Учебное пособие: Методические указания по выполнению практической работы проектирование

Конструкторско-технологическое обеспечение

производства ЭВМ

Методические указания по выполнению практической работы

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ПЕЧАТНОЙ

ПЛАТЫ

Автор-составитель:

Канд. тех. наук, доц. А.Е.Ермаков

Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования в соответствии с Государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки уровню подготовки специалистов уровню подготовки инженера по специальности 230101.65 (ЭВМ).

Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)

Задание НА курсовую работу с методическими указаниями

1. Общие требования к выполнению курсовой работы

Курсовая работа выполняется на листах формата А4. На титульном листе должны быть указаны данные студента и его учебный шифр. Вариант задания определяется по двум последним цифрам учебного шифра в соответствии с табл. 1. На защиту курсовой работы студент предоставляет файлы, содержащие электрическую схему и топологию печатной платы.

В курсовой работе должны быть выполнены все пункты задания, которое приводится в начале работы. Курсовые работы, не соответствующие указанным требованиям, возвращаются студенту без рецензии.

2. Задание на курсовую работу

2.1. Выбор варианта задания

Разработать конструкцию печатной платы (ПП) типового элемента замены (ТЭЗ) ЭВМ с использованием САПР радиоэлектронной аппаратуры. Электрическая схема ТЭЗ и технические требования к нему определяются в соответствии с табл. 1.

Таблица 1. Варианты задания на курсовую работу

Примечания.

1. По последней цифре шифра студента определяется номер приложения, в котором приведена принципиальная схема ТЭЗа;

2. По предпоследней цифре шифра студента определяется класс точности изготовления ПП;

3. Вид конструктивного исполнения компонентов, устанавливаемых на ПП, определяется суммой двух последних цифр шифра студента: если сумма четная, то компоненты выполнены в DIP корпусах, если же нечетная, то в планарных корпусах.

2.2. Требования к содержанию разделов

расчетно-пояснительной записки

Курсовая работа состоит из расчетно-пояснительной записки и графических материалов.

Расчетно-пояснительная записка должна содержать:

1. Титульный лист.

2. Содержание.

3. Задание на курсовое проектирование.

4. Расчетная часть должна включать:

1. Расчет ориентировочной площади печатной платы и выбор ее размеров;

2. Выбор типа материала печатной платы;

3. Расчет элементов проводящего рисунка печатной платы;

5. Графические материалы:

1. Чертеж схемы электрической принципиальной;

2. Перечни элементов;

3. Сборочный чертеж печатной платы с указанием таблицы сверловки;

4. Вид печатной платы со стороны пайки;

5. Вид печатной платы со стороны компонентов (для двухсторонних ПП).

6. Список используемой литературы.

3. Методические указания к выполнению курсовой работы

Прежде чем приступать к проектированию ПП конструктор должен определить ее размеры, рассчитать элементы проводящего рисунка и выбрать тип разъемного соединения для ее подключения к остальным блокам аппаратуры.

Обычно размеры ПП определяются конструкцией блока, в который она будет устанавливаться. Однако ее площадь не может быть меньше, чем суммарная площадь компонентов, которые будут на нее установлены. Если же при проектировании используется восходящий метод, то в начале определяются размеры платы, а затем конструкция блока. Причем площадь ПП должна быть минимальной.

Размеры проводящего рисунка зависят от класса точности изготовления ПП, который, в свою очередь, определяется тем технологическим оборудованием, которое будет использоваться для изготовления ПП. Поэтому все эти вопросы должны быть решены совместно с инженерами-технологами до начала проектирования ПП.

Тип разъемного соединения определяется, прежде всего, условиями эксплуатации разрабатываемой аппаратуры и выбирается студентом самостоятельно. Разъёмные соединения позволяют многократно соединять и разъединять механические детали конструкций без повреждения её элементов. Требования к разъёмным соединениям в основном сводятся к обеспечению прочности, надёжности, долговечности, удобству эксплуатации.

3.1. Расчет ориентировочной площади печатной платы

и выбор ее размеров

Расчет ориентировочной площади ПП () выполняется по формуле:

,

где – площадь i -го компонента, которая определяется его габаритными размерами, указанными в соответствующей справочной литературе;

n_i – количество однотипных ЭРЭ;

– площадь зазора вокруг i -го компонента. На практике этот зазор составляет 2…3 мм;

N – общее количество однотипных ЭРЭ.

В качестве примера рассмотрим расчет площади ПП, на которой будут размещены следующие компоненты:

1. Микросхемы в корпусе DIP14 – 4 шт.;

2. Микросхемы в корпусе DIP20 – 2 шт.;

3. Микросхема в корпусе DIP40 – 1 шт.;

4. Резисторы МЛТ-0,125 – 4 шт.;

5. Конденсаторы КМ6б-0,1 – 6 шт.;

6. Разъем ГРПМ31 – 1 шт.

Расчет площади, занимаемой компонентами на ПП, сведен в табл. 2.

Таблица 2

В соответствии с ГОСТ 10317-79 печатная плата будет иметь размеры: ширина – 60 мм; длина –100 мм.

В приложении 11 приведены рекомендуемые размеры ПП.

3.2. Выбор типа материала печатной платы

Для изготовления печатных плат химическим и комбинированным методами необходимо иметь листовой материал в виде изоляционного основания с приклеенной к нему металлической фольгой. В зависимости от назначения печатной платы в качестве изоляционного основания используют в основном гетинакс и стеклотекстолит различной толщины. Фольгу делают из меди, так как она обладает хорошими проводящими свойствами.

Фольгированный материал может быть односторонним (например СФ-1-35) или двухсторонним (например СФ-2-35). В последнем случае фольгу наносят на две стороны изоляционного основания. Фольгированный гетинакс (ГФ) уступает остальным материал как по физико-механическим, так и по электрическим свойствам.

Фольгированный гетинакс рекомендуется использовать для аппаратуры, работающей при нормальной влажности окружающего воздуха. Фольгированный стеклотекстолит обладает повышенной нагревостойкостью и может работать при температуре свыше 100°С не более 100 часов.

В табл. 3 приведены основные параметры фольгированных стеклотекстолита и гетинакса после выдержки в течение 24 часов при температуре 40 °С и относительной влажности до 98%.

Таблица 3

Для устройств железнодорожной автоматики и средств вычислительной техники рекомендуется применять СФ.

3.3. Расчет элементов проводящего рисунка печатной платы

Печатная плата предназначена для электрического соединения элементов схемы. По конструктивному исполнению различают односторонние, двусторонние, многослойные и гибкие печатные платы. По точности выполнения элементов конструкции в соответствии с ГОСТ 23751-86 печатные платы делятся на пять классов точности.

Основными данными для расчета элементов печатного монтажа являются: класс точности, установочные характеристики компонентов и допуски на отклонения размеров координат элементов печатного монтажа от номинальных значений. Допуски на отклонения определяются уровнем технологии, применяемым оборудованием и т.д..

Область печатного монтажа между двумя соседними контактными площадками показана на рис.1, где Dк - диаметр контактной площадки; t - ширина печатного проводника; S - расстояние между соседними элементами печатного монтажа; n - число проводников между соседними контактными площадками; l - расстояние между двумя контактными площадками для прокладки n -проводников.

Минимальный диаметр контактной площадки рассчитывается по формуле:

,

где : d – диаметр отверстия;

Dd_во - верхнее предельное отклонение диаметра отверстия (устанавливается в соответствии с табл.5);

Dd_mp - глубина подтравливания диэлектрика для многослойных печатных плат ( принимается равной 0,03 мм);

b - гарантийный поясок (табл.4);

Dt_во - верхнее предельное отклонение ширины проводника от номинального значения (табл.6);

Dt _но - нижнее предельное отклонение ширины проводника от номинального значения (табл.6);

- диаметральное значение позиционного допуска расположения центров отверстий относительно номинального положения узла координатной сетки (табл.7);

- диаметральное значение позиционного допуска расположения контактных площадок относительно его номинального положения (табл.8).

Таблица 4

Номинальные значения основных параметров элементов

конструкции печатной платы для узкого места.

Таблица 5

Предельные отклонения размеров диаметров монтажных и

переходных отверстий

Таблица 6

Предельное отклонение ширины проводника

от номинального значения

Таблица 7

Диаметральное значение позиционного допуска расположения

центров отверстий относительно номинального положения

Таблица 8

Диаметральное значение позиционного допуска расположения контактных площадок относительно номинального

Расчет минимального расстояния для прокладки n-ого количества проводников между двумя отверстиями с контактными площадками диаметрами D_k1 и D_k2 производится по формуле:

,

где: n - количество проводников;

- диаметральное значение позиционного допуска расположения проводника относительно номинального положения (табл.9)

Таблица 9

Диаметральное значение позиционного допуска расположения проводника относительно номинального положения, мм

Рассмотрим расчет элементов проводящего рисунка на примере. Пусть необходимо рассчитать минимальный диаметр контактной площадки для металлизированного отверстия диаметром 0,8 мм и минимальное расстояние между центрами двух отверстий при прохождении двух проводников на многослойной печатной плате третьего класса точности размером 100 x 140 мм.

Минимальный диаметр контактной площадки на наружном слое в соответствии с выражением (1)

мм,

а минимальный диаметр контактной площадки на внутреннем слое

мм,

Минимальное расстояние между центрами двух отверстий, необходимое для прохождения двух проводников на наружном слое в соответствии с выражением (2)

мм,

а минимальное расстояние на внутреннем слое

мм.

3.4. Методические указания по проектированию топологии печатной платы

Проектирование топологии печатной платы практически в любом редакторе печатных плат начинается с задания параметров элементов проводящего рисунка, которые рассчитываются в соответствии с рекомендациями, изложенными в параграфе 3.3 настоящих методических указаний. Затем выполняется размещение топологических посадочных мест компонентов на ПП. Этот этап проектирования топологии ПП является одним из самых ответственных, так как от качества его выполнения, в конечном итоге, будет зависеть длина проводников, количество переходных отверстий на ПП, величина перекрестных помех и т.д. Следует отметить, что размещение топологических посадочных мест компонентов – во многом процесс творческий, или как его называют в англо язычной литературе – “art of design” (искусство проектирования). Однако существует несколько рекомендаций, которых следует придерживаться при размещении компонентов. Суть этих рекомендаций можно свести к следующему:

1. Все компоненты и элементы проводящего рисунка должны располагаться на ПП с зазором не менее 1,5…2 мм от ее границ;

2. Разъемы следует устанавливать на границе ПП;

3. Элементы индикации (светодиоды, семисегментные и ЖКИ индикаторы) устанавливаются на ПП таким образом, чтобы в процессе работы устройства их состояние можно было увидеть без извлечения платы из устройства (чаще всего это верхний край ПП или место напротив окна в корпусе устройства);

4. Сильноточные компоненты должны располагаться как можно ближе к разъемам;

5. Компоненты, имеющие значительное количество взаимных связей должны быть расположены рядом.

В каждом редакторе печатных плат, как правило, имеется “вектор”, показывающий предпочтительное направление размещения компонента. Однако не следует слишком доверяться этому интерактивному инструменту. Рекомендуется начинать размещение с компонентов, имеющих наибольшее количество выводов, а затем переходить к расположению компонентов, связанных с ними. Кроме этого, рекомендуется попробовать несколько вариантов размещения, выполнить для них автотрассировку и после этого отобрать лучший вариант.

4. Методические указания к оформлению графических материалов

4.1. Правила выполнения принципиальных схем

На принципиальной схеме изображают все электрические элементы, входящие в устройство, электрические связи между ними, а также разъемы, зажимы и т. п., которыми заканчиваются входные и выходные цепи. Элементы на схеме изображаются в виде условных графических обозначений. Их размеры приведены в ГОСТ 2.747-68 и ГОСТ 2.743-62. При вычерчивании схем, насыщенных графическими обозначениями, допускается все обозначения пропорционально уменьшать.

Каждый элемент, входящий в устройство, на схеме должен иметь обозначение, составленное из буквенного обозначения и порядкового номера. Буквы и цифры выполняются одним размером шрифта. Все одноименные элементы нумеруются цифрами, начиная с единицы. Порядковые номера должны быть присвоены одноименным элементам в соответствии с последовательностью их расположения на схеме, считая, как правило, сверху вниз в направлении слева направо.

На принципиальной схеме должны быть однозначно определены все элементы, входящие в устройство. Как правило, данные об элементах записывают в таблицу перечня элементов. Допускается в отдельных случаях все сведения об элементах помещать около условных графических обозначений.

При наличии в устройстве нескольких одинаковых групп элементов, соединенных последовательно или параллельно, допускается изображать только крайние группы, показывая электрические связи между ними штриховыми линиями.

Условное графическое обозначение логических элементов имеет форму прямоугольника, который может содержать 3 поля: основное и два дополнительных. В основном поле помещается информация о функции, выполняемой логическим элементом. В дополнительных полях помещают условные обозначения входов (левое поле) и выходов (правое поле). В основном поле допускается помещать дополнительные данные: тип устройства, в состав которого входит логический элемент, условный шифр, позиционные, конструктивные обозначения и условный номер логического элемента в ИМС и в устройстве. Условные графические обозначения логических элементов размещают на схеме так, чтобы все их входы были слева, а выходы - справа.

Обозначения радиодеталей на схемах, в расчетах и в тексте должны быть одинаковыми. Все питающие напряжения, входные и выходные сигналы подводятся к элементам схемы от соединительных разъемов или фишек. В правом нижнем углу листа должен быть штамп.

4.2. Требования к оформлению графических материалов чертежа

печатной платы

Стандарт ГОСТ 2.417 - 78 устанавливает основные правила выполнения чертежей печатной платы – детали. Чертеж выполняют в масштабах 1:1; 2:1; 4:1; 5:1; 10:1. На чертежах печатных плат допускается:

1. Наносить позиционные обозначения электро- и радиоэлементов;

2. Указывать сторону установки навесных элементов надписью, помещаемой над изображением;

3. Помещать электрическую схему.

При минимальном количестве проекций сборочный чертеж печатного узла (рис. 2) должен давать полное представление о навесных радиоэлементах и других деталях, их расположении и установке на плате. Он должен содержать следующие сведения:

1. Маркировку позиционных обозначений электро- и радиоэлементов;

2. Условные обозначения выводов приборов (трансформаторов, реле и др.);

3. Нумерацию выходных контактов, полярности элементов согласно принципиальной электрической схеме на печатный узел.

На чертеже наносят позиционные обозначения, габаритные и установочные размеры, а также размеры, определяющие положение элементов над платой. Чертеж содержит технические требования.

Навесные элементы изображают упрощенно, если это не мешает правильному пониманию чертежа. Их размещают параллельно поверхности платы рядами в определенном порядке с зазором 2 - 3 мм между платой и элементом (если это расстояние не оговорено в нормативно-техническом документе на элемент).

1. Электромонтаж выполнять согласно АБВГ. ХХХ.159Э3.

2. Припой ПОСБ1 ГОСТ 21931-76.

3. Установку элементов производишь по ОСТ4 Г.О10.030. Элементы поз. 5,8,9,11...16,21 устанавливать по варианту II, высота установки 3^{+1 мм.}

4. Детали поз. 4, элементы лоз.18, 23 ставить на клей ВК-9 ОСТ 4 Г0.029.204.

5. Печатные проводники условно не показаны.

6. На выводы элементов поз. 18, 23 перед их распайкой надеть трубки: на базу поз.24, на коллектор поз.25, на эмиттер поз.26.

7. Плату после сборки покрыть эмалью ЭП-572, белой, ТУ0-10-1539-76.

8. Места расположения маркировки показаны условно.

Рис. 2. Сборочный чертеж печатной платы

Для двухсторонних печатных плат приводят два чертежа (рис.3): вид со стороны установки элементов и вид со стороны пайки. На чертеже ПП допускается помещать технические требования, которые составляют, группируя близкие по характеру, в следующей последовательности:

а) способ изготовления платы;

б) обозначение материала токопроводящего слоя или изоляционных участков и толщина слоя;

в) шаг координатной сетки;

г) допускаемые отклонения очертаний проводников, контактных площадок и других печатных элементов от заданных чертежом;

д) ширина печатных проводников;

е) наименьшее расстояние между проводниками;

ж) требования к подрезке и смещению контактных площадок;

з) указания о покрытиях;

и) указания о маркировании и клеймении.

Сторона установки навесных элементов

Рис. 3, а. Чертеж детали двусторонней печатной платы, лист 1

Рис. 3, б. Чертеж детали двусторонней печатной платы, лист 2

Для подготовки производства, в состав конструкторской документации помещается чертеж ПП, где показываются все отверстия (рис.4). Размеры отверстий, их количество, размеры зенковок и другие сведения помещают в таблице, на поле чертежа. Рекомендуемая форма таблицы приведена на рис. 5. На чертеже платы отверстия показывают упрощенно - одной окружностью (без окружностей зенковки и контактной площадки). Чтобы их различать применяют их условные обозначения. Центры отверстий располагают в узлах координатной сетки.

Рис. 4. Чертеж отверстий на печатной плате

Рис. 5. Условные обозначения отверстий

В табл.10 показан пример перечня элементов, устанавливаемых на ПП.

Таблица 10

Приложение 1

28

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6

Приложение 7

Приложение 8

Приложение 9

Приложение 10 (вариант 0)

Приложение 11

Линейные размеры печатных плат, мм

Примечания.

1. Выделенные размеры печатных плат являются предпочтительными.

2. В технически обоснованных случаях допускается применять печатные платы формы, отличной от прямоугольной.

Список учебно-методической литературы

Литература

Основная:

1. Сабунин А. Altium Designer. Новые решения в проектировании электронных устройств. – М.: Солон-пресс, 2009. – 432 с.

2. Суходольский В.Ю. Altium Designer. Проектирование функциональных узлов РЭС на печатных платах. – СПб.: БХВ-Петербург, 2010. – 480 с.

3. Потапов Ю.В. Protel DXP. М.: Горячая линия - Телеком, 2006. - 276 с.

4. Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат. М.: Форум, 2005. - 559 с.

Дополнительная

5. Потапов Ю.В. Система проектирования печатных плат Protel. М.: Горячая линия - Телеком, 2003 г., 704 с.

6. Савельев А.Я., Овчинников В.А. Конструирование ЭВМ и систем: Учебник для вузов по специальности ”Вычислительные машины, комплексы, системы и сети” -2-е изд., перераб. и доп. -М.: Высшая школа, 1989г. -312с.

7. Куземин А.Я. Конструирование и микроминиатюризация электронной вычислительной аппаратуры: Учебное пособие для вузов. -М: Радио и связь, 1985г.-280с.

8. Власов Е.П., Жаднов В.В., Жаднов И.В. и др. Расчет надежности компьютерных систем. Киев, Корнiйчук, 2003, 187 стр.

9. Справочник конструктора РЭА : Общие принципы конструирования/ Под редакцией Варламова Р.Г. - М.: Высшая школа 1980г.-480с.

10. Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств: Учебник для радиотехнических специализированных вузов -М.: Высшая школа 1990г.-432с.

11. Единая система конструкторской документации (ЕСКД).

12. Единая система программной документации (ЕСПД).

8. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Литература

Основная:

1. Сабунин А. Altium Designer. Новые решения в проектировании электронных устройств. – М.: Солон-пресс, 2009. – 432 с.

2. Суходольский В.Ю. Altium Designer. Проектирование функциональных узлов РЭС на печатных платах. – СПб.: БХВ-Петербург, 2010. – 480 с.

3. Потапов Ю.В. Protel DXP. М.: Горячая линия - Телеком, 2006. - 276 с.

4. Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат. М.: Форум, 2005. - 559 с.

Дополнительная

5. Потапов Ю.В. Система проектирования печатных плат Protel. М.: Горячая линия - Телеком, 2003 г., 704 с.

6. Савельев А.Я., Овчинников В.А. Конструирование ЭВМ и систем: Учебник для вузов по специальности ”Вычислительные машины, комплексы, системы и сети” -2-е изд., перераб. и доп. -М.: Высшая школа, 1989г. -312с.

7. Куземин А.Я. Конструирование и микроминиатюризация электронной вычислительной аппаратуры: Учебное пособие для вузов. -М: Радио и связь, 1985г.-280с.

8. Власов Е.П., Жаднов В.В., Жаднов И.В. и др. Расчет надежности компьютерных систем. Киев, Корнiйчук, 2003, 187 стр.

9. Справочник конструктора РЭА : Общие принципы конструирования/ Под редакцией Варламова Р.Г. - М.: Высшая школа 1980г.-480с.

10. Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств: Учебник для радиотехнических специализированных вузов -М.: Высшая школа 1990г.-432с.

11. Единая система конструкторской документации (ЕСКД).

12. Единая система программной документации (ЕСПД).

9. Материально-техническое и/или информационное обеспечение дисциплины

1. Персональный компьютер. Программное обеспечение: САПР Altium Designer.