Разработка печатного узла портативного частотомера

Национальный технический университет Украины "КПИ"

Кафедра КиПЭВА

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по курсу

"Физико-теоретические основы конструирования и надежности"

на тему:

"Разработка печатного узла портативного частотомера"

Допущено к защите:

"____"_________________2000 г.

Защищено с оценкой:

"______________________________"

Выполнил:

ст. гр. ДК тАУ71 РЖРЖРЖ курса ФЭЛ

Кузин Евгений Андреевич

№ зачетки ДК-7112

Преподаватель:

Лескин В.Ф.

Киев - 2000

СОДЕРЖАНИЕ

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА РАЗРАБОТКУ ПЛАТЫ ПОРТАТИВНОГО ЧАСТОТОМЕРА.        3

1. Выбор и обоснование применения элементной базы.        5

1.1. Резисторы, конденсаторы, диоды и другие дискретные компоненты.        5

1.2. Интегральные микросхемы.        5

2. Конструкторско-технологический расчет печатной платы.        7

2.1. Определение минимального диаметра металлизированного отверстия        7

2.2. Определение минимального диаметра монтажного отверстия        8

2.3. Определение минимального диаметра контактной площадки        8

2.4. Определение ширины проводников        8

2.5. Определение минимального расстояния между проводником и КП с МО        9

2.6. Определение минимального расстояния межде двумя соседними КП        9

3. Электрический расчет печатной платы        9

3.1. Определение максимального падения напряжения на проводниках        9

3.2. Определение мощности потерь        10

3.3. Определение емкости между двумя параллельно идущими проводниками на одной стороне ПП        10

3.4. Определение взаимной индуктивности между двумя параллельно идущими проводниками на одной стороне ПП        10

3.5. Определение емкости между двумя параллельно идущими проводниками на разных сторонах ПП        11

4. Размещение конструктивных элементов        11

5. Расчет основных показателей надежности        12

ВЫВОДЫ        13

Литература        14

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА РАЗРАБОТКУ ПЛАТЫ ПОРТАТИВНОГО ЧАСТОТОМЕРА.

1. Наименование и область применения.

Портативный частотомер предназначен для измерения частоты входного сигнала в широком диапазоне частот.

2. Основание для разработки.

Основанием для разработки является задание на курсовой проект.

3. Цель и назначение разработки.

Целью данной разработки является создание, конструкторско-технологический и электрический расчеты печатного узла портативного частотомера.

4. Источник разработки.

Источником разработки является схема электрическая принципиальная портативного частотомера.

5. Технические требования.

5.1. Состав изделия и требования к разрабатываемому устройству.

Устройство изготавливается в виде отдельного печатного узла и содержит схему собственно частотомера и схему индикации.

5.2. Показатели назначения.

5.2.1. Число входов тАУ 1.

5.2.2. Питание схемы осуществляется от внешнего источника питания напряжением 9 В.

5.2.3. Диапазон измеряемых частот тАУ 5 ГцтАж100 кГц.

5.3. Требования к надежности.

Среднее время наработки на отказ тАУ не менее 20000 часов.

5.4. Требования к технологичности.

Ориентированные на передовые приемы изготовления деталей и сборки.

5.5. Требования к уровню унификации и стандартизации.

Максимально использовать стандартные и унифицированные детали и изделия.

5.6. Требования безопасности обслуживания.

Руководствоваться общими требованиями техники безопасности к аппаратуре низкого напряжения ГОСТ 12.2.007-75.

5.7. Требования к составным частям изделия, сырью, исходным и эксплуатационным материалам.

Покупные изделия и материалы использовать без ограничений. Для изготовления платы спользуются покупные изделия.

5.8. Условия эксплуатации.

Климатическое исполнение УХЛ 3.1. ГОСТ 15150-69.

Температура рабочая        -10тАж+60 С

Влажность воздуха (верхнее значение)        90% при 25 С

Атмосферное давление        600тАж800 мм рт.ст.

5.9. Требования к маркировке и установке.

Изделие должно содержать маркировку товарного знака, заводского номера, даты изготовления, органов управления, мест подключения. Изделие упаковывать в отдельную тару.

5.10. Требования к транспортированию и хранению.

Группа условий хранения Л1 по ГОСТ 15150-69. Хранить в закрытых отапливаемых помещениях.

Температура воздуха        +1тАж+40 С

Относительная влажность воздуха        65% при 20 С

Атмосферное давление        84тАж106 кПа

Транспортироватть автомобильным и железнодорожным транспортом в транспортной таре.

1. Выбор и обоснование применения элементной базы.

Для создания разрабатываемого устройства согласно техническому заданию необходимо применить комплектующие отечественного производства и максимально использовать стандартные компоненты и изделия. Исходя из этого выбор элементной базы будет следующим.

1.1. Резисторы, конденсаторы, диоды и другие дискретные компоненты.

Для применения в разрабатываемом устройстве были выбраны резисторы марки МЛТ мощностью 0,25 Вт. Выбор был сделан, исходя из соображений достаточной надежности, точности и низкой общей стоимости прибора. Резисторы марки МЛТ в достаточной степени удовлетворяют вышеприведенным требованиям и являются одной из наиболее распространенных марок резисторов, что сыграло решающую роль при их выборе. Другие дискретные компоненты выбраны исходя из аналогичных соображений.

1.2. Интегральные микросхемы.

Ввиду большого разнообразия серий микросхем, пригодных для использования в разрабатываемом устройстве и значительного количества параметров микросхем, их выбор аналогично выбору дискретных компонентов затруднителен. Поэтому воспользуемся методом выбора компонентов по матрице параметров. Данный метод заключается в следующем.

В матрицу параметров заносятся параметры элементов, из которых необходимо выбрать один. В нашем случае микросхемы будем выбирать среди серий  К176, К561, К155, К555. Выбор будем производить по следующим параметрам: напряжение выхода нуля Uвых0 ; напряжение выхода единицы Uвых1 ; ток потребления Iпот ; входной ток Iвх . Для этих данных матрица параметров будет иметь следующий вид:

U0вых,В

U1вых,В

Iпот,мкА

Iвх, мкА

К176

0,3

8

100

0,3

К561

0,8

4,2

100

0,1

К155

0,4

2,4

30000

40

К555

0,5

2,7

19000

3000

bj

0,25

0,33

0,11

0,31

bj тАУ весовой коэффициент параметра, который учитывает значимость параметра.

Параметры матрицы необходимо пересчитать так, чтобы большему значению параметра соответствовало лучшее свойство элемента. Так как лучшими свойствами микросхемы являются низкое выходное напряжение нуля, высокое выходное напряжение единицы, низкие входной ток и ток потребления, параметры Uвых0, Iпот, Iвх необходимо пересчитать (взять обратную величину). После пересчета параметров матрица параметров примет вид:

3,333333

8

0,01

3,333333

1,25

4,2

0,01

10

2,5

2,4

3,33•10-5

0,025

2

2,7

5,26•10-5

0,000333

Далее параметры матрицы нормируют по следующей формуле:

, где yij тАУ элемент матрицы параметров, стоящий в i-й строке и j-м столбце аij тАУ аналогичный элемент в нормированной матрице.

После нормирования матрица параметров примет вид:

0

0

0

0,666667

0,625

0,475

0

0

0,25

0,7

0,996667

0,9975

0,4

0,6625

0,994737

0,999967

Для обобщения анализа параметров вводят оценочную функцию Q:

, m тАУ количество строк в матрице параметров.

После проведения расчетов значения оценочной функции вышли следующими:

К176

0,666667

К561

1,1

К155

2,944167

К555

3,057204

Необходимая серия ИМС выбирается, исходя из минимального значения оценочной функции. На основании проведенных расчетов для использования в разрабатываемом устройстве выбираем серию К176.

Примечание: микросхемы DD8-DD12 (см. перечень элементов) были выбраны из серии К561 т.к. в серии К176 нет элемента необходимого типа элемента, а серия К561 имеет значение оценочной функции, максимально близкое к этому значению у серии К176.

Операционный усилитель К544УД2А (DA1) выбирается аналогичным образом.

2. Конструкторско-технологический расчет печатной платы.

При изготовлении печатной платы будем использовать в качестве основания стеклотекстолит фольгированный двусторонний толщиной 2 мм, толщина фольги 35 мкм, марки i-2-35-2,0. Способ нанесения рисунка        разводки тАУ фотохимический. Класс печатной платы тАУ 3.

2.1. Определение минимального диаметра металлизированного отверстия

, где Кgt тАУ отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине печатной платы (ПП), мм ; hпп тАУ толщина печатной платы. В нашем случае Кgt = 0,33 ; hпп = 2 мм, d01 = 0,66 мм.

2.2. Определение минимального диаметра монтажного отверстия

, где dВЭ тАУ диаметр вывода элемента, мм ; h0 тАУ толщина медного слоя, мм; Δ` - зазор межде выводом  конструктивного элемента (КЭ) и стенкой отверстия, мм ; δ0 тАУ погрешность расположения отверстий относительно узла координатной сетки (КС).

В нашем случае (при h0 = 0,035 мм; Δ` = 0,15 мм; δ0 = 0,07 мм):

Элемент

dВЭ , мм

dМО, мм

ИМС

0,5

0,94

Резисторы

0,7

1,14

Постоянные конденсаторы

0,6

1,04

Подстроечный конденсатор

2,5

2,94

Т.к. диаметры отверстий рекомендуется выбирать из ряда номинальных значений, выберем все диаметры отверстий равными 1,3 мм, а диаметр отверстий под подстроечный конденсатор тАУ 3 мм.

2.3. Определение минимального диаметра контактной площадки

Формула для расчета учитывает погрешность изготовления и подтравливание фольги при изготовлении рисунка разводки.

, где bn0 тАУ ширина пояска контактной площадки,мм ; δКП тАУ погрешность расположения контактной площадки относительно узла КС; δФФ тАУ погрешность фотокопий и фотошаблонов; hф тАУ толщина фольги. В нашем случае bn0 = 0,1 мм; δКП = 0,05 мм; δФФ = 0,06 мм; hф = 0,035 мм. Тогда для всех элементов, кроме подстроечного конденсатора dКП = 1,465 мм, для подстроечного конденсатора dКП = 3,285 мм.

2.4. Определение ширины проводников

Минимальная ширина :

, где δСМ тАУ погрешность смещения проводников относительно линии КС; bпр тАУ ширина проводника. В нашем случае δСМ = 0,05 мм; bпр = 0,25 мм; bпр мин = 0,395.

Номинальная ширина:

bпр.н = bпр.мин + δТ , где δТ тАУ ширна проводника в сторону уменьшения. δТ 0,03 мм, bпр.н = 0,425 мм.

2.5. Определение минимального расстояния между проводником и КП с МО

, где lРА тАУ шаг КС, lПК = 0,195 мм.

2.6. Определение минимального расстояния межде двумя соседними КП

, lкп = 1,115 мм.

3. Электрический расчет печатной платы 3.1. Определение максимального падения напряжения на проводниках

, где Imax = суммарный ток потребления схемы; ρ - удельное сопротивление меди (материала проводников); lПР тАУ максимальная длина проводника на плате; tпр тАУ толщина проводящего слоя; bпр тАУ ширина проводника.

Суммарный ток потребления схемы равен суммарному току потребления всех ИМС схемы. Токи потребления используемых ИМС следующие:

ИМС

Количество ИМС

Ток потребления, мА

К561УД2А

1

60

К176ИЕ5

1

0,25

К176ЛА7

1

0,1

К176ИЕ2

5

0,1

К561ИЕ14

5

0,1

Суммарный ток потребления схемы

61,35 мА

По чертежу печатной платы определим максимальную длину проводника: lПР = 0,155 м

tпр = 0,035 мм; ρ = 0,175 Ом•мм2/м ; bпр = 0,425 мм; тогда ΔUПР = 0,11 В.

3.2. Определение мощности потерь

, где fT тАУ тактовая частота работы схемы; UПИТ тАУ напряжение питания схемы; tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь материала печатной платы; С тАУ емкость между слоями платы.

В качестве fT примем вдвое увеличенную максимальную частоту входного сигнала частотомера: fT = 200 кГц. Исходя из схемы электрической принципиальной UПИТ = 9 В. Для стеклотекстолита tgδ = 0,002. Для определения емкости воспользуемся следующей формулой:

, где ε - диэлектрическая проницаемость стеклотекстолита, ε = 5,5; S тАУ площадь печатных проводников . Примем площадь печатных проводников равной десяти процентам площади одной стороны печатной платы, тогда при размерах печатной платы 175 х 135 S = 2207 мм2 .

При таких данных С = 54,6 пФ. Тогда РПОТ = 1,1•10-5 Вт.

3.3. Определение емкости между двумя параллельно идущими проводниками на одной стороне ПП

, где LПР тАУ максимальная длина параллельно идущих проводников на одной стороне ПП; εЭФ тАУ эффективная диэлектрическая проницаемость, εЭФ = 3,25; d тАУ расстояние между краями проводников, d = ШКС тАУ bПР. Тогда С = 1,613 пФ.

3.4. Определение взаимной индуктивности между двумя параллельно идущими проводниками на одной стороне ПП

, М=28,64•10-9 Гн

3.5. Определение емкости между двумя параллельно идущими проводниками на разных сторонах ПП

, где L= - максимальная длина двух параллельно идущих проводников на разных сторонах ПП, исходя из чертежа ПП L= = 0,02 м.

х, ρ(х) тАУ коэффициенты, учитывающие краевой эффект: , х = 9,41; ρ(х) = 3,042; тогда С1 = 6,31•10-14 Ф.

4. Размещение конструктивных элементов

Для обеспечения минимальной длины проводников и минимального количества переходных отверстий, т.е. оптимального размещения КЭ на ПП применяется метод размещения КЭ с помощью матрицы связей. Для упрощения расчетов в матрице связей учитывается только размещение ИМС. Дискретные компоненты размещаются по возможности ближе к тем элементам, с которыми у них наибольшее количество связей.

В матрицу связей заносится количество связей между элементами. В нашем случае матрица связей имеет вид:

DA1

DD1

DD2

DD3

DD4

DD5

DD6

DD7

DD8

DD9

DD10

DD11

DD12

ρ

DA1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

DD1

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

DD2

0

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

2

DD3

0

0

1

0

3

2

2

2

4

0

0

0

0

14

DD4

0

0

0

3

0

3

2

2

0

4

0

0

0

14

DD5

0

0

0

2

3

0

3

2

0

0

4

0

0

14

DD6

0

0

0

2

2

3

0

3

0

0

0

4

0

14

DD7

0

0

0

2

2

2

3

0

0

0

0

0

4

13

DD8

0

0

0

4

0

0

0

0

0

1

1

1

1

8

DD9

0

0

0

0

4

0

0

0

1

0

1

1

1

8

DD10

0

0

0

0

0

4

0

0

1

1

0

1

1

8

DD11

0

0

0

0

0

0

4

0

1

1

1

0

1

8

DD12

0

0

0

0

0

0

0

4

1

1

1

1

0

8

ρi- число связей i-го элемента со всеми остальными (локальная степень) , где аkj тАУ j-й элемент в k-й строке матрицы связей.

Выбираем элемент (вершину) с наименьшей локальлной степенью. В нашем случае тАУ это вершина DA1. Элемент DA1 размещаем в позицию Р1. Далее в строке, сответствующей элементу DA1 находим ячейку с наибольшим количеством связей и в позицию Р2 помещаем элемент из соответствующего столбца матрицы связей. В нашем случае это элемент DD1. Далее анализируем строку, соответствующую элементу DD1 аналогично предыдущей и т.д. В результате получим следующее размещение ИМС по посадочным местам:

DA1

DD1

DD2

DD3

DD4

DD5

DD6

DD7

DD8

DD9

DD10

DD11

DD12

Р1

Р2

Р3

Р4

Р7

Р8

Р11

Р12

Р5

Р6

Р9

Р10

Р13

На печатной плате посадочные места разместим следующим образом:

Р1

Р2

Р3

Р4

Р5

Р6

Р7

Р8

Р9

Р10

Р11

Р12

Р13
5. Расчет основных показателей надежности

Основными показателями надежности являются интенсивность отказов λ, вероятность безотказной работы Р и вероятность отказа Q.

Занесем в таблицу наименования и количество элементов, а также их параметры интенсивность отказов λ0Э, коэффициент нагрузки Кн , температурный коэффициент аТ и коэффициент аВ, учитывающий механические воздействия на элемент:

Наименование эл.

Тип

Кол-во N

λ0Э•10-7 1/ч

Кн

аТ

аВ

N λ0Э Кн аТ аВ

ИМС

К544УД2А

1

0,26

1

2

10

5,2

К176ИЕ5

1

0,2

1

2

10

4

К176ЛА7

1

0,2

1

2

10

4

К176ИЕ2

5

0,2

1

2

10

20

К561ИЕ14

5

0,24

1

2

10

24

Конденсаторы

КМ-5

4

0,3

0,8

1,8

10

17,28

КТ-1

1

0,3

0,8

1,8

10

4,32

К50-16 6В

1

0,5

1

2,8

10

14

К50-16 10В

3

0,5

1

2,8

10

42

КПК-МП

1

0,6

1

3

10

18

Резисторы

МЛТ-0,25

14

0,02

1

2,8

10

7,84

Светодиоды

АЛС304Б

5

0,3

0,8

1,4

10

16,8

Пьезоизлучатель

ЗП-1

1

0,05

0,5

2

10

0,5

Кварцевый ген.

32768 Гц

1

0,01

1

2

10

0,2

Переключатель

П2К-6

3

0,5

0,8

5

10

60

Диод

КД512А

2

0,33

1

1,6

10

10,56

Контакт разъема

РППМ17-48

36

0,2

1

1

10

72

Пайка выводов

-

648

0,005

1

1

10

32,4

Печатная плата

-

2

1

1

1

10

20

Результирующая интенсивность отказов λР =Σ N λ0Э Кн аТ аВ ,                       λР =373,1•10-7 1/ч.

Вероятность безотказной работы за время Т=1 год (прибл. 9000 ч):

, Р(Т) = 0,715

Вероятность того , что в пределах заданной наработки возникнет отказ устройства:

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

Следует отметить, что время наработки на отказ Т=1/λР = 26802,47 ч, что превышает предусмотренные техническим заданием 20000 ч.

ВЫВОДЫ

В данном курсовом проекте была проведена разработка печатного узла портативного частотомера. В процессе разработки был проведен расчет конструкторско-технологических и электрических параметров разрабатываемого устройства. Проведенные расчеты показали полное соответствие разработанного устройства требованиям технического задания. Использованные материалы и детали тАУ стандартные (кроме печатной платы), нестандартных изделий в конструкции портативного частотомера использовано не было.

Литература
  1. Савельев А.Я., Овчинников В.А. Конструирование ЭВМ и систем .- М.: Высш.шк., 1989.- 312 с.
  2. Горобец А.И. и др. Справочник по конструированию радиоэлектронной аппаратуры (печатные узлы) .- К.: Техника, 1985 .- 312 с.
  3. Сборник задач и упражнений по технологии РЭА. Под ред. Е.М.Парфенова .- М.: Высш.шк. ,1982 .- 255 с.

Вместе с этим смотрят:

Разработка схемы радиоприемника
Разработка схемы электронного эквалайзера
Разработка управления тюнером спутникового телевидения
Разработка цифрового таймера