Проектирование печатной платы цифрового устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

Автор работы: Сафронов Игорь Валерьевич.

Тема -- проектирование печатной платы цифрового устройства.

Курсовая работа посвящена проектированию печатной платы цифрового устройства. В курсовой работе изложен процесс разработки устройства, выбор электронно-компонентной базы, обоснование основных положений разработки печатной платы и анализ электромагнитной совместимости. В завершение работы был разработан комплект конструкторской документации.

Применено программное обеспечение Microsoft Word 2016, DipTrace Free, КОМПАС v. 18.1.

Summary

Author of work: Safronov Igor Valerievich.

Subject -- the design of a printed circuit board of a digital device.

The course work is devoted to the design of a printed circuit board of a digital device. The course work describes the process of device development, the choice of an electronic component base, the justification of the main provisions of the development of a printed circuit board and the analysis of electromagnetic compatibility. At the end of the work, a set of design documentation was developed.

Software applied Microsoft Word 2016, DipTrace Free, KOMPAS v. 18.1.

Содержание

• Техническое задание
• Введение
• 1. Анализ технического задания
• 2. Выбор компонентной базы
• 3. Спецификация печатной платы
• 3.1 Выбор конструкции печатной платы
• 3.2 Расчет геометрических размеров печатной платы
• 3.3 Определение класса точности печатной платы
• 3.4 Выбор технологии изготовления печатной платы
• 3.5 Выбор финишных и защитных покрытий
• 3.6 Выбор материала основания и толщины печатной платы
• 3.7 Расчет элементов проводящего рисунка печатной платы
• 3.8 Трассировка соединений на печатной плате
• 4. Анализ электромагнитной совместимости
• 4.1 Определение задержки в короткой линии связи
• 4.2 Определение перекрестной помехи
• Заключение
• Список используемой литературы
• Приложения

Техническое задание

Задание: разработать печатную плату цифрового устройства и обозначить основные положения проектирования устройства.

При этом необходимо:

- выполнить анализ электрической принципиальной схемы (рис. 1.1);

- выбрать основную и вспомогательную компонентную базу;

- обозначить основные положения разработки печатной платы, такие как: выбор конструкции печатной платы, расчет геометрических размеров печатной платы, определение класса точности печатной платы, выбор финишных и защитных покрытий, выбор материала основания и толщины печатной платы, расчет элементов проводящего рисунка печатной платы, расчет диаметров монтажных и переходных отверстий, трассировка соединений на печатной плате;

• - выполнить анализ электромагнитной совместимости, в рамках чего определить задержки в короткой линии связи и определить перекрестные помехи.

Введение

Освоение студентами профессиональных компетенций в области проектирования печатных плат и работы с системами автоматизированного проектирования печатных плат (САПР) играет важную роль в их подготовке к будущей карьере в области электронной промышленности и инженерии. Это область с высоким спросом на высококвалифицированных специалистов, и владение соответствующими навыками и знаниями может стать ключом к успешной карьере.

Современные технологии проектирования печатных плат и САПР являются неотъемлемой частью производства электронных устройств, от компьютеров и мобильных устройств до промышленных автоматизированных систем и медицинского оборудования. Умение проектировать печатные платы с использованием современных программных средств позволяет инженерам создавать более компактные, надежные и высокоэффективные устройства, что обеспечивает конкурентное преимущество компаний на рынке.

Студенты, осваивающие проектирование печатных плат и работу с САПР, приобретают практические навыки в создании схем, разводке трассировки, подборе компонентов, анализе схемотехнических решений и управлении электронными проектами. Эти навыки являются востребованными на рынке труда, и выпускники, обладающие опытом работы с САПР и проектированием печатных плат, особенно востребованы в областях электронной промышленности, авиации, автомобилестроения, телекоммуникаций, медицинского оборудования и других смежных отраслях.

Кроме того, освоение профессиональных компетенций в области проектирования печатных плат и работы с САПР обогащает образовательный процесс, обеспечивая студентам практический опыт, возможность самостоятельного творчества, аналитические и проблемные навыки, взаимодействие с реальными техническими задачами и их решение, а также стимулирует их профессиональный и карьерный рост.

Таким образом, актуальность освоения студентами профессиональных компетенций в области проектирования печатных плат и работы с САПР вытекает из повышения конкурентоспособности выпускников на рынке труда, удовлетворения потребностей современной электронной промышленности в высококвалифицированных специалистах, а также обогащения образовательного процесса более практическими навыками и знаниями.

Целью курсовой работы является разработка цифрового устройства. Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) разработать электрические схемы устройства, осуществить выбор электронной компонентной базы;

2) обозначить основные положения разработки печатной платы устройства;

3) выполнить анализ электромагнитной совместимости;

4) разработать комплект КД на проектируемое устройство.

1. Анализ технического задания

Согласно техническому заданию необходимо разработать печатную плату для цифрового устройства, принципиальная схема которого представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 -- Исходная схема для проектирования печатной платы

Обозначенная схема представляет собой некоторый командоаппарат на основе узлов цифровой логики. В основе устройства лежит использование таких цифровых элементов, как счетчики, триггеры, элементы алгебры-логики и вспомогательных пассивных компонентов для обеспечения временных параметров работы устройства.

Для обозначенного устройства тактовая частота принимается равной 8 МГц исходя из основных технических характеристик схожих технических решений.

2. Выбор компонентной базы

Выберем основные необходимые элементы устройства. При этом критерием выбора является наибольшая унифицированность питающих напряжений.

В качестве логических элементов «2И-НЕ» используется микросхема К561ЛА7, основные характеристики которой сведены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1 -- Основные технические характеристики микросхемы К561ЛА7

Параметр	Значение
Напряжение питания, В	от 3 до 15
Уровень логической единицы, В	5
Количество элементов, шт.	4
Ток потребления, мкА	не более 5
Рабочая температура, °С	от -45 до + 85
Корпус	201.14-1

В качестве десятичного счетчика делителя используется микросхема К561ИЕ8, основные характеристики которой сведены в таблицу 2.2.

Таблица 2.2 -- Основные технические характеристики микросхемы К561ИЕ8

Параметр	Значение
Напряжение питания, В	от 3 до 15
Уровень логической единицы, В	5
Время задержки распространения, нс	не более 500
Ток потребления, мкА	не более 20
Рабочая температура, °С	от -45 до + 85
Корпус	238.16-1

В качестве D-триггеров используется микросхема К561ТМ2, основные характеристики которой сведены в таблицу 2.3.

Таблица 2.3 -- Основные технические характеристики микросхемы К561ТМ2

Параметр	Значение
Напряжение питания, В	от 3 до 15
Уровень логической единицы, В	5
Количество элементов, шт.	2
Ток потребления, мкА	не более 20
Рабочая температура, °С	от -45 до + 85
Корпус	201.14-1

Таким образом, был произведен выбор основной электронной компонентной базы разрабатываемого устройства.

3. Спецификация печатной платы

Для более детального понимания достигаемой в данной работе цели рассмотрим типовой процесс проектирования печатной платы по готовой принципиальной электрической схеме:

1. Подготовка к проектированию:

1.1. Импорт принципиальной электрической схемы в базу данных САПР печатной платы. Как правило, подготовка схемы выполняется в отдельной схемотехнической САПР. Некоторые пакеты САПР содержат компоненты как схемотехники, так и конструирования. Другие САПР печатных плат не имеют схемотехнического редактора в своём составе, только импортируя электрическую схему популярных форматов.

1.2. Ввод в САПР компонентов (чертежей каждого компонента, расположения и назначения выводов и др). Обычно при этом используются готовые библиотеки компонентов, поставляемые разработчиками САПР.

1.3. Уточнение у будущего изготовителя печатной платы его технологических возможностей (имеющиеся материалы, количество слоёв, класс точности, допустимые диаметры отверстий, возможность покрытий и т.п.). На основании этих данных производится предварительный выбор материала платы, количества слоёв металлизации, толщины материала и фольги, класс точности, и они же являются исходными данными для конфигурирования DRC (см. ниже), используемыми как для автоматической разводки, так и для проверки разведённой платы. Чаще всего оптимален фольгированный стеклотекстолит толщиной 1,5 мм с толщиной фольги 18 или 35 мкм.

2. Конструирование платы:

2.1. Определение конструкции печатной платы (контур и габаритные размеры, крепёжные отверстия, максимально допустимая высота компонентов). Вычерчивание габаритов (краёв) платы, вырезов и крепёжных отверстий, областей запрета размещения компонентов. Размещение конструктивно-привязанных деталей: разъёмов, индикаторов, кнопок и др. Определение правил расположения критичных проводников: выделение областей прокладки сильноточных проводников и шин питания; компоновка высокочастотных и дифференциальных линий, определение методов прокладки и экранировки чувствительных к помехам цепей и цепей -- источников помех.[6]

2.2. Выполнение автоматического или ручного размещения компонентов. Обычно стремятся разместить все компоненты на одной стороне платы, поскольку двусторонний монтаж деталей заметно дороже в производстве.

2.3. Запуск автоматического трассировщика. При неудовлетворительном результате -- переразмещение компонентов. Эти два шага зачастую выполняются десятки или сотни раз подряд. В некоторых случаях трассировка печатных плат (отрисовка дорожек) производится вручную полностью или частично.

2.4. Проверка платы на ошибки (DRC, Design Rules Check): проверка на зазоры, замыкания, наложения компонентов и др.

2.5. В некоторых случаях требуется расчёт механических свойств полученной печатной платы: частоты собственного механического резонанса и ударной прочности. При необходимости изменяют опорные точки платы или размещение тяжёлых компонентов.

3. Создание выходной конструкторской документации:

3.1. Экспорт файла в формат, принимаемый изготовителем печатных плат, например, Gerber.

3.2. Оформление конструкторской документации, согласно действующим стандартам, в которой указаны технические требования для изготовления печатной платы: наименование материала фольгированного основания, диаметры сверления всех типов отверстий, вид переходных отверстий (закрытые паяльной маской или открытые, лужёные), области гальванических покрытий и их тип, цвет паяльной маски и её тип, необходимость маркировки, способ обработки контура плат (фрезеровка или скрайбирование) и т.п. По согласованию с изготовителем требования могут указываться в сопроводительной записке.

Изготовление ПП возможно аддитивным или субтрактивным методом. В аддитивном методе проводящий рисунок формируется на нефольгированном материале путём химического меднения через предварительно нанесённую на материал защитную маску. В субтрактивном методе проводящий рисунок формируется на фольгированном материале путём удаления ненужных участков фольги. В современной промышленности применяется исключительно субтрактивный метод.

3.1 Выбор конструкции печатной платы

Печатной платой принято называть пластину из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой.

В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком печатные платы подразделяют на следующие типы конструкций:

- односторонние (ОПП): имеется только один слой фольги, наклеенной на одну сторону листа диэлектрика;

- двухсторонние (ДПП): два слоя фольги;

- многослойные (МПП): фольга не только на двух сторонах платы, но и во внутренних слоях диэлектрика. Многослойные печатные платы получаются склеиванием нескольких односторонних или двухсторонних плат

Исходя из анализа электрической принципиальной схемы и выбранных компонентов (раздел 2 настоящей работы) наиболее подходящей конструкцией для печатной платы является двухсторонняя печатная плата с односторонним размещением компонентов и двухсторонним нанесение рисунка печатных проводников с учетом переходных отверстий. Приоритет при трассировке печатных проводников платы такой конструкции отдан нижнему слою (учитывая, что все элементы схемы являются компонентами навесного монтажа), при этом верхний слой (с размещенными компонентами навесного монтажа) используется в качестве вспомогательного. Выбор данной конструкции обусловлен снижением сложности разработки печатной платы путем исключения из её состава переходных отверстий и , вследствие чего отпадает необходимость в металлизации данных переходов и монтажных отверстий, что существенно снижает издержки на использование дорогостоящих химических соединений при производстве печатной платы такой конструкции.

3.2 Расчет геометрических размеров печатной платы

Расчет геометрических размеров печатной является одним из наиболее важных этапов конструирования, поскольку от этого могут зависеть массогабаритные показатели готового изделия в целом. По расчету геометрических размеров печатной платы можно примерно предположить, какие предположительно заготовки печатной платы можно использовать. Так, например, если возможно удешевление конечного продукта за счет его массогабаритных показателей, то по результатам расчета геометрических размеров печатной платы можно примерно представить, насколько плотно должна быть компоновка элементной базы (с учетом других ограничений: взаимный нагрев, перекрестные помехи линий передач и т.п.).

При выполнении расчётов используются справочные данные о габаритных размерах ЭРЭ или производят измерения установочных размеров ЭРЭ с учетом выбранного способа размещения и крепления их на печатной плате. Для обеспечения оптимизации размещения ЭРЭ на печатной плате, размер платы должен выбираться (рассчитываться) с определённым запасом. Коэффициент запаса площади (плотности монтажа) для большинства узлов РЭС выбирают в пределах К_з = 1,0 - 2,5.

Суммарная площадь всех ИС (площадь, занимаемая элементом на плате, рассчитывается с учётом площади, занимаемой контактными площадками, к которым припаивают выводы элементов) равна S_общ =2067,06 мм². Определяем установочную площадь всех элементов на плате с учетом площади уголков для крепления платы и площади монтажных проводов. Для этого используется коэффициент К_уст = 1,0 - 1,2. Примем данный коэффициент равным 1,2 и найдем установочную площадь как:

S_уст = S_общ K_уст=2067,06 мм² 1,2 = 2600 мм²

Используя коэффициент запаса по площади К_з = 2,5 найдем итоговую минимальную площадь печатной платы:

S = S_уст K_з=2480,48 мм² 2,5 = 6201,22 мм²

Таким образом, размеры проектируемой печатной платы не могут быть меньше рассчитанных размеров. С учётом этих расчётов и внося дополнительные запасы по каждой из сторон в соответствии с ГОСТ 10317-79 размеры платы стоит выбрать следующими A = 80 мм, B = 80 мм или 80х80мм.

3.3 Определение класса точности печатной платы

Класс точности печатной платы -- условное цифровое обозначение, характеризующее наименьшие номинальные значения размеров элементов рисунка печатной платы и определяющее значения допусков на размеры этих элементов. Фактически класс точности определяет все возможные допуски на размер и ограничения при выборе размеров тех или иных конструктивных элементов печатной платы. Данные показатели являются жестко регламентированными, то есть прописаны в ГОСТ Р 53429-2009.

Согласно ГОСТ Р 53429-2009 существует семь классов точности печатных плат. Наиболее важными показателями класса точности для конструирования печатных плат являются минимальные размеры элементов конструкции и их предельные отклонения.

Исходя из выбранных типоразмеров корпусов интегральных схем примем расстояние между двумя соседними выводами корпус 201.14-X (применяемый для микросхем DD1..25) с вычетом ширины данного вывода за минимально допустимое расстояние между контактными проводниками на печатной плате, а именно b = 2,5 мм - 0,5 мм = 2 мм. Исходя из данного размера определим класс точности печатной платы очевидно, что производство данной печатной платы может быть осуществлено любым технологическим процессом не ниже 1 класса точности.

Поэтому для точного определения необходимо рассчитать максимальное энергопотребление платы и, как следствие, ширину проводника. Учитывая, что все представленные микросхемы имеют пиковое допустимое токопотребление не выше 1 мА, получаем, что суммарное предельное токовое потребление элементов в схеме составляет 20 мА. Дальнейшие расчеты будут производиться с учетом запаса по току, принимая предельное токовое потребление равное 100 мА.

Исходя из максимально возможного тока потребления произведем расчет ширины дорожки питания на печатной плате. Расчет ширины дорожки будет проводиться по следующей формуле:

,

где T - толщина проводника в мкм, а S - площадь сечения проводника в мм², рассчитываемая по формуле:

,

где - изменение температуры; k, b и c - константы из стандарта IPC-2221. Для внешних слоев принимаем k=0,048, b=0,44, c=0,725.

В разрабатываемом устройстве при изготовлении печатных плат будет использоваться текстолит FR04 с толщиной платы 1,5 мм и толщиной проводящего медного слоя 18 мкм. Таким образом, толщина проводника принимается равной T = 18 мкм.

Изменение температуры условно принимается равным 5 °С. Тогда минимально необходимая ширина проводника по результатам расчетов получается равной W = 0,2 мм.

Исходя из данных расчетов становиться очевидно, что при ширине проводника в 0,2 мм обосновано использовать класс точности не ниже 4. Основные параметры данного класса точности представлены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 -- Основные параметры класса точности

Параметр	Значение
Минимальная ширина проводника, мм	0,15
Минимальное расстояние между проводниками, мм	0,15
Гарантийный поясок контактной площадки, мм	0,05
Предельное отклонение диаметра отверстия:
при диаметре отверстия от 0,3 до 1,0 мм с металлизацией и оплавлением, мм	+0
при диаметре отверстия от 0,3 до 1,0 мм без металлизации, мм	±0,10
при диаметре отверстия свыше 1,0 мм с металлизацией с оплавлением, мм	-0,18 + 0,05
при диаметре отверстия свыше 1,0 мм без металлизации, мм	±0,10

3.4 Выбор технологии изготовления печатной платы

С учетом факторов, описанных в п.3.1, наиболее эффективной технологией изготовления печатной платы является использование субтрактивного метода. По субтрактивной технологии рисунок проводников получается травлением медной фольги по защитному изображению в фоторезисте или металлорезисте. В данной работе будем использовать вариант субтрактивной технологии с негативным процессом (с использованием сухого пленочного фоторезиста) (рис. 3.1.)

Рисунок 3.1 -- Негативный субтрактивный процесс с использованием СПФ

Методами фотолитографии с помощью сухого пленочного фоторезиста на поверхности фольги формируется защитная маска, представляющая собой изображение (рисунок) проводников. Затем открытые участки медной фольги подвергаются травлению, после чего фоторезист удаляется. Данный метод также называют химическим методом субтрактивного изготовления печатных плат. Химический метод используется для изготовления ПП 1-го и 2-го классов точности (реже при 3 и 4 классе точности). Чаще его используют в радиолюбительских конструкциях.

Его основные достоинства:

1) простой технологический процесс, который легко автоматизируется;

2) малое воздействие химических реагентов (примерно 25 мин);

3) высокая прочность сцепления фольги с диэлектриком.

При этом существуют и недостатки:

1) непроизводительный расход меди (около 60-90% фольги удаляется в процессе травления);

2) существует эффект бокового подтравливания токоведущих дорожек, что приводит к низкой разрешающей способности;

3) наличие экологических проблем из-за большого количества травильных растворов [8, 10].

Существует также и комбинированный негативный метод, который заключается в получении ПП методом химического травления с последующей металлизацией монтажных отверстий химическим и гальваническим методом. Исходным материалом служит двусторонний фольгированный диэлектрик. В негативном методе сначала вытравливаются проводники, а затем металлизируются отверстия. Единственным преимуществом данного метода на ранних этапах производства ПП было удобство сверления отверстий по рисунку. В силу больших недостатков последнего метода. чем химического, будет рассматривать в дальнейшем субтрактивную технологию с негативным процессом (с использованием сухого пленочного фоторезиста)

3.5 Выбор финишных и защитных покрытий

Защитное покрытие -- это диэлектрический материал, защищающий внешние проводящие слои от воздействия окружающей среды. Может быть как в виде полиимидной или ПЭТФ плёнки с нанесённом с одной стороны слоем адгезива, так и в виде жидкой фотопроявляемой композиции. Плёночные материалы характеризуются хорошо согласованной гибкостью с базовыми материалами, высокой электрической и механической прочностью, но обрабатываются, в основном, механическими способами, поэтому топология защитных слоёв имеет низкое разрешение.

Финишные покрытия печатных плат -- это металлические или органические покрытия, необходимые для защиты медной поверхности и улучшения паяемости. Бессвинцовые покрытия, получаемые по методу HASL (выравнивание припоя горячим воздухом), широко распространены в производстве печатных плат, и если заказчик не указывает необходимое финишное покрытие, то по умолчанию подразумевается, что производитель будет использовать бессвинцовый HASL.

Сухая пленочная маска обеспечивает хорошие результаты по тентированию переходных отверстий, наносится методом ламинирования. Исходя из выбранной технологии производства печатной платы в качестве защитного покрытия будет использоваться сухой пленочный фоторезист МЕ720.

На открытые от маски участки меди различными методами наносится финишное покрытие для обеспечения качественной пайки. В качестве финишного покрытия (паяльной маски) был выбран припой оловянно-свинцовый ПОС-61, наносимый методом горячего лужения.

3.6 Выбор материала основания и толщины печатной платы

Учитывая, что проектируемая печатная плата представляет собой стандартную двухстороннюю печатную плату, наиболее подходящим материалом основания (диэлектриком) является стеклотекстолит FR4.Фольгированный стеклотекстолит FR4 с температурой стеклования 135єС, 150єС и 170єС является наиболее распространенным материалом для производства односторонних и двухсторонних печатных плат. Толщина стеклотекстолита обычно варьируется от 0,5 до 3,0 мм. Достоинствами FR4 являются хорошие диэлектрические свойства, стабильность характеристик и размеров, высокая устойчивость к воздействию неблагоприятных климатических условий.

Учитывая, что проектируемая печатная плата будет иметь большое количество монтажных отверстий (ввиду большого количества элементов навесного исполнения), толщина платы не должна быть меньше 1,5 мм. В противном случае, прочность печатной платы с множественной перфорацией не гарантируется - она будет подвержена излому. Поэтому, в рамках данной работы, будет выбран наиболее распространенный текстолит FR4 с толщиной 1,5 мм, обеспечивающий требуемую прочность печатной платы.

3.7 Расчет элементов проводящего рисунка печатной платы

Размеры проводящего рисунка определяются электрическими параметрами функционального узла, расположенного на ПП - током, напряжением, частотой, другими, а также параметрами самой ПП - сопротивлением проводников, электрической прочностью, сопротивлением изоляции, допустимой токовой нагрузкой, электрической емкостью, помехозащищенностью.

В частности, от ширины проводников и расстояния между ними зависит погонная емкость, возникающая между параллельными проводниками и вызывающая паразитные связи.

От ширины проводников (сечения) зависят нагрузочная способность по току и сопротивление проводников.

От расстояния между проводниками зависит электрическая прочность изоляции. От соотношения ширины проводников и толщины ПП зависят емкость, волновое сопротивление, а также эффективная диэлектрическая проницаемость материала основания ПП.

Диаметр монтажных отверстий d_m определяется из следующего соотношения:

,

Где, d_э - максимальный диаметр вывода радиоэлемента, r - разность между минимальным и максимальным диаметром отверстия вывода радиоэлемента, d_н.о. - нижнее предельное отклонение диаметра отверстия (исходя из определенного класса точности печатной платы).

Учитывая, что максимальным диаметром вывода радиоэлемента является вывод интегральных микросхем в корпусе 201.14-1, можно установить d_э = 0,5 мм. Исходя из таб. 3.2, нижним предельным отклонением диаметра отверстия без металлизации является -0,1 мм. Следовательно, d_н.о = - 0,1 мм. Соответственно, разность между d_н.о и d_э является величиной r = 0,6 мм. Таким образом, диаметр монтажных отверстий d_м ? 1 мм_. C учетом гарантийный пояска контактной площадки, устанавливаемого 2 классом точности, номинальный диаметр контактной площадки D ? 1,2 мм

Наименьшее номинальное расстояние S между соседними элементами проводящего рисунка (проводниками, контактными площадками)

устанавливают в зависимости от электрических, конструктивных, технологических требований и рассчитываются либо по специальным формулам, либо выбираются исходя из параметров класса точности. Таким образом, исходя из выбранного 4 класса точности, S = 0,15 мм. Аналогично выбирается наименьшее номинальное значение ширины печатного проводника t = 0,15 мм. Действительная ширина проводника в разрабатываемой печатной плате составляет 0,2 мм исходя из расчетов п.3.3. Исходя из выбранной конструкции платы иных расчет диаметров переходных отверстий не производится.

3.8 Трассировка соединений на печатной плате

Трассиромвка печатных плат -- один из этапов проектирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), заключающийся в определении мест расположения проводников на печатной плате вручную или с использованием одной из САПР, предназначенной для проектирования печатных плат. Трассировка и проектирование печатной платы будет произведено в САПР Diptrace. Основным подготовительным этапом трассировки печатной платы является правильное расположение ЭРЭ на печатной плате.

Задача трассировки -- одна из наиболее трудоёмких задач, возникающих при автоматизации проектирования РЭА. Сложность объясняется, в частности многообразием способов конструктивно-технологической реализации соединений, для каждого из которых при алгоритмическом решении задачи применяются специфические критерии оптимизации и ограничения. С математической точки зрения трассировка -- задача выбора оптимального решения из огромного числа вариантов.

В ходе проектирования была реализована принципиальная схема заданного устройства (приложение А). В дальнейшем, данная принципиальная схема была преобразована в представление печатной платы. Первоначальный вид печатной платы без проведения трассировки представлен на рисунке 3.2

Рисунок 3.2 -- Начальный вид не трассированной печатной платы

Расстояния между электронными компонентами схемы выбирается равным не меньше, чем полученный в результате расчетов класс точности печатной платы (в данном случае данный показатель не должен быть меньше 0,15 мм для 4 класса точности).

Для минимизации пространства, занимаемого печатными проводниками и с целью исключения дополнительных наводок на длинных линиях передачи данных микросхемы устройства должны размещаться в максимальной близости друг относительно друга. Пример данного расположения показан на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 -- Расположение микросхем на печатной плате

Разъемы для подключения внешних потребителей необходимо расположить на печатной плате таким образом, чтобы обеспечить равномерный доступ проводников к каждой интегральной схеме и образуемыми ими подсхемами, при этом, данное расположение необходимо принимать таким образом, чтобы обеспечить удобство последующего корпусирования устройства РЭА и удобство подключения сторонних элементов к разработанному устройству. В (рис. 3.3). В данном случае, данное расположение наиболее удачно на краях печатного проводника, в частности - слева.



Рисунок 3.4 -- Размещение разъемов на ПП

После выставления требуемых настроек в соответствии с ранее произведенными расчетами (ширина проводника, диаметр монтажного отверстия, расстояние между соседними проводниками и т.п.) производится автоматическая трассировка. После автоматической трассировки сложные узлы трассируются вручную, а также устраняются ошибки предыдущего этапа. Вид трассированной печатной платы представлен на рис. 3.5 и рис. 3.6 (соответственно верхний и нижний слои).

Рисунок 3.5 -- Верхний слой разработанной ПП устройства РЭА



Рисунок 3.6 -- Нижний слой разработанной ПП устройства РЭА

Вид 3Д-модели разработанной печатной платы с установленными компонентами представлен на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7 -- 3Д-модель печатной платы с установленными компонентами

Таким образом, были обозначены основные положения разработки печатной платы на основании готовой принципиальной схемы.

4. Анализ электромагнитной совместимости

4.1 Определение задержки в короткой линии связи

Линия передачи на печатной плате представляет собой тип соединения, применяемый для перемещения сигналов от их передатчиков к приемникам (или от места их передачи к приему сигнала) на печатной плате. Линия передачи на печатной плате состоит из двух проводников: сигнальной трассы и возвратного пути сигнала, который обычно является слоем земли. Пространство между двумя проводниками состоит из диэлектрического материала печатной платы.

Ключевым аспектом распространения электрических сигналов по линии передачи является то, что линия обладает импедансом в каждой точке вдоль ее длины, и если геометрия линии остается одинаковой вдоль ее длины, то импеданс остается однородным. Такую линию обычно называют линией с контролируемым импедансом. Неравномерное сопротивление приводит к отражению и искажению сигнала. Это означает, что на высоких частотах линии передач должны иметь контролируемый импеданс, чтобы предсказать поведение сигналов.

Крайне важно не игнорировать эффекты линии передачи, чтобы избежать отражений сигнала, перекрестных помех, электромагнитных помех и других проблем, которые могут серьезно повлиять на качество сигнала и привести к ошибкам.

На высоких частотах линии передачи должны иметь контролируемое сопротивление, чтобы предсказать поведение сигналов и избежать отражений сигнала, перекрестных помех, электромагнитных помех и т.д., которые могут ухудшить качество сигнала и привести к ошибкам.

Когда частота сигналов (в случае аналоговых сигналов) или скорость передачи данных (в случае цифровых сигналов) низкая (менее 50 МГц или 20 Мбит/с), время прохождения сигнала от источника до приемника на печатной плате будет очень маленькой (<10%) по сравнению с периодом времени, составляющим четверть длины волны сигнала или самым быстрым временем нарастания/спада времени цифрового импульсного сигнала. В данном случае возможно приблизительно определить взаимосвязь, предположив, что сигнал в приемнике совпадает с сигналом в его источнике. В таких условиях низкой скорости сигнал печатной платы можно проанализировать обычными методами сетевого анализа, и мы можем игнорировать любые отражения линии передачи, время распространения сигнала и т.д.

При выполнении условия (длина линии меньше критической длины волны, деленной на 1,5), то она является «короткой» линией. В таком случае нет необходимости рассматривать ее влияние на линию передач, а также проектировать ее как линию с контролируемым импедансом. Критическая длина линии определяется, как

,

где - кратчайшее время нарастания/падения цифрового сигнала. Самое высокое содержание частоты в цифровом сигнале (при чтении или записи данных на жестком диске) во времени нарастания/падения времени (согласно анализу Фурье): . Принимая, что максимальная рабочая частота проектируемого устройства равна 8 МГц (см. п. 1.1), получаем, кратчайшее время нарастания/падения цифрового сигнала, равное 62,5 нс;

- скорость сигнала в полосковой линии. Для выбранного материала печатной платы скорость сигнала составляет 6,8 дюйм/нс.

Таким образом, получаем, что критическая длина волны равна 212,5 дюймов, или 539,75 см. То есть, условие короткой линии соблюдается для всех печатных проводников проектируемого устройства. Задержка распространения сигнала в «коротких» линиях определяется, как половина кратчайшего времени нарастания/падения цифрового сигнала, то есть 31,25 нс.

4.2 Определение перекрестной помехи

Перекрёстные помехи относятся к влиянию на соседние линии передачи из-за электромагнитной связи, когда сигнал передается по каналу передачи. Чрезмерные перекрестные помехи могут вызвать ложное срабатывание схемы, что приведет к неправильной работе системы. Изменяющийся сигнал (например, ступенчатый сигнал) распространяется от А к В по линии передачи, а связанный сигнал возникает на линии передачи от С к D. Когда изменяющийся сигнал возвращается к стабильному уровню постоянного тока, связанный сигнал также перестает существовать. Таким образом, перекрестные помехи возникают только в процессе скачкообразной перестройки сигнала, и чем быстрее изменяется сигнал, тем выше генерируемые перекрестные помехи.

Перекрёстные помехи можно разделить на перекрестные помехи ёмкостной связи (из-за изменения напряжения источника помех на объекте, который вызывает помехи, формируется индуцированный ток, что приводит к электромагнитным помехам) и перекрестные помехи индуктивной связи (из-за изменения тока источника помех, индуцируемое напряжение вызывается на объекте, вызывающем помехи, тем самым вызывая электромагнитные помехи. вызывают электромагнитные помехи).

Среди них сигнал перекрестных помех, генерируемый конденсатором связи, можно разделить на прямые перекрестные помехи и обратные перекрестные помехи Sc в сети-жертве, и эти два сигнала имеют одинаковую полярность; сигнал перекрестных помех, генерируемый связанным индуктором, также делится на прямые перекрестные помехи и обратные перекрестные помехи Sc. Эти два сигнала имеют противоположную полярность. И взаимная емкость, и взаимная индуктивность связаны с перекрестными помехами, но их необходимо рассматривать отдельно.

Когда обратный путь представляет собой широкую однородную плоскость, как в большинстве связанных линий передачи на печатной плате, количество емкостных и индуктивных токов связи примерно одинаково.

В это время необходимо предсказать количество перекрестных помех между ними. Если среда параллельного сигнала фиксирована, то есть в случае полосковой линии, то прямые перекрестные помехи, вызванные связанными индуктивностью и емкостью, примерно равны и компенсируют друг друга, поэтому необходимо учитывать только обратные перекрестные помехи. Если среда параллельного сигнала не фиксирована, то есть в случае микрополосковой линии, прямые перекрестные помехи, вызванные индуктивностью связи, больше, чем прямые перекрестные помехи, вызванные емкостью связи, с увеличением параллельной длины, поэтому перекрестные помехи внутреннего параллельного сигнала выше, чем у поверхностного слоя. Перекрестные помехи параллельных сигналов малы. Эквивалентная электрическая схема перекрестной связи представлена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 -- Эквивалентная электрическая схема перекрестной связи

Расчет перекрестных помех является достаточно сложным, обычно для учета влияния данного вида помех необходимо использовать компьютерное моделирование прохождения сигналов по печатной плате для оценки их взаимного влияния. Существует достаточно много методов для уменьшения перекрестных помех на печатных платах.

Для уменьшения перекрестных помех на печатных платах вводится проводник массы между двумя сигнальными проводниками. Тогда влияние перекрестных помех уменьшается в несколько раз. При этом «земляной» провод должен быть раза в 3 шире сигнальных проводников, а расстояния между проводниками должны быть равны ширине сигнальных проводников.

Заключение

Таким образом, было произведено проектирование печатной платы цифрового устройства. В рамках достижения цели курсовой работы были выполнены следующие задачи:

- выполнен анализ Технического задания и электрической принципиальной схемы;

- выбрана основная и вспомогательная компонентная база;

- обозначены основные положения разработки печатной платы, такие как:

1) выбор конструкции печатной платы;

2) расчет геометрических размеров печатной платы;

3) определение класса точности печатной платы;

4) выбор финишных и защитных покрытий;

5) выбор материала основания и толщины печатной платы;

6) расчет элементов проводящего рисунка печатной платы;

7) расчет диаметров монтажных и переходных отверстий;

8) трассировка соединений на печатной плате;

- выполнен анализ электромагнитной совместимости, в рамках чего определены задержки в короткой линии связи и определены перекрестные помехи;

- в завершение работы был разработан комплект проектно-конструкторской документации.

Выполненные задачи позволяют считать, что поставленная в работе цель проектирования печатной платы цифрового устройства, достигнута.

печатный плата электромагнитный

Список используемой литературы

1. ГОСТ 7.32-2017 Р. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления. - М.: Стандартинформ, 2017.

2. Авдеев, В.А. Периферийные устройства: интерфейсы, схемотехника, программирование / В.А. Авдеев. - М.: ДМК, 2016. - 848 c.

3. Амелин С.А. Схемотехника Часть 2: конспект курса лекций / С.А. Амелин. - Смоленск: Смоленский филиал Моск. Энерг. института, 2018. - 150 с.

4. Титце У. Полупроводниковая схемотехника: справочное руководство / У. Титце, К. Шенк. - М.: Мир, 1982. - 512 c.

5. Схемы генераторов импульсов (мультивибраторы, автогенераторы)

6. Шустов М.А Практическая схемотехника. Разработка цифровых систем управления и автоматического регулирования.Кн.4. Изд.2. / М.А Шустов. - М.: Додэка XXI, 2007. - 184 c.

7. Шустов М.А Цифровая схемотехника. Основы построения / М.А Шустов. - СПб.: Наука и техника, 2018. - 320 c.

8. Шустов М.А Цифровая схемотехника. Практика применения / М.А Шустов. - СПб.: Наука и техника, 2018. - 432 c.

Приложение А

Схема электрическая принципиальная

Приложение Б

Перечень элементов

Приложение В

Чертеж платы печатной



Размещено на Allbest.ru

...