Разработка печатного узла портативного частотомера

Sheet 1: Лист1

Sheet 2: Лист2

НациональныйтехническийуниверситетУкраины "КПИ"

Кафедра КиПЭВА

Киев - 2000

СОДЕРЖАНИЕ

ТЕХНИЧЕСКОЕЗАДАНИЕ НАРАЗРАБОТКУПЛАТЫ ПОРТАТИВНОГОЧАСТОТОМЕРА.3

1.Выбор и обоснованиепримененияэлементнойбазы.5

1.1. Резисторы,конденсаторы,диоды и другиедискретныекомпоненты.5

1.2. Интегральныемикросхемы.5

2.Конструкторско-технологическийрасчет печатнойплаты.7

2.1. Определениеминимальногодиаметраметаллизированногоотверстия7

2.2. Определениеминимальногодиаметра монтажногоотверстия8

2.3. Определениеминимальногодиаметра контактнойплощадки8

2.4. Определениеширины проводников8

2.5. Определениеминимальногорасстояниямежду проводникоми КП с МО9

2.6. Определениеминимальногорасстояниямежде двумясоседними КП9

3.Электрическийрасчет печатнойплаты9

3.1. Определениемаксимальногопадения напряженияна проводниках9

3.2. Определениемощности потерь10

3.3. Определениеемкости междудвумя параллельноидущими проводникамина одной сторонеПП10

3.4. Определениевзаимнойиндуктивностимежду двумяпараллельноидущими проводникамина одной сторонеПП10

3.5. Определениеемкости междудвумя параллельноидущими проводникамина разных сторонахПП11

4.Размещениеконструктивныхэлементов11

5.Расчет основныхпоказателейнадежности12

ВЫВОДЫ13

Литература14

ТЕХНИЧЕСКОЕЗАДАНИЕ НАРАЗРАБОТКУПЛАТЫ ПОРТАТИВНОГОЧАСТОТОМЕРА.

1.Наименованиеи область применения.

Портативныйчастотомерпредназначендля измерениячастоты входногосигнала в широкомдиапазонечастот.

2. Основаниедля разработки.

Основаниемдля разработкиявляется заданиена курсовойпроект.

3. Цель и назначениеразработки.

Цельюданной разработкиявляется создание,конструкторско-технологическийи электрическийрасчеты печатногоузла портативногочастотомера.

4.Источник разработки.

Источникомразработкиявляется схемаэлектрическаяпринципиальнаяпортативногочастотомера.

5.Техническиетребования.

5.1.Состав изделияи требованияк разрабатываемомуустройству.

Устройствоизготавливаетсяв виде отдельногопечатного узлаи содержитсхему собственночастотомераи схему индикации.

5.2.Показателиназначения.

5.2.1.Число входов– 1.

5.2.2.Питание схемыосуществляетсяот внешнегоисточникапитания напряжением9 В.

5.2.3.Диапазон измеряемыхчастот – 5 Гц…100кГц.

5.3.Требованияк надежности.

Среднеевремя наработкина отказ – неменее 20000 часов.

5.4.Требованияк технологичности.

Ориентированныена передовыеприемы изготовлениядеталей и сборки.

5.5.Требованияк уровню унификациии стандартизации.

Максимальноиспользоватьстандартныеи унифицированныедетали и изделия.

5.6.Требованиябезопасностиобслуживания.

Руководствоватьсяобщими требованиямитехники безопасностик аппаратуренизкого напряженияГОСТ 12.2.007-75.

5.7.Требованияк составнымчастям изделия,сырью, исходными эксплуатационнымматериалам.

Покупныеизделия и материалыиспользоватьбез ограничений.Для изготовленияплаты спользуютсяпокупные изделия.

5.8.Условия эксплуатации.

КлиматическоеисполнениеУХЛ 3.1. ГОСТ 15150-69.

Температурарабочая-10…+60 С

Влажностьвоздуха (верхнеезначение)90% при25 С

Атмосферноедавление600…800мм рт.ст.

5.9.Требованияк маркировкеи установке.

Изделиедолжно содержатьмаркировкутоварногознака, заводскогономера, датыизготовления,органов управления,мест подключения.Изделие упаковыватьв отдельнуютару.

5.10.Требованияк транспортированиюи хранению.

Группаусловий храненияЛ1 по ГОСТ 15150-69.Хранить в закрытыхотапливаемыхпомещениях.

Температуравоздуха+1…+40 С

Относительнаявлажностьвоздуха65% при20 С

Атмосферноедавление84…106кПа

Транспортироваттьавтомобильными железнодорожнымтранспортомв транспортнойтаре.

1. Выбор и обоснованиепримененияэлементнойбазы.

Длясозданияразрабатываемогоустройствасогласно техническомузаданию необходимоприменитькомплектующиеотечественногопроизводстваи максимальноиспользоватьстандартныекомпонентыи изделия. Исходяиз этого выборэлементнойбазы будетследующим.

1.1. Резисторы,конденсаторы,диоды и другиедискретныекомпоненты.

Дляпримененияв разрабатываемомустройствебыли выбранырезисторы маркиМЛТ мощностью0,25 Вт. Выбор былсделан, исходяиз соображенийдостаточнойнадежности,точности инизкой общейстоимостиприбора. Резисторымарки МЛТ вдостаточнойстепени удовлетворяютвышеприведеннымтребованиями являютсяодной из наиболеераспространенныхмарок резисторов,что сыгралорешающую рольпри их выборе.Другие дискретныекомпонентывыбраны исходяиз аналогичныхсоображений.

1.2. Интегральныемикросхемы.

Ввидубольшого разнообразиясерий микросхем,пригодных дляиспользованияв разрабатываемомустройствеи значительногоколичествапараметровмикросхем, ихвыбор аналогичновыбору дискретныхкомпонентовзатруднителен.Поэтому воспользуемсяметодом выборакомпонентовпо матрицепараметров.Данный методзаключаетсяв следующем.

Вматрицу параметровзаносятсяпараметрыэлементов, изкоторых необходимовыбрать один.В нашем случаемикросхемыбудем выбиратьсреди серий К176, К561, К155, К555. Выборбудем производитьпо следующимпараметрам:напряжениевыхода нуляU_вых0 ;напряжениевыхода единицыU_вых1 ; токпотребленияI_пот ; входнойток I_вх. Для этих данныхматрица параметровбудет иметьследующий вид:

b_j– весовой коэффициентпараметра,который учитываетзначимостьпараметра.

Параметрыматрицы необходимопересчитатьтак, чтобы большемузначению параметрасоответствовалолучшее свойствоэлемента. Таккак лучшимисвойствамимикросхемыявляются низкоевыходное напряжениенуля, высокоевыходное напряжениеединицы, низкиевходной токи ток потребления,параметрыU_вых0, I_пот,I_вх необходимопересчитать(взять обратнуювеличину). Послепересчетапараметровматрица параметровпримет вид:

Далеепараметрыматрицы нормируютпо следующейформуле:

, где y_ij– элементматрицы параметров,стоящий в i-йстроке и j-мстолбце а_ij– аналогичныйэлемент внормированнойматрице.

Посленормированияматрица параметровпримет вид:

Дляобобщенияанализа параметроввводят оценочнуюфункцию Q:

, m – количествострок в матрицепараметров.

Послепроведениярасчетов значенияоценочнойфункции вышлиследующими:

Необходимаясерия ИМС выбирается,исходя изминимальногозначения оценочнойфункции. Наоснованиипроведенныхрасчетов дляиспользованияв разрабатываемомустройствевыбираем сериюК176.

Примечание:микросхемыDD8-DD12 (см.перечень элементов)были выбраныиз серии К561 т.к.в серии К176 нетэлемента необходимоготипа элемента,а серия К561 имеетзначение оценочнойфункции, максимальноблизкое к этомузначению усерии К176.

ОперационныйусилительК544УД2А (DA1)выбираетсяаналогичнымобразом.

2. Конструкторско-технологическийрасчет печатнойплаты.

Приизготовлениипечатной платыбудем использоватьв качествеоснованиястеклотекстолитфольгированныйдвустороннийтолщиной 2 мм,толщина фольги35 мкм, маркиСФ-2-35-2,0. Способнанесениярисунка разводки– фотохимический.Класс печатнойплаты – 3.

2.1. Определениеминимальногодиаметраметаллизированногоотверстия

,где К_gt– отношениедиаметраметаллизированногоотверстия ктолщине печатнойплаты (ПП), мм; h_пп –толщина печатнойплаты. В нашемслучае К_gt= 0,33 ; h_пп = 2 мм,d₀₁ = 0,66 мм.

2.2. Определениеминимальногодиаметра монтажногоотверстия

,где d_ВЭ– диаметр выводаэлемента, мм; h₀ – толщинамедного слоя,мм; ` - зазормежде выводом конструктивногоэлемента (КЭ)и стенкой отверстия,мм ; ₀– погрешностьрасположенияотверстийотносительноузла координатнойсетки (КС).

Внашем случае(при h₀ =0,035 мм; ` =0,15 мм; ₀= 0,07 мм):

Элемент	dВЭ, мм	dМО,мм
ИМС	0,5	0,94
Резисторы	0,7	1,14
Постоянныеконденсаторы	0,6	1,04
Подстроечныйконденсатор	2,5	2,94

Т.к.диаметры отверстийрекомендуетсявыбирать изряда номинальныхзначений, выберемвсе диаметрыотверстийравными 1,3 мм,а диаметр отверстийпод подстроечныйконденсатор– 3 мм.

2.3. Определениеминимальногодиаметра контактнойплощадки

Формуладля расчетаучитываетпогрешностьизготовленияи подтравливаниефольги приизготовлениирисунка разводки.

,где b_n0– ширина пояскаконтактнойплощадки,мм; _КП– погрешностьрасположенияконтактнойплощадки относительноузла КС; _ФФ– погрешностьфотокопий ифотошаблонов;h_ф – толщинафольги. В нашемслучае b_n0= 0,1 мм; _КП= 0,05 мм; _ФФ= 0,06 мм; h_ф= 0,035 мм. Тогда длявсех элементов,кроме подстроечногоконденсатораd_КП = 1,465 мм,для подстроечногоконденсатораd_КП = 3,285 мм.

2.4. Определениеширины проводников

Минимальнаяширина :

,где _СМ– погрешностьсмещения проводниковотносительнолинии КС; b_пр– ширина проводника.В нашем случае_СМ =0,05 мм; b_пр= 0,25 мм; b_прмин = 0,395.

Номинальнаяширина:

b_пр.н= b_пр.мин+ _Т, где _Т– ширна проводникав сторону уменьшения._Т 0,03 мм,b_пр.н = 0,425мм.

2.5. Определениеминимальногорасстояниямежду проводникоми КП с МО

,где l_РА– шаг КС, l_ПК= 0,195 мм.

2.6. Определениеминимальногорасстояниямежде двумясоседними КП

,l_кп = 1,115 мм.

3. Электрическийрасчет печатнойплаты

3.1. Определениемаксимальногопадения напряженияна проводниках

,где I_max= суммарный токпотреблениясхемы; - удельноесопротивлениемеди (материалапроводников);l_ПР –максимальнаядлина проводникана плате; t_пр– толщинапроводящегослоя; b_пр– ширина проводника.

Суммарныйток потреблениясхемы равенсуммарномутоку потреблениявсех ИМС схемы.Токи потребленияиспользуемыхИМС следующие:

Почертежу печатнойплаты определиммаксимальнуюдлину проводника:l_ПР = 0,155 м

t_пр= 0,035 мм; = 0,175 Оммм²/м; b_пр = 0,425 мм;тогда U_ПР= 0,11 В.

3.2. Определениемощности потерь

,где f_T– тактоваячастота работысхемы; U_ПИТ– напряжениепитания схемы;tg- тангенс угладиэлектрическихпотерь материалапечатной платы;С – емкостьмежду слоямиплаты.

Вкачестве f_Tпримем вдвоеувеличеннуюмаксимальнуючастоту входногосигнала частотомера:f_T =200 кГц. Исходяиз схемы электрическойпринципиальнойU_ПИТ = 9 В.Для стеклотекстолитаtg= 0,002. Для определенияемкости воспользуемсяследующейформулой:

,где  -диэлектрическаяпроницаемостьстеклотекстолита, = 5,5; S– площадь печатныхпроводников. Примем площадьпечатных проводниковравной десятипроцентамплощади однойстороны печатнойплаты, тогдапри размерахпечатной платы175 х 135 S = 2207 мм².

Притаких данныхС = 54,6 пФ. ТогдаР_ПОТ = 1,110^-5Вт.

3.3. Определениеемкости междудвумя параллельноидущими проводникамина одной сторонеПП

,где L_ПР– максимальнаядлина параллельноидущих проводниковна одной сторонеПП; _ЭФ– эффективнаядиэлектрическаяпроницаемость,_ЭФ =3,25; d – расстояниемежду краямипроводников,d = ШКС – b_ПР.Тогда С = 1,613 пФ.

3.4. Определениевзаимнойиндуктивностимежду двумяпараллельноидущими проводникамина одной сторонеПП

,М=28,6410^-9Гн

3.5. Определениеемкости междудвумя параллельноидущими проводникамина разных сторонахПП

,где L₌ -максимальнаядлина двухпараллельноидущих проводниковна разных сторонахПП, исходя изчертежа ПП L₌= 0,02 м.

х,(х) –коэффициенты,учитывающиекраевой эффект:,х = 9,41; (х) =3,042; тогда С₁ =6,3110^-14 Ф.

4. Размещениеконструктивныхэлементов

Дляобеспеченияминимальнойдлины проводникови минимальногоколичествапереходныхотверстий, т.е.оптимальногоразмещенияКЭ на ПП применяетсяметод размещенияКЭ с помощьюматрицы связей.Для упрощениярасчетов вматрице связейучитываетсятолько размещениеИМС. Дискретныекомпонентыразмещаютсяпо возможностиближе к темэлементам, скоторыми у нихнаибольшееколичествосвязей.

Вматрицу связейзаноситсяколичествосвязей междуэлементами.В нашем случаематрица связейимеет вид:

_i-число связейi-го элементасо всеми остальными(локальнаястепень) ,где а_kj– j-й элементв k-й строкематрицы связей.

Выбираемэлемент (вершину)с наименьшейлокальлнойстепенью. Внашем случае– это вершинаDA1. ЭлементDA1 размещаемв позицию Р1.Далее в строке,сответствующейэлементу DA1находим ячейкус наибольшимколичествомсвязей и в позициюР2 помещаемэлемент изсоответствующегостолбца матрицысвязей. В нашемслучае этоэлемент DD1.Далее анализируемстроку, соответствующуюэлементу DD1аналогичнопредыдущейи т.д. В результатеполучим следующееразмещениеИМС по посадочнымместам:

Напечатной платепосадочныеместа разместимследующимобразом:

5. Расчет основныхпоказателейнадежности

Основнымипоказателяминадежностиявляютсяинтенсивностьотказов ,вероятностьбезотказнойработы Р ивероятностьотказа Q.

Занесемв таблицунаименованияи количествоэлементов, атакже их параметрыинтенсивностьотказов _0Э,коэффициентнагрузки Кн, температурныйкоэффициента_Т и коэффициента_В, учитывающиймеханическиевоздействияна элемент:

Результирующаяинтенсивностьотказов _Р=N _0ЭКна_Та_В, _Р=373,110^-7 1/ч.

Вероятностьбезотказнойработы завремя Т=1 год(прибл. 9000 ч):

,Р(Т) = 0,715

Вероятностьтого , что в пределахзаданной наработкивозникнет отказустройства:

Q(T) = 1-P(T), Q(T) = 0,285

Следуетотметить, чтовремя наработкина отказ Т=1/_Р= 26802,47 ч, чтопревышаетпредусмотренныетехническимзаданием 20000 ч.

ВЫВОДЫ

Вданном курсовомпроекте былапроведенаразработкапечатного узлапортативногочастотомера.В процессеразработкибыл проведенрасчетконструкторско-технологическихи электрическихпараметровразрабатываемогоустройства.Проведенныерасчеты показалиполное соответствиеразработанногоустройстватребованиямтехническогозадания. Использованныематериалы идетали – стандартные(кроме печатнойплаты), нестандартныхизделий в конструкциипортативногочастотомераиспользованоне было.

Литература

1. СавельевА.Я., ОвчинниковВ.А. КонструированиеЭВМ и систем.- М.: Высш.шк., 1989.-312 с.

2. Горобец А.И.и др. Справочникпо конструированиюрадиоэлектроннойаппаратуры(печатные узлы).- К.: Техника, 1985.- 312 с.

3. Сборник задачи упражненийпо технологииРЭА. Под ред.Е.М.Парфенова.- М.: Высш.шк. ,1982 .-255 с.