Разработка логического устройства комбинационного типа на мультиплексорах

нестабильность напряжения не должна превышать ±5%, мощностью не мнение 150 мВт.

2.5 Анализ гонок сигналов

Гонки сигналов в комбинационных схемах это процесс связанный с тем что на разные входы данной микросхемы поступают сигналы имеющие разную величину временной задержки относительно тактовых точек. Для анализа наличия гонок в схеме необходимо посмотреть все возможные варианты действия на микросхему сигналов на ее входе при наличии взаимных временных задержек сигналов друг относительно друга.

Меры борьбы с гонками .

Первое выравнивание запаздывания сигналов за счет искусственных задержек тех сигналов которые опережают друг друга. Для задержек могут использоваться повторители имеющие задержку. Этот способ сопряжен с усложнением схемы.

Еще один способ это для борьбы с гонками это увеличить длительность импульса снизив тактовую частоту. Так как допускается искажения в виде изменение длительности импульса не более .

Наша комбинационная схема не будет работать на большой частоте то для борьбы с гонками используем метод увеличения длительности импульса, а следовательно уменьшения тактовой частоты.

2.6 Расчет надежности устройства.

Любое устройство создается для надежной безотказной работы. Свойство устройства сохранять во времени в установленных пределах значения всех па­раметров, характеризующих его способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания и ре­монтов, хранения и транспортирования, называется надежностью. Если все па­раметры соответствуют требованиям документации, такое состояние называют работоспособным, а событие, состоящее в нарушении работоспособности, -отказам. Таким образом, для возникновения отказа достаточно ухода хотя бы одного параметра за пределы, установленные нормативно-техническими доку­ментами

В зависимости от того, каким образом проявляются эти ухода парамет­ров, различают внезапные и постепенные отказы. Внезапный отказ характеризу­ется скачкообразным изменением эксплуатационных параметров устройства, в связи с чем прогнозировать момент его возникновения практически невозможно Примеры внезапных отказов - короткое замыкание обкладок конденсатора, об­рыв выводов или пробой перехода транзистора. Постепенный отказ характери­зуется постепенными, плавными изменениями во времени одного или несколь­ких параметров, обусловленными влиянием необратимых процессов старения и износа. При этом. наблюдая за соответствующими параметрами в течение дли­тельного времени, всегда можно выявить тенденции или закономерности их из­менения и предсказать причину и время возникновения отказа. В качестве при­мера постепенных отказов можно привести увеличение обратного тока коллек­торного перехода транзистора I_ко, уменьшение коэффициента передачи или по­лосы пропускания линейной интегральной схемы

Для цифровых устройств, работающих в условиях действия помех (навод­ки по цепям питания, внутренние шумы и т. д), характерно наличие относитель­но большого числа самоустраняющихся отказов (сбоев). Данный вид отказов связан с нарушением работоспособности устройства на короткое время. после" чего правильная работа аппаратуры восстанавливается самопроизвольно, без вмешательства извне. Следствием сбоев могут быть искажения информации (ис­ходных данных, управляющих воздействий и т д.), что может повлиять на нор­мальное функционирование устройства малая длительность сбоя осложняет задачу его выявления и ликвидации связанных с ним нежелательных последствий.

Надежность любого объекта, в том числе и электронного устройства, зависит от многих факторов, таких, как качество использованных в нем деталей. их взаимное расположение, условия охлаждения, качество сборки (монтажа), ус­ловия эксплуатации (температура, влажность, наличие вибрации), качество обслуживания и пр. В зависимости от назначения и режима эксплуатации изделия можно разделять на две группы: 1) невосстанавливаемые, при отказе их заменя­ют исправными (к ним относят элементы электронной и электротехнической ап­паратуры: резисторы, конденсаторы, диоды, интегральные микросхемы и пр.), 2) восстанавливаемые, их можно ремонтировать, заменяя в них отказавшие эле­менты и восстанавливая нарушенные связи.

Рассматривая отказ как событие случайное, для количественной оценки надежности используют вероятность безотказной работы и вероятность отказа вероятность того. что в заданном интервале времени t отказ устройства не про­изойдет , т. е. его эксплуатационные параметры будут находиться в установлен­ных пределах, называется вероятностью безотказной работы P(t). Данная ха­рактеристика представляет собой монотонно убывающую функцию времени t, причем Р(0) = 1. Р (∞) = 0. (Предполагается, что вначале изделие исправно, а по­сле некоторого времени, может быть очень большого, оно обязательно выйдет из строя.) Представление о том, каков характер функции P(t), можно получить в ре­зультате эксперимента с большой группой изделий. Результаты эксперимента с группой отражают поведение всей массы изделий (генеральной совокупности), если выборка достаточно объемна. В этом случае говорят о представительной выборке. Пусть выборка содержит No = 1000 изделии (резисторов, конденсато­ров, микросхем). Поставим их в режим, соответствующий паспортным условиям эксплуатации (окружающая температура, ток, напряжение), и будем фиксиро­вать момент отказа каждого изделия или количество отказавших изделий нарас­тающим итогом через каждые Δt ч. Тогда вероятность безотказной работы )

P(t)=N(t)/N,, (1)

где N(t) - число изделий, оставшихся исправными к моменту времени t. Распо­лагая полученной информацией, можно определить, какова в среднем вероят­ность того. что аналогичное изделие будет работоспособным через 10, 100,1000 ч, сколько часов может эксплуатироваться изделие, если задано допустимое нижнее значение P(t).

Вероятность отказа определяется как вероятность появления отказа в течение времени t: Q(t) = (No - N(t))/No. Так как работоспособное состояние в co- стояние отказа образуют полную, группу событий (третьего не дано!), то харак­теристики P(t) и Q(t) удовлетворяют соотношению P(t) +Q(t) = 1.

Введем понятие плотности вероятности появления отказа:

(2)

важной характеристикой надежности является и интенсивность отказов:

(3)

представляющая собой вероятность отказа изделия в единицу времени после данного момента t при условии, что до него отказ не возникал. Сравнивая выра­жения для a(t) и λ(t), нетрудно увидеть различия между ними. Значение а(t)Δt характеризует относительную долю отказавших изделий за интервал [t, t + Δt], взятых из произвольной группы поставленных на испытания изделий, независи­мо от того, исправны они или отказали к моменту времени t. Значение λ (t)Δt оп­ределяет относительную долю отказавших изделий в интервале [t, t + Δt], взятых из группы изделий, оставшихся работоспособными к рассматриваемому момен­ту t . Для элементов электронной аппаратуры типичные значения λ от 10^-6 до 10^-81/ч.

Важный количественный показатель надежности - среднее время безот­казной работы (средняя наработка до отказа), которое определяется как ма­тематическое ожидание времени работы до отказа. Эту характеристику нахо­дят как

(4)

где t_i, - время безотказной работы i-го изделия (для восстанавливаемых изделий -время работы между двумя соседними отказами). Для экспоненциального закона надежности Средняя наработка до отказа Т и интенсивность отказов λ удобны в качестве справочных данных, так как они не зависят от вре­мени.

В ряде случаев для оценки безотказности устройства используется такая характеристика, как гамма процентная наработка до отказа Т_λ , т. е. наработка, в течение которой отказ устройства т возникает с вероятностью γ, выражен­ной в процентах. Соответствующее значение находят из уравнения

(5)

Например. Т_90% означает, что указанное время наработки до отказа реали­зуется с вероятностью P(T_90%,) = 0,9. т. е. указанное время будет достигнуто для 90% изделий.

Справочные данные обычно приводятся для одиночных элементов в нор­мальных условиях эксплуатации. Реальные ус­ловия эксплуатации могут отличаться от нор­мальных, а устройства, надежность которых на­до определить, содержат большое число различ­ных элементов.

Влияние условий эксплуатации (электри­ческих режимов, температуры, радиации, влажности вибрации и ударов) проявляется в изменении интенсивности отказов, оп­ределяемом опытным путем. Утяжеление условии существенно повышает ин­тенсивность отказов. Например, увеличение рабочего напряжения на конденсаторе на 10% может повысить λ¹ более чем вдвое.

Способы соединения элементов и узлов, связей между ними разнообраз­ны. Обычно выделяют основное и резервное соединения. Соединение, когда от­каз любого из элементов приводит к отказу всего устройства, называют основ­ным (например, бытовая аппаратура). Модель расчета надежности для такого со­единения - последовательная цепочка элементов, когда работоспособному со­стоянию устройства соответствует исправность P первого, P второго,..., P n-го элементов Вероятность исправного состояния системы, содержащей n элементов:

В этом причина низкой надежности сложных систем с большим числом элементов: если Р, = 0,999, а n = 1000, то Рс = 0,37. Другие показатели надежно­сти для основного соединения элементов выводят из формулы произведения ве­роятностей

Найдем показатели надежности нашей разработанной схемы. Из справочника знаем λ_i равно резисторов 0.64*10^-4 , конденсаторов 0,25*10^-6 и микросхемы 0,06*10^-6 . Найдем λ_с для всех элементов схемы

для резисторов

для конденсаторов

для микросхем

Найдем Р_с для всех элементов схемы

для резисторов

для конденсаторов

для микросхем

Найдем Т_с для всех элементов схемы

для резисторов

для конденсаторов

для микросхем

Судя по расчетам плата сможет проработать не менее 15000 часов.

1. РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ.

3.1 Разработка требований к печатной плате.

Сущность печатного монтажа за­ключается в нанесении на изоляцион­ное основание тонких электропрово­дящих покрытий, выполняющих фун­кции монтажных проводов и элемен­тов схемы — резисторов, конденсато­ров, катушек индуктивности, кон­тактных деталей и др.

Конструкторская -документация на печатные платы и блоки оформля­ется в соответствии с требованиями ГОСТ 2 109 73, ГОСТ 2 417-68 и действующими нормативно техническими документами Чертеж печатной платы односторонней или двусторонней классифицируется как чертеж детали Чертеж печатной платы должен содержать все сведения, необходимые для ее изготовления и конт­роля изображение печатной платы со стороны печатного монтажа, раз меры, предельные отклонения и шероховатость поверхностей печатной платы и всех ее элементов (отверстий, проводников), а также размеры расстояний между ними, необходимые технические требования, сведе­ния о материале

Размеры каждой стороны печат­ной платы должны быть кратными 2,5 при длине до 100 мм, 5 при длине до 350 мм, 20 при длине более 350 мм Максимальный размер любой из сторон печатной платы не должен пре­вышать 470 мм Соотношение линейных размеров сторон печатной платы должно быть не более 3:1 и выбира­ется из ряда 1:1, 1:2, 2:3, 2:5 Тол­щину плат определяют исходя из механических требований, предъявляемых к конструкции печатного блока, с учетом метода изготовления. Рекомендуются платы толщиной 0,8, 1,0, 1,5, 2,0, 2,5, 3,0 мм. Чертежи печатных плат выполняют в натуральную величину или с увеличением 2:1, 4:1, 5:1, 10:1

Разработку чертежа печатной платы начинают с нанесения коорди­натной сетки За основной шаг пря­моугольной координатной сетки по ГОСТ 10317 79 принимается 2,5 мм. Для малогабаритной аппаратуры и в технически обоснованных случаях допускается применять дополнительные шаги 1,25 и 0,5 мм

Центры всех отверстий на печатной плате должны располагаться в узлах координатной сетки. Если из за конструктивных особенностей навесного элемента этого сделать нельзя, то центры отверстий распола­гают согласно указаниям чертежа на этот элемент Такое расположение центров отверстий используют для ламповых панелей, малогабаритных реле, разъемов и других элементов При этом должны соблюдаться сле­дующие требования центр одного из отверстий, принятого за основное, должен быть расположен в узле координатной сетки, центры осталь­ных отверстий нужно по возможно­сти располагать на вертикальных или горизонтальных линиях коорди­натной сетки Диаметры монтажных и переход­ных металлизированных и не металлизированных отверстий выбирают из ряда (0,2), 0,4, (0,5), 0,6, (0,7), 0,8, (0,9), 1,0, (1,2), 1,3,1,5, 1,8; 2,0, 2,2, (2.4), (2,6), (2,8), (3,0) Диаметры, не взятые в скобки, являются предпочтительными Не рекоменду­ется на одной печатной плате иметь более трех различных диаметров отверстий Диаметры металлизиро­ванных отверстий выбирают в зави­симости от диаметров выводов навесных элементов и толщины платы, а диаметры не металлизированных отверстий в зависимости от диа­метров выводов навесных элементов, устанавливаемых в эти отверстия. Необходимость зенковки монтажных и переходных отверстий диктуется конкретными конструк­тивными требованиями и методом изготовления платы

Шероховатость поверхности монтажных не металлизированных отверстий и торцов печатных плат должна быть Rz<80 по ГОСТ 2789-73, Ше­роховатость поверхности монтажных и переходных металлизированных от­верстий — Rzг<40

Для упрощения графики платы

Таблица 3.1

отверстия показывают окружностями одинакового диаметра с обозначением по табл. 3.1 (по ОСТ 27 72 694-834)

При выполнении отверстий таким способом на поле чертежа помещают таблицу отверстий . Раз­меры граф и форма таблицы ГОСТом не устанавливаются

Все монтажные отверстия долж­ны иметь контактные площадки. Фор­ма контактной площадки может быть произвольной, круглой, прямоуголь­ной или близкой к ним. Центр кон­тактной площадки симметричной формы должен совпадать с центром монтажного отверстия, для контакт­ных площадок прямоугольной и овальной форм центр монтажного от­верстия может быть смещен . Печатные проводники следует изображать в виде отрез­ков линий, совпадающих с линиями координатной сетки, или под углом, кратным 15° Допускается выполне­ние проводников произвольной кон­фигурации и скругление перегибов проводников.

Печатные проводники следует вы­полнять одинаковой ширины на всем протяжении. В узких местах сужают проводники до минимально допу­стимых значений на возможно мень­шей длине. Взаимное расположение проводников не регламентируется При необходимости прокладки про­водников шириной 0,3—0,4 мм на всем протяжении рекомендуется че­рез 25—30 мм предусматривать рас­ширение проводника типа контакт­ной площадки.

Проводники шириной менее 2,5 мм изображают одной линией, являю­щейся осью симметрии проводника, более 2,5 мм — двумя линиями и штрихуют под углом 45° или зачер­няют Проводники шириной более 5 мм следует выполнять как экран. Форма вырезов в широ­ких проводниках и экранах должна быть показана на чертеже и опре­делена размерами . В целях упрощения чертежа допус­кается выполнять проводники любой ширины одной линией, при этом в технических требованиях чертежа указывают ширину проводника.

Габаритные размеры печатной платы, диаметры и координаты отверстий, контактных площадок и их относительное расположение показывают на чертеже одним из следующих способов

а) в соответствии с требования ми ГОСТ 2 307-68 с помощью раз­мерных и выносных линий,

б) нанесением координатной сетки,

в) комбинированным способом при помощи размерных и выносных линий и координатной сетки,

г) с помощью таблицы координат

При задании размеров нанесением координатной сетки линии сет­ки должны нумероваться Шаг нуме­рации определяют конструктивно с учетом насыщенности и масштаба изображения Координатную сетку в зависимости от способа выполнения документации наносят на все поле платы или риска­ми по периметру платы Допускается наносить не все линии координатной сетки, при этом на по­ле чертежа помещают запись типа «Линии координатной сетки нанесе­ны через одну». За нуль в прямоугольной системе координат на главном виде платы принимают центр крайнего левого нижнего от­верстия, левый нижний угол платы, левую нижнюю точку, образованную построениями, например продолже­нием линии контура платы, углы, ко­торого срезаны

На поле чертежа указывают метод изготовления платы, технические условия (если не все данные содер­жатся на чертеже), шаг координат­ной сетки, ширину проводников и расстояния между ними, расстояния между контактными площадками, между контактной площадкой и про­водником, допуски на выполнение проводников, контактных площадок, отверстий и расстояний между ними, особенности конструкции, технологии и другие параметры печатных плат.

Технические требования распола­гают над основной, надписью, формулируют и излагают в следующей последовательности;

1 Плату изготовить методом

2.Плата должна соответство­вать (ГОСТ, ОСТ)

3. Шаг координатной сетки 0.25 мм

4 Конфигурацию проводников выдерживать по координатной сетке с отклонением от чертежа 1 мм

5 Допускается округление углов контактных площадок и проводников.

6 Места, обведенные штрих пунктирной линией, проводниками не занимать

7 Требования к параметрам эле­ментов платы - в соответствии с конструктивными данными

8 Ширина проводников в свобод­ных местах 1 мм, в узких 0.8 мм

9 Расстояние между двумя про­водниками, между двумя контактны­ми площадками или проводником и контактной площадкой в свободных местах 0.1 мм, в узких 0.05 мм

10. Форма контактных площадок произвольная, bmin=1.5 мм

11 Допускается занижение кон­тактных площадок металлизирован­ных отверстий на наружных слоях до зенковки, на внутренних слоях

12 Предельные отклонения рас­стояний между центрами отверстий, кроме оговоренных особо, в узких местах ± 0.05 мм, в свободных мес­тах ± 0.08 мм

13. Предельные -отклонения рас­стояний между центрами контакт­ных площадок в группе ± 0.02 мм.

14. Маркировать эмальюГОСТ шрифт по ГОСТ,

К числу особенностей печатного монтажа относятся плоское располо­жение печатных проводников, что не позволяет осуществлять переход с одной платы на другую без перемы­чек, переходных колодок или разъе­мов; установка навесных элементов и крепление выводов только путем пропускания их в отверстия; одно­временная пайка всех элементов, ус­тановленных на печатной плате.

3.2 Разработка схемы размещения на плате.

Навесные элементы следует раз­мещать правильными рядами, параллельно один другому, на той стороне платы, где отсутствуют печатные проводники Такое размещение позволяет устанавливать и закреплять навесные элементы на автоматических линиях и выполнять пайку погружением, исключая воз­действие припоя на навесные элемен­ты.

Все навесные элементы крепятся на плате с помощью выводов, кото­рые вставляют в монтажные отвер­стия и подгибают Не рекомендуется в монтажном отверстии размещать два и более выводов. Некоторые эле­менты, например маломощные тран­зисторы, крепят клеем

Сборочный чертеж печатной пла­ты при минимальном количестве изо­бражений должен давать полное представление о расположении и вы­полнении всех печатных и навесных элементов и деталей. Сборочный чер­теж выполняют в соответствии с тре­бованиями ГОСТ 2 109-73 с учетом требований ГОСТ 2.413-72 Кон­струкции навесных элементов вычер­чиваются в виде упрощенных изобра­жений, им присваивается буквенно-цифровое позиционное обозначение в соответствии с электрической прин­ципиальной схемой, по которой вы­полняют электрический монтаж пла­ты . На сборочном черте­же печатной платы должны быть ука­заны номера позиций всех состав­ных частей, габаритные и присоеди­нительные размеры, должны содер­жаться сведения о способах присо­единения навесных элементов к пе­чатной плате.

В технических требованиях сбо­рочного чертежа должны быть ссыл­ки на документы (ГОСТ, ОСТ), уста­навливающие правила подготовки и закрепления навесных элементов, сведения о припое и др.

Основным конструкторским доку­ментом сборочного чертежа печат­ной платы является спецификация, оформляемая в виде таблицы по пра­вилам ГОСТ 2 108-68 При записи в спецификацию составных частей, являющихся элементами электрической принципиальной схемы, в графе «Примечание» указывают буквенно цифровые позиционные обозначения этих элементов

Разработка конструкторской до­кументации печатных плат может осуществляться ручным, полуавтоматическим или автоматизированным методами.

Ручной метод предусматривает разбивку навесных элементов на функциональные группы, размещение групп элементов на площади платы, трассировку печатных про­водников и обеспечивает оптималь­ное распределение проводящего ри­сунка.

При ручном методе конструи­рования разрабатывается чертеж платы, содержащий изображение платы с проводящим рисунком и от­верстиями, а также, при необходи­мости, дополнительное отдельное изображение части платы, требующей графического пояснения или нанесения размеров, координатную сетку, выполненную в соответствии с требованиями ГОСТ 2417-78, раз­меры всех элементов проводящего рисунка и их предельные отклоне­ния, технические требования. Чертеж платы должен выполняться в мас­штабе не менее 2:1, максимальный формат А1.

Полу автоматизированный метод предусматривает размещение навес­ных элементов при помощи ЭВМ при ручной трассировке печатных про­водников или ручное распределение навесных элементов при автоматизи­рованной трассировке проводников, обеспечивает ускорение процесса конструирования при оптимальном размещении проводящего рисунка Чертеж платы должен содержать все сведения, необходимые для ее изго­товления и контроля. Изображение слоев платы получают с расчерчи­вающего устройства в виде чертежа-схемы, фотосхемы, фотоотпечатка в масштабе 1:1 или 2:1.

Заключение

В данной работе были закреплены знания полученные на лекциях по предмету синтез электронных схем. Реализована заданная логическая функция на 2 и 3 входовых мультиплексорах, разработана печатная плата и выполнен расчет надежности устройства.

Литература.

1.Пухальский Г.Н. Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: Справочник М.: Радио и связь 1990.

2.Закревский А.Д. Логический синтез каскадных схем. М.: Наука 1981.

3.Зубчик В.И. и др. Справочник по цифровой схемотехники Киев : Техника 1990

4. Бессарабов Б. Ф. и др. Справочник микросхемы широкого применения. Воронеж : ИПФ «Воронеж»,1994.

В

S 1,5

ид со стороны элементов