящего рисунка на ПП

Учтем, что для технологических целей необходимо наличие на печатной плате краевого поля, то есть свободной полосы вдоль периметра печатной платы, не занимаемой проводниковым рисунком и навесными элементами. Ширину краевого поля со всех сторон выберем равной 2 мм.

Электрические элементы схемы будем размещать на поверхности печатной платы таким образом, чтобы обеспечить минимальную длину проводников и минимальное число их пересечений. Это обеспечит в дальнейшем простоту трассировки печатных проводников и малое взаимное влияние этих элементов на электрические параметры.

Размещение элементов произведем рядами, параллельными сторонам печатной платы. Это улучшит технологичность изготовления печатной платы.

Размещение элементов конструкции на печатной плате регламентируется условной координатной сеткой. Шаг координатной сетки выберем равным 1,27 мм. Выводы всех элементов должны располагаться в узлах координатной сетки.

В соответствии с размерами выводов используемых элементов диаметр металлизированных монтажных отверстий выберем равным 0,8 мм. Диаметр переходных отверстий примем 0,6 мм.

Выберем круглую форму контактных площадок как основную. Для обозначения первого вывода микросхем выберем квадратную форму контактной площадки.

При изготовлении печатной платы печатные проводники, подводимые к цепям питания, необходимо выполнить шириной 0,25 мм. Проводник, подводимый к общему проводу, является экраном и проходит по периметру платы со стороны установки навесных элементов, соединен с обратной металлизированной стороной. Номинальную ширину остальных проводников принимаем 0,25 мм в свободных местах и 0,25 мм в узких местах. Проводники будем проводить параллельно сторонам печатной платы или под углом 45 градусов. Относительно круглых контактных площадок проводники необходимо располагать перпендикулярно касательной к контуру контактной площадки, а для прямоугольных - перпендикулярно стороне контактных площадок. При проведении проводника между двумя близкорасположенными контактными площадками ориентируем его перпендикулярно оси, соединяющей центры монтажных отверстий.

При сборке печатной платы установка навесных элементов производится согласно ОСТ4ГО.010.030-81, кроме указанных позиций. При сборке платы используют припой ПОС61 ГОСТ 21930-76. Вся необходимая информация о сборочной единице представлена на графических документах.

Вопрос покрытия печатной платы

Плату следует покрывать защитной паяльной маской, в соответствии с ТТ.

4. Расчеты

4.1 Тепловой расчёт

С учетом заданных схемотехнических, технологических, а также принятых в рамках анализа и расчета конструктивных данных, далее будет проведен расчет теплового режима блока.

Исходные данные:

- мощность, рассеиваемая в блоке Р =10 Вт;

- максимальные габариты блока: L=320 мм, B=150 мм, Н=30 мм;

- коэффициент заполнения k₃ =0,13;

- диапазон возможного изменения температуры окружающей среды от 5 °С до + 50 °С.

Диапазон изменения температур окружающей среды для блока составляет 5°С…+50°С, что не выходит за границы допустимых температур самых чувствительных к перепадам температуры элементов, входящих в данный блок. В таблице 1 приведены диапазоны допустимых рабочих температур наиболее критичных элементов, входящих в блок.

Для оценки системы охлаждения достаточно вычислить две промежуточные характеристики: перегрев наименее теплостойкого элемента ?t, °С и плотность теплового потока q, Вт/м².

Перегрев наименее теплостойкого элемента определяется по формуле:

, (6)

где - минимальная по всем электрорадиоэлементам верхняя граница диапазона рабочих температур, ;

- максимальная температура окружающей среды по ТЗ, .

Допустимый перегрев составляет .

Плотность теплового потока определяется по формуле:

, (7)

где Р - мощность, рассеиваемая блоком в виде тепла, Вт;

S - площадь поверхности нагретой зоны, м² .

Таблица 3 - Диапазоны рабочих температур элементов блока

Площадь поверхности нагретой зоны определяется по формуле:

, (8)

где H - высота корпуса, мм;

B - ширина корпуса, мм;

L - длина корпуса, мм;

k_З - коэффициент заполнения.

По формуле (8) определяется плотность теплового потока:

Вт/м² . (9)

Полученных данных не достаточно для детального расчета теплового режима, но их можно использовать для предварительной оценки, в частности для выбора способа возможного охлаждения.

По известным значениям и производится выбор вида охлаждения согласно зоне на диаграмме, представленной на рисунке 3.

С учетом значения плотности теплового потока и перегрева для рассматриваемого блока подходит естественное или принудительное воздушное охлаждение.

В данном случае не возникает конкретной необходимости в использовании элементов принудительного воздушного охлаждения.

1 - естественное воздушное охлаждение; 2 - естественное или принудительное воздушное охлаждение

Рисунок 3- Диаграмма выбора системы охлаждения

4.2 Расчет надежности

Надежность - способность изделия выполнять свои функции при сохранении эксплуатационных показателей в заданных пределах и режимах работы, установленных в техническом задании (ТЗ). Надежность является одним из основных технических показателей качества РЭА.

Надежность аппаратуры и ее элементов является комплексным свойством и обычно связывается со свойствами безотказности, ремонтопригодности, долговечности и сохраняемости. Определение этих свойств опирается на понятие работоспособности аппаратуры.

Расчет надежности заключается в определении показателей надежности изделия по известным характеристикам надежности составляющих компонентов и условиям эксплуатации.

Расчет надежности блока будет произведен со следующим допущениями, которые существенно упростят расчет:

? поток отказов является простейшим;

? отказ одного элемента приводит к отказу всего изделия;

? все элементы одного типа имеют одинаковую интенсивность отказа;

? все элементы блока работают одновременно;

? погрешность измерения параметров приборов при расчетах надежности не учитывается.

В рассматриваемом случае основным показателем надежности является интенсивность отказа всего блока, которая оценивается по формуле:

, где (10)

- эксплуатационная интенсивность отказов блока;

-интенсивность отказов однотипных элементов;

N - число учитываемых однотипных элементов.

Интенсивность отказов рассчитывается при эксплуатации блока в аппаратуре группы 1 (стационарная, устанавливаемая в отапливаемых наземных и подземных сооружениях аппаратура) по ГОСТ 1.6019-2001.

Повышенная рабочая температура среды +40 ⁰С.

Интенсивность отказов элементов, входящих в состав блока рассчитывается по формуле:

, где (11)

- номинальная интенсивность отказа i-го элемента при нормальных условиях;

и - поправочные коэффициенты в зависимости от воздействия механических факторов, , (условия эксплуатации блока - стационарные);

?- поправочный коэффициент в зависимости от воздействия влажности и температуры, ;

- поправочный коэффициент в зависимости от давления воздуха, .

Результаты расчета, проведенного по формуле (11) для каждого элемента изделия, сведены в таблицу 4.

Интенсивность отказа всего изделия составит 1/ч

Средняя наработка на отказ блока Т_ср , рассчитывается по формуле:

ч. (12)

Рассчитанное значение средней наработки на отказ удовлетворяют техническому заданию, согласно которому Т₀ =50000 часов.

Таблица 4 - Интенсивности отказов элементов печатной платы

Вывод: по полученным значениям можно сделать заключение, о том, что вычисленная наработка на отказ больше заданной в ТЗ. Поэтому делаем вывод, что конструкция надёжна.

4.3 Расчёт виброустойчивости

Исходные данные:

Материал - Стеклотекстолит фольгированный

Модуль упругости - E*10¹⁰ Н/м² = 3,02

Коэффициент Пуассона - н = 0,22

с*10^{^-3} кг/м³ = 2,05

F(t) - возбуждающая сила

k - жесткость пружины

в - коэффициент деформирования

При выборе закрепления сторон пластины, нужно придерживаться правил:

1. Сторона пластины считается жестко закрепленной, если она соединена с элементом конструкции с помощью разъема или сильно прижата к конструкции.

2. Сторона оперта, если возможно движение пластины по направляющим.

3. Сторона пластины считается свободной, если к ней не прикасается никакой элемент конструкции.

В данном случае плата крепится в блоке четырьмя винтами по краям, поэтому выбирается способ закрепления платы по всем краям.

Эскиз закрепления

a - длина платы

b - ширина платы

k = 22,37

в = 0,61

г = 1

б = 1

Расчет общей массы печатного узла:

Таблица 5 - Общая масса платы

Расчет частоты собственных колебаний для пластины, закрепленной в 4-х точках.

, где

a - длина пластины

b - ширина пластины

D - цилиндрическая жесткость

, где

E - модуль упругости ( )

- коэффициент Пуассона

Вывод: Рассчитанная частота собственных колебаний получилась 396 Гц, что более чем в 2 раза превышает частоту заданную в ТЗ - 90 Гц. Это показывает, что плата будет виброустойчива.

4.4 Расчёт магнитосовместимости

Анализ электромагнитной совместимости печатного узла

Электромагнитная совместимость-успешная работа устройства, т е без нарушения в режиме работы в заданной электромагнитной обстановке.

Наводка(помеха)-не предусмотренная конструкцией изделия передача тока, напряжения или мощности от одной части конструкции другой или от одного изделия другому. Источник наводки-изделие, режим работы которого характеризуется большими токами или напряжениями(ВЧ-генераторы, СВЧ и тд).

Приёмник наводки(помехи)-устройство, характеризующееся большим входным сопротивлением и большим коэффициентом усиления.

Паразитные связи-каналы, по которым наводка передаётся от источника помехи к приёмнику помехи.

Помехи, вызываемые внешними электрическими и магнитными устройствами или соседними каскадами или устройствами всего блока, могут привести к следующим последствиям:

-ложное срабатывание

-пропуск сигнала

Помехоустойчивость печатных узлов и субблоков на печатных платах зависит от величины паразитной ёмкости (Сп) и паразитной взаимной индуктивности (Мп). Сп и Мп образуются каждый раз, когда два проводника расположены близко друг к другу, особенно когда они параллельны, при этом не соединены между собой. Это вызывает повышение уровня шума, снижение частотного диапазона устройства, нестабильность работы, повреждение источника питания. Полностью устранить паразитные параметры невозможно, можно лишь добиться минимизации данного явления.

Расчёт Сп печатной платы:

Где е-действующая относительная диэлектрическая проницаемость (3,5);

b - ширина дорожки, 0,25 мм

w - толщина печатного проводника, 0,85 мм

- расстояние между проводниками, 0,5 мм

l - длина двух параллельно идущих соседних проводников, 80 мм

Где Еп - относительная диэлектрическая проницаемость материала печатной платы (для стеклотекстолита Еп=6)

Далее находим Сп печатной платы:

Расчёт Мп печатной платы:

Найдём допустимое значение паразитной ёмкости Спдоп:

Где Uпдоп-допустимое напряжение помехи (0.4 Вт);

T-длительность фронта (0,02*10^-6 сек);

Uвых-выходное напряжение печатного узла (5 В);

Rвых-выходное сопротивление печатного узла (130 Ом);

Найдём допустимое значение взаимной паразитной индуктивности:

L пдо

Где l-сила тока протекающего по проводникам печатного узла (10мА);

Вывод: значения паразитной емкости и паразитной индуктивности меньше допустимых значений, следовательно печатный узел имеет хорошую электромагнитную совместимость

Заключение

В данном курсовом проекте был разработан печатный узел для устройства «Внешний аудио ЦАП». Процесс проектирования был направлен на выполнение требований, заложенных в техническом задании. Разработанный в курсовом проекте печатный узел удовлетворяет требованиям по условиям эксплуатации, условиям электромагнитной совместимости, имеет хорошие массогабаритные характеристики, отвечает требованиям по точности, требованиям ГОСТов и ОСТов.

Размещено на Allbest.ru