Анализ электрической принципиальной схемы модуля

Введение

 

В курсовом проекте рассматривается устройство «Блок выравнивания порядков и сдвига мантисс». Это устройство сдвигает мантиссы относительно друг друга, так чтобы их порядки стали равными. Это необходимо при сложении мантисс, чтобы веса единиц одноимённых разрядов мантиссы чисел были одинаковыми. Устройство применяется в микропроцессорах и в микропроцессорных системах. Данная схема устанавливается и эксплуатируется на автомобилях и автоприцепах, железнодорожном и гусеничном транспорте, на судах различных классов, на борту самолетов и вертолетов. В курсовом проекте будет рассматриваться применение данной схемы на автомобильном транспорте в серийном производстве.

В курсовом проекте обоснуем выбор данной схемы за счет расчетов основных параметров таких как: выбор варианта конструкции модуля, анализ электрической принципиальной схемы, анализ элементной базы, выбор класса точности ПП, метод изготовления, выбор материалов, расчет надежности, тем самым докажем, что схема удовлетворяет нашим требованиям.

 

 

Конструкторский раздел

 

Конструкторский раздел содержит сведения о функциональном назначении разрабатываемого изделия, каким конструктивным, технологическим и потребительским требованиям оно будет удовлетворять, а также какие внешние факторы будут влиять на его работоспособность и на каких объектах предназначается использовать данный блок.

 

2.1 Выбор варианта конструкции модуля

 

Для выбора варианта изготовления блока по электрической схеме определим суммарную мощность рассеивания всех элементов.

Если мощность менее 3 Вт, то блок будет изготавливаться в виде ГИС. Если более, то блок будет представлять собой модуль 1-го уровня.

Суммарная мощность потерь всех элементов подсчитывается по формуле:

 

 

 

где:

суммарная мощность рассеяния сопротивлений;

суммарная мощность микросхем;

суммарная мощность других элементов.

 

 

 

 

Вывод: суммарная мощность рассеивания всех элементов превышает 3 Вт, поэтому блок будет реализован в виде модуля 1-го уровня на печатной плате.

 

Выбор класса точности ПП

ГОСТ 23751-86 устанавливает 5 классов точности ПП, каждый из которых характеризуется допустимым значением номинальной ширины проводника, расстоянием между проводниками и другими параметрами. Ниже приведена таблица параметров для класса точности ПП.

электрический блок проводник мантисса

Таблица. Наименьшие номинальные значения основных параметров для классов точности ПП

Условные обозначения элементов печатного монтажа	Класс точности ПП
	1	2	3	4	5
t, мм	0,75	0,45	0,25	0,15	0,10
S, мм	0,75	0,45	0,25	0,15	0,10
b, мм	0,30	0,20	0,10	0,05	0,025
	0,40	0,40	0,33	0,25	0,20
∆t, мм (без покрытия)	±0,15	±0,10	±0,05	±0,03	0; -0,03
∆t, мм (с покрытием)	+0,25; -0,20	+0,15; -0,10	±0,10	±0,05	±0,03
, мм - ОПП, ДПП, МПП (наружный слой)	0,20	0,10	0,05	0,03	0,02
, мм - МПП (внутренний слой)	0,30	0,15	0,10	0,08	0,05

Примечание. t - наименьшая номинальная ширина проводника; S - наименьшее номинальное расстояние между проводниками; b - минимально допустимая ширина контактной площадки; d - номинальное значение диаметра наименьшего металлизированного отверстия; H - толщина ПП; ∆t - предельное отклонение ширины печатного проводника, контактной площадки, концевого печатного контакта и др.;  - позиционный допуск расположения печатного проводника относительно соседнего элемента проводящего рисунка.

 

Область применения классов точности:

-  1 и 2 классы - для ПП с дискретными ЭРИ при малой и средней насыщенности поверхности ПП ЭРИ;

-  3 класс - для ПП с МСБ и ЭРИ, имеющих штыревые и планарные выводы, а также с безвыводными ЭРИ при средней и высокой насыщенности поверхности ПП ЭРИ;

-  4 класс - для ПП с ЭРИ и ПМК, имеющих штыревые и планарные выводы, а также с безвыводными компонентами, при средней и высокой степени насыщенности поверхности ПП ЭРИ и ПМК;

-  5 класс - для ПП с БИС и МСБ, имеющих штыревые и планарные выводы, ПМК при очень высокой насыщенности поверхности ПП ЭРИ и ПМК.

Печатные платы 1 и 2 классов точности наиболее просты в исполнении, надёжны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость; для ПП 3 класса точности необходимо использовать высококачественные материалы, более точный инструмент и оборудование; для ПП 4 и 5 классов - специальные материалы, прецизионное оборудование, особые условия при изготовлении; ПП 6 и 7 классов - это высокоплотные ПП, для которых нужны специальные конструкции, материалы и технологическое оснащение.

Вывод: разрабатываемый блок состоит из микросхем 555 серии, которые имеют высокое быстродействие и хорошую надёжность. Он применяется в железнодорожный транспорт, поэтому также важны и габаритно-массовые характеристики. Таким образом, выберем 3 класс точности. Печатные платы 3-гo класса - наиболее распространенные, поскольку, с одной стороны, обеспечивают достаточно высокую плотность трассировки и монтажа, а с другой - для их производства требуется стандартное, хотя и специализированное, оборудование.

 

Выбор базовых материалов

Выбор расходных материалов

При пайке, как ручной, так и автоматической, применяют припои и флюсы. Выбор конкретных марок и составов припоев и флюсов осуществляется в соответствии с отраслевым стандартом ОСТ4.ГО.033200. «Припои и флюсы для пайки. Марки, состав, свойства и область применения».

Выбор припоя

Критериями выбора припоя являются максимально допустимая температура пайки, смачиваемость, прочность, стоимость, технологические возможности предприятия.

Сравним ПОС-61 и эвтектический бессвинцовый припой Sn95,5/Ag3,8/Cu0,7.

 

Таблица. Сравнение температуры плавления и кристаллизации припоев.

Припой	Температура плавления оС	Температура кристаллизации оС
Sn95,5/Ag3,8/Cu0,7	217	210
Sn61/Pb39	190	187

 

Принципиальное отличие бессвинцовых припоев от эвтектических сплавов олово-свинец в их большой температуре плавления и плохой смачиваемости. Температура плавления ПОС-61 около 190℃, а у Sn/Ag - 221℃, Sn/Ag/Cu - 217℃. Увеличение температуры плавления может привести к термодеструкции элементов межсоединений и изоляции, что снижает надёжность электронной аппаратуры. У припоя Sn/Ag/Cu смачиваемость лучше по сравнению с Sn/Ag за счёт добавления меди, но недостаточна по сравнению с ПОС-61.

Вывод: таким образом, применять бессвинцовые эвтектические припои не будем. Выберем припой ПОС-61.

 

Выбор флюса

Основные требования, предъявляемые к флюсам:

-  флюс должен легко, быстро, равномерно растекаться по поверхности паяемых материалов;

-  флюс хорошо должен протекать в зазоры, переходные отверстия и легко вытесняться из них расплавленным припоем;

-  флюс должен обладать высокой термической стабильностью при температуре пайки, не выделять токсичных продуктов;

-  флюс не должен вызывать коррекции паяемых материалов и припоев, снижать электрическое сопротивление изоляции диэлектрических промежутков, легко удаляться после пайки;

-  точка плавления флюса должна быть ниже температуры полного расплавления припоя;

-  флюс должен обеспечить создание защитной среды, снижение поверхностного напряжения припоя, смачивание и растекание его по поверхности;

-  применение флюса должно быть экономически эффективным.

Вывод: выберем спиртоканифольный флюс. Он прост в приготовлении, обеспечивает высокое качество пайки, хорошую смачиваемость поверхности, гарантированно затекает в зазоры между любыми паяемыми деталями.

 

Расчётная часть

 

В расчётной части курсового проекта необходимо произвести конструктивный расчёт элементов проводящего рисунка ПП, расчёт технологичности конструкции и расчёт показателей надёжности модуля первого уровня.

 

Расчёт технологичности

Количественная оценка уровня технологичности электронных узлов проводника по системе базовых показателей (ГОСТ 14.201-73).

Вид изделия, объём выпуска и такт производства - главные факторы, определяющие требования к технологичности конструкции изделия.

По базовым показателям рассчитывается комплексный показатель технологичности (). Уровень технологичности разрабатываемой конструкции ЗУ ( определяется как отношение комплексного показателя технологичности к значению нормативного показателя ( данного вида производства.

 

 

 

Комплексный показатель технологичности рассчитывается по формуле:

 

 

 

где:

 значение показателей по таблице ОСТ4.ГО.091.219 «Узлы и блоки РЭА. Методика оценки и нормативы показателей технологичности конструкции»;

 функция, нормирующая весомую значимость показателя в зависимости от его порядкового номера в таблице;

 общее количество относительных частных показателей в таблице для данной стадии проектирования изделия.

Конструктивные показатели рассчитываются по следующим формулам:

.   Коэффициент использования МС

 

 

 

где:

 количество ИМС в схеме;

количество прочих навесных элементов (резисторов, разъёмов).

.   Коэффициент автоматизации и механизации монтажа

 

 

 

где:

количество соединений, которые могут осуществляться механизированным или автоматизированным способом;

общее количество контактных соединений.

.   Коэффициент автоматизации и механизации подготовки ЭРЭ к монтажу

 

 

 

где:

количество навесных элементов, подготавливаемых к монтажу механизированным способом;

общее количество навесных элементов.

.   Коэффициент автоматизации и механизации операций контроля и настройки

 

 

 

где:

количество операций контроля и настройки, которые можно осуществить механизированным способом;

общее количество операций контроля и настройки.

.   Коэффициент повторяемости ЭРЭ

 

 

 

где:

общее количество типоразмеров ЭРЭ в изделии;

 общее количество ЭРЭ в изделии.

.   Коэффициент применяемости ЭРЭ

 

 

 

где:

количество типоразмеров оригинальных ЭРЭ в изделии;

 общее количество типоразмеров в изделии.

.   Коэффициент прогрессивности формообразования деталей

 

 

 

где:

количество деталей, заготовки которых или сами детали получены прогрессивным методом формообразования;

общее количество деталей в изделии (без нормализованного крепежа).

 

Таблица. Значения коэффициентов технологичности и их значимость

№	Показатель	Обозначение	Значение	Коэффициент значимости
1	Коэффициент использования МС		0,94	1,0
2	Коэффициент автоматизации и механизации монтажа		1	1,0
3	Коэффициент автоматизации и механизации подготовки ЭРЭ к монтажу		0,03	0,8
4	Коэффициент автоматизации и механизации операций контроля и настройки		0	0,5
5	Коэффициент повторяемости ЭРЭ		0,86	0,3
6	Коэффициент применяемости ЭРЭ		1	0,2
7	Коэффициент прогрессивности формообразования деталей		0	0,1

 

Таким образом, комплексный показатель технологичности равен:

 

 

 

 

 

 

Диаграмма нормативных показателей технологичности изделий для модулей первого уровня:

 

 

 

На основании результатов расчётов можно сделать вывод о том, что конструкция печатной платы технологична для мелкосерийного производства.

 

Расчёт надёжности

 

Таблица. номинальная интенсивность отказа элементов.

Тип элемента	Количество элементов	Номинальная интенсивность отказов,
Микросхемы КМ555	34	0,01
Резистор С2-23	1	0,5
Разъём ГРПМ-61	1	0,05
Плата печатная	1	0,7
Паяные соединения	637	0,01

 

Средняя наработка на отказ должна быть больше 10000 часов. Система является нерезервированной. Расчёт выполняется по внезапным отказам и заключается в определении показателей надёжности по известным характеристикам надёжности составляющих компонентов (ЭРИ, ПП, паяных соединений и др.).

Определим интенсивность отказов устройства в целом:

 

 (1/час)

 

где:

интенсивность отказов элементов группы;

число элементов в  группе;

число групп элементов.

 

Определим среднюю наработку на отказ модуля первого уровня по формуле:

 

 

 

Вероятность безотказной работы блока рассчитывается по формуле:

 

 

 

где  выбирается из ряда 1000, 2000, 4000, 8000, 16000 часов.

 

 

 

 

 

Надёжным считается изделие с .

Построим график зависимости

 

 

Вывод: по графику можно легко определить вероятность безотказной работы в любой момент времени. Так, например, время работы функционального узла при вероятности безотказной работы более 0,9 составляет приблизительно 12500 часов.

Введение

 

В курсовом проекте рассматривается устройство «Блок выравнивания порядков и сдвига мантисс». Это устройство сдвигает мантиссы относительно друг друга, так чтобы их порядки стали равными. Это необходимо при сложении мантисс, чтобы веса единиц одноимённых разрядов мантиссы чисел были одинаковыми. Устройство применяется в микропроцессорах и в микропроцессорных системах. Данная схема устанавливается и эксплуатируется на автомобилях и автоприцепах, железнодорожном и гусеничном транспорте, на судах различных классов, на борту самолетов и вертолетов. В курсовом проекте будет рассматриваться применение данной схемы на автомобильном транспорте в серийном производстве.

В курсовом проекте обоснуем выбор данной схемы за счет расчетов основных параметров таких как: выбор варианта конструкции модуля, анализ электрической принципиальной схемы, анализ элементной базы, выбор класса точности ПП, метод изготовления, выбор материалов, расчет надежности, тем самым докажем, что схема удовлетворяет нашим требованиям.

 

 

Конструкторский раздел

 

Конструкторский раздел содержит сведения о функциональном назначении разрабатываемого изделия, каким конструктивным, технологическим и потребительским требованиям оно будет удовлетворять, а также какие внешние факторы будут влиять на его работоспособность и на каких объектах предназначается использовать данный блок.

 

2.1 Выбор варианта конструкции модуля

 

Для выбора варианта изготовления блока по электрической схеме определим суммарную мощность рассеивания всех элементов.

Если мощность менее 3 Вт, то блок будет изготавливаться в виде ГИС. Если более, то блок будет представлять собой модуль 1-го уровня.

Суммарная мощность потерь всех элементов подсчитывается по формуле:

 

 

 

где:

суммарная мощность рассеяния сопротивлений;

суммарная мощность микросхем;

суммарная мощность других элементов.

 

 

 

 

Вывод: суммарная мощность рассеивания всех элементов превышает 3 Вт, поэтому блок будет реализован в виде модуля 1-го уровня на печатной плате.

 

Анализ электрической принципиальной схемы модуля

Разрабатываемый блок является цифровым. Он выполняет операцию выравнивания порядков и сдвига мантисс над двоичными числами А и В с плавающей запятой.

БВПИСМ состоит из 34 микросхем, одного резистора и разъёма. Для компактного размещения на ПП их надо расположить как можно ближе друг к другу. В этом случае могут возникнуть пересечения проводников. Для решения этой проблемы необходимо увеличить габариты печатной платы. Но т.к. блок применяется в космосе, к нему предъявляются жёсткие требования, касающиеся и габаритно-массовых характеристик. Поэтому изготовление схемы на односторонней печатной плате нецелесообразно.

Параметры, влияющие и усложняющие компоновку ЭРИ, конструкции модуля и ПП:

-  диапазон рабочих частот 600-800 кГц (позволяет выбрать соответствующий материал основания ПП: для НЧ и ВЧ - стеклотекстолит, для СВЧ - фторопласт, полиамид);

-  быстродействие (в цифровой ЭА быстродействие зависит от длины проводников и материала, из которого изготавливается плата; длина проводников должна быть минимальна, а скорость распространения сигналов обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости материала);

-  рассеиваемая мощность  (установка радиаторов или другие способы охлаждения не требуются, блок будет охлаждаться естественно);

-  величина действующих токов и напряжений (влияет на выбор класса точности (ширину проводников) и расстояние между проводниками).

 

Таблица. Результаты анализа электрической принципиальной схемы

Максимальная частота, МГц

Напряжение, В

Сила тока, А

Быстродействие, с

Уровни логической «1», В

Уровни логического «0», В

Цепь

Теплонагруженные ЭРИ

Входная

Выходная

Земля

Питание

Высокочастотная

Импульсных сигналов

2,7

0,4

есть

есть

есть

Им-пульс-ный ток

нет

есть

нет

 

Вывод: разрабатываемый блок представляет собой типовой элемент замены (ТЭЗ), т.е. печатную плату с установленными на ней модулями нулевого уровня и электрическим соединителем

 

Анализ элементной базы

Элементная база разрабатываемого блока в основном состоит из отечественных микросхем 555 серии.

 

Таблица. Типовые параметры 555 серии

время задержки распространения	удельная потребляемая мощность	работа переключения	коэффициент разветвления по выходу	напряжение питания
9,5 нс	2 мВт/лэ	19 пДж	20	+5 В

 

Выпускается в пластмассовых (555, К555) и металлокерамических (КМ555) корпусах с вертикальным расположением выводов типа DIP.

В БВПИСМ будут использоваться микросхемы в металлокерамических корпусах, т.к. это позволяет использовать их в более неблагоприятных условиях (они имеют больший диапазон рабочих температур, выше надёжность и т.д.) по сравнению с микросхемами в пластмассовых корпусах.

Отклонение напряжения питания от номинального значения 5 %.

Диапазон рабочих температур: для К555, 555             -10…+70 ℃;

для КМ555              -45…+85 ℃.

Диапазон рабочих температур для КМ555 соответствует условиям эксплуатации.

 

Таблица. Предельно допустимые значения параметров и режимов эксплуатации ИС К555, КМ555 в диапазоне рабочих температур

кратковременное, в течение 5 мс, напряжение питания	максимальное постоянное напряжение питания	минимальное постоянное напряжение питания	максимальное напряжение между входами	минимальное отрицательное напряжение на входе	максимальное напряжение логического «0» на входе	минимальное напряжение логической «1» на входе	максимальный выходной ток логического «0»	максимальный выходной ток логической «1»	максимальная ёмкость нагрузки
7 В	5,25 В	4,75 В	5,5 В	0,4 В	0,8 В	2,0 В	8 мА		15 пФ

 

Т.к. все ИМС, используемые в блоке, принадлежат к одной и той же серии микросхем, это значит, что они полностью совместимы по электрическим, конструктивным и другим параметрам, а также по условиям эксплуатации.

Для определения функциональной сложности модуля нужно знать, сколько ИМС используется в нём:

-  малая (1 группа сложности) до 12 ИМС;

-  средняя (2 группа сложности) 12-50 ИМС;

-  высокая (3 группа сложности) более 50 ИМС.

Т.к. в разрабатываемом блоке 34 микросхемы, функциональная сложность модуля - средняя.

Выбор конструктивной сложности зависит от количества выводов элементов блока:

-  малая - менее 300 выводов;

-  средняя - от 300 до 500 выводов;

-  высокая - более 500 выводов.

Таким образом, конструктивная сложность разрабатываемого блока - высокая, т.к. он имеет 618 выводов.

К шагу координатной сетки привязаны все элементы конструкции ПП (контактные площадки, проводники, отверстия и т.д.), а также ЭРИ и ПМК.

Шаг координатной сетки выбирают таким образом, чтобы он соответствовал шагу расположения выводов большинства ЭРИ и ПМК, устанавливаемых на ПП. В разрабатываемом блоке используются в основном микросхемы. Следовательно, шаг координатной сетки будет равен 1,75 мм, т.е. минимальному шагу их выводов.

Форма и размер монтажных отверстий и контактных площадок зависят от геометрии выводов ЭРИ: круглые отверстия и КП применяются для штыревых выводов, прямоугольные или квадратные КП - для планарных выводов или ПМК.

У микросхем КМ555ИР23 тип корпуса 2140.20-1.

 

 

Установочная площадь:

У микросхем КМ555ИР11, КМ555ИЕ17 тип корпуса 238.16-1.

У микросхем КМ555ИМ6, КМ555СП1, КМ555КП11 тип корпуса 238.16-2.

 

 

Установочная площадь:

У микросхем КМ555ИМ5, КМ555ЛН1, КМ555ЛИ1, КМ555ЛП5, КМ555ЛЕ4, КМ555ЛИ3, КМ555ЛЛ1 тип корпуса 201.14-1.

 

 

Установочная площадь:

Разъём ГРПМ предназначен для соединения электрических цепей постоянного, переменного (частотой до 3 МГц) и импульсного тока электро- и радиотехнической аппаратуры

 

где:

Установочная площадь:

Резистор С2-23-0,125 постоянный непроволочный общего применения. Предназначен для использования в цепях постоянного, переменного и импульсного тока.

 

 

где:

 

 

 

Установочная площадь:

Ниже приведена таблица характеристик элементной базы.

 

Таблица. Характеристика элементной базы

Наименование ЭРИ	Количество, шт.	Конструктивные параметры						Допустимые условия эксплуатации
		Масса, г	Количество выводов, шт.	Диаметр выводов, мм	Штыревые или планарные	Установочная площадь, мм2	Интенсивность отказа, λ=1× 10-6 1/час	Диапазон температур, ℃
Микросхема КМ555ИР23	12	3,6	20	0,55	ш	288,9	0,01	-45…+85
Микросхема КМ555ИР11	2	1,2	16	0,5	ш	230,05	0,01	-45…+85
Микросхема КМ555ИМ6	4	1,2	16	0,5	ш	230,05	0,01	-45…+85
Микросхема КМ555ИМ5	1	1	14	0,5	ш	208,65	0,01	-45…+85
Микросхема КМ555СП1	2	1,2	16	0,5	ш	230,05	0,01	-45…+85
Микросхема КМ555ИЕ17	1	1,2	16	0,5	ш	230,05	0,01	-45…+85
Микросхема КМ555КП11	4	1,2	16	0,5	ш	230,05	0,01	-45…+85
Микросхема КМ555ЛН1	1	1	14	0,5	ш	208,65	0,01	-45…+85
Микросхема КМ555ЛИ1	1	1	14	0,5	ш	208,65	0,01	-45…+85
Микросхема КМ555ЛП5	3	1	14	0,5	ш	208,65	0,01	-45…+85
Микросхема КМ555ЛЕ4	1	1	14	0,5	ш	208,65	0,01	-45…+85
Микросхема КМ555ЛИ3	1	1	14	0,5	ш	208,65	0,01	-45…+85
Микросхема КМ555ЛЛ1	1	1	14	0,5	ш	208,65	0,01	-45…+85
Резистор С2-23-0,125	1	0,15	2	0,5	ш	23	0,5	-60…+85
Разъём ГРПМ-61	1	35	61	0,65	ш	1300	0,05	-40…+70
Плата печатная	1	50				18000		-60…+105
Контактные соединения	618

 

Вывод: на основе проведённого анализа электрической принципиальной схемы модуля и элементной базы можно сделать вывод о том, что предположительной конструкцией ПП будет двухсторонняя ПП.