Реферат: Разработка печатного узла портативного частотомера

Национальный техническийуниверситет 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 –71 ІІІ курса ФЭЛ

Кузин Евгений Андреевич

№ зачетки ДК-7112

Преподаватель:

Лескин В.Ф.

Киев — 2000

СОДЕРЖАНИЕ

TOC o «1-2» h z ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА РАЗРАБОТКУ ПЛАТЫПОРТАТИВНОГО ЧАСТОТОМЕРА.PAGEREF _Toc483487113 h 3

1. Выбор иобоснование применения элементной базы.PAGEREF _Toc483487114 h 5

1.1. Резисторы,конденсаторы, диоды и другие дискретные компоненты.PAGEREF _Toc483487115 h 5

1.2. Интегральныемикросхемы.PAGEREF _Toc483487116 h 5

2. Конструкторско-технологическийрасчет печатной платы.PAGEREF _Toc483487117 h 7

2.1. Определениеминимального диаметра металлизированного отверстия. PAGEREF _Toc483487118 h 7

2.2. Определениеминимального диаметра монтажного отверстия. PAGEREF _Toc483487119 h 8

2.3. Определениеминимального диаметра контактной площадки. PAGEREF _Toc483487120 h 8

2.4. Определениеширины проводников. PAGEREF_Toc483487121 h 8

2.5. Определениеминимального расстояния между проводником и КП с МО… PAGEREF _Toc483487122 h 9

2.6. Определениеминимального расстояния межде двумя соседними КП… PAGEREF _Toc483487123 h 9

3. Электрическийрасчет печатной платы… PAGEREF _Toc483487124 h 9

3.1. Определениемаксимального падения напряжения на проводниках. PAGEREF _Toc483487125 h 9

3.2. Определениемощности потерь. PAGEREF _Toc483487126 h 10

3.3. Определениеемкости между двумя параллельно идущими проводниками на одной стороне ПП… PAGEREF _Toc483487127 h 10

3.4. Определениевзаимной индуктивности между двумя параллельно идущими проводниками на однойстороне ПП… PAGEREF _Toc483487128 h 10

3.5. Определениеемкости между двумя параллельно идущими проводниками на разных сторонах ПП… PAGEREF _Toc483487129 h 11

4. Размещениеконструктивных элементов… PAGEREF _Toc483487130 h 11

5. Расчет основных показателей надежности… PAGEREF _Toc483487131 h 12

ВЫВОДЫ… PAGEREF _Toc483487132 h 13

Литература… PAGEREF _Toc483487133 h 14

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА РАЗРАБОТКУ ПЛАТЫ ПОРТАТИВНОГОЧАСТОТОМЕРА.

1. Наименование иобласть применения.

Портативный частотомер предназначендля измерения частоты входного сигнала в широком диапазоне частот.

2. Основание для разработки.

Основанием для разработки являетсязадание на курсовой проект.

3. Цель и назначение разработки.

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

4. Источник разработки.

Источником разработки является схема электрическаяпринципиальная портативного частотомера.

5. Технические требования.

5.1. Состав изделия и требования к разрабатываемомуустройству.

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

5.2. Показатели назначения.

5.2.1. Число входов – 1.

5.2.2. Питание схемы осуществляется от внешнегоисточника питания напряжением 9 В.

5.2.3. Диапазон измеряемых частот – 5 Гц…100 кГц.

5.3. Требования к надежности.

Среднее время наработки на отказ – не менее 20000часов.

5.4. Требования к технологичности.

Ориентированные на передовые приемы изготовлениядеталей и сборки.

5.5. Требования к уровню унификации истандартизации.

Максимально использовать стандартные иунифицированные детали и изделия.

5.6. Требования безопасности обслуживания.

Руководствоваться общими требованиями техникибезопасности 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 безограничений. Для изготовления платы спользуются покупные изделия.

5.8. Условия эксплуатации.

Климатическое исполнение УХЛ 3.1. ГОСТ 15150-69.

Температура рабочая -10…+60С

Влажность воздуха(верхнее значение) 90% при 25 С

Атмосферное давление 600…800 мм рт.ст.

5.9. Требования кмаркировке и установке.

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

5.10. Требования ктранспортированию и хранению.

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

Температура воздуха +1…+40С

Относительнаявлажность воздуха 65% при20 С

Атмосферное давление 84…106кПа

Транспортироваттьавтомобильным и железнодорожным транспортом в транспортной таре.

1. Выбор и обоснование применения элементной базы.

Для создания разрабатываемого устройства согласнотехническому заданию необходимо применить комплектующие отечественногопроизводства и максимально использовать стандартные компоненты и изделия.Исходя из этого выбор элементной базы будет следующим.

1.1. Резисторы, конденсаторы, диоды и другие дискретныекомпоненты.

Для применения в разрабатываемом устройстве были выбраны резисторымарки МЛТ мощностью 0,25 Вт. Выбор был сделан, исходя из соображенийдостаточной надежности, точности и низкой общей стоимости прибора. Резисторымарки МЛТ в достаточной степени удовлетворяют вышеприведенным требованиям иявляются одной из наиболее распространенных марок резисторов, что сыгралорешающую роль при их выборе. Другие дискретные компоненты выбраны исходя изаналогичных соображений.

1.2. Интегральные микросхемы.

Ввиду большого разнообразия серий микросхем, пригодных дляиспользования в разрабатываемом устройстве и значительного количествапараметров микросхем, их выбор аналогично выбору дискретных компонентовзатруднителен. Поэтому воспользуемся методом выбора компонентов по матрицепараметров. Данный метод заключается в следующем.

В матрицу параметров заносятся параметры элементов, из которыхнеобходимо выбрать один. В нашем случае микросхемы будем выбирать средисерий К176, К561, К155, К555. Выборбудем производить по следующим параметрам: напряжение выхода нуля Uвых0 ; напряжениевыхода 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– весовой коэффициент параметра, который учитывает значимость параметра.

Параметры матрицы необходимо пересчитать так, чтобы большемузначению параметра соответствовало лучшее свойство элемента. Так как лучшимисвойствами микросхемы являются низкое выходное напряжение нуля, высокоевыходное напряжение единицы, низкие входной ток и ток потребления, параметры Uвых0, Iпот, Iвх необходимопересчитать (взять обратную величину). После пересчета параметров матрицапараметров примет вид:

3,333333

0,01

3,333333

1,25

4,2

0,01

2,5

2,4

3,33·10-5

0,025

2,7

5,26·10-5

0,000333

Далее параметры матрицы нормируют по следующей формуле:

<img src="/cache/referats/3559/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025"> , где yij– элемент матрицы параметров, стоящий в i-й строке и j-м столбце аij–аналогичный элемент в нормированной матрице.

После нормирования матрица параметров примет вид:

0,666667

0,625

0,475

0,25

0,7

0,996667

0,9975

0,4

0,6625

0,994737

0,999967

Для обобщения анализа параметров вводят оценочную функцию Q:

<img src="/cache/referats/3559/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026"> , m – количество строк вматрице параметров.

После проведения расчетов значения оценочной функции вышлиследующими:

К176

0,666667

К561

1,1

К155

2,944167

К555

3,057204

Необходимая серия ИМС выбирается, исходя из минимального значенияоценочной функции. На основании проведенных расчетов для использования вразрабатываемом устройстве выбираем серию К176.

Примечание: микросхемы DD8-DD12 (см. перечень элементов) были выбраны из серии К561 т.к. всерии К176 нет элемента необходимого типа элемента, а серия К561 имеет значениеоценочной 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 качествеоснования стеклотекстолит фольгированный двусторонний толщиной 2 мм, толщинафольги 35 мкм, марки СФ-2-35-2,0. Способ нанесения рисунка разводки – фотохимический. Класспечатной платы – 3.

2.1. Определение минимального диаметра металлизированногоотверстия

<img src="/cache/referats/3559/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027">gt– отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине печатной платы(ПП), мм; hпп– толщина печатной платы. В нашем случае Кgt = 0,33; hпп = 2 мм, d01 = 0,66 мм.

2.2. Определение минимального диаметра монтажного отверстия

<img src="/cache/referats/3559/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028">dВЭ– диаметр вывода элемента, мм; h0– толщина медного слоя, мм; D

` — зазор межде выводом конструктивного элемента (КЭ) и стенкой отверстия, мм; d0– погрешность расположения отверстий относительно узла координатной сетки (КС).

В нашем случае (при h0= 0,035 мм; D

`= 0,15 мм; d0= 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 номинальныхзначений, выберем все диаметры отверстий равными 1,3 мм, а диаметр отверстийпод подстроечный конденсатор – 3 мм.

2.3. Определение минимального диаметра контактной площадки

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

<img src="/cache/referats/3559/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029">bn0– ширина пояска контактной площадки, мм; d

КП –погрешность расположения контактной площадки относительно узла КС; dФФ– погрешность фотокопий и фотошаблонов; hф – толщина фольги. В нашем случае bn0= 0,1 мм; dКП= 0,05 мм; dФФ= 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 :

<img src="/cache/referats/3559/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1030">d

СМ – погрешность смещения проводниковотносительно линии КС; bпр– ширина проводника. В нашем случае dСМ = 0,05 мм; bпр = 0,25 мм; bпр мин = 0,395.

Номинальная ширина:

bпр.н= bпр.мин + d

Т, где dТ– ширна проводника в сторону уменьшения. dТ 0,03 мм, bпр.н = 0,425 мм.2.5. Определение минимального расстояния между проводником и КПс МО

<img src="/cache/referats/3559/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1031">lРА– шаг КС, lПК= 0,195 мм.

2.6. Определениеминимального расстояния межде двумя соседними КП

<img src="/cache/referats/3559/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1032">lкп= 1,115 мм.

3. Электрический расчет печатной платы3.1. Определение максимального падения напряжения на проводниках

<img src="/cache/referats/3559/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1033">Imax= суммарный ток потребления схемы; r

— удельное сопротивление меди (материала проводников); lПР – максимальнаядлина проводника на плате; tпр– толщина проводящего слоя; bпр – ширина проводника.

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

ИМС

Количество ИМС

Ток потребления, мА

К561УД2А

К176ИЕ5

0,25

К176ЛА7

0,1

К176ИЕ2

0,1

К561ИЕ14

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; r

= 0,175 Ом·мм2/м; bпр =0,425 мм; тогда DUПР = 0,11 В.3.2. Определение мощности потерь

<img src="/cache/referats/3559/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1034">fT– тактовая частота работы схемы; UПИТ – напряжение питания схемы; tgd

— тангенс угла диэлектрических потерь материала печатной платы; С – емкость междуслоями платы.

В качестве fTпримем вдвое увеличенную максимальную частоту входного сигнала частотомера: fT = 200 кГц.Исходя из схемы электрической принципиальной UПИТ = 9 В. Для стеклотекстолита tgd

=0,002. Для определения емкости воспользуемся следующей формулой:

<img src="/cache/referats/3559/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1035">e

— диэлектрическая проницаемость стеклотекстолита, e =5,5; S – площадьпечатных проводников. Примем площадь печатных проводников равной десятипроцентам площади одной стороны печатной платы, тогда при размерах печатнойплаты 175 х 135 S =2207 мм2.

При таких данных С = 54,6 пФ. Тогда РПОТ = 1,1·

10-5Вт.3.3. Определение емкости между двумя параллельно идущимипроводниками на одной стороне ПП

<img src="/cache/referats/3559/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1036">LПР– максимальная длина параллельно идущих проводников на одной стороне ПП; e

ЭФ– эффективная диэлектрическая проницаемость, eЭФ = 3,25; d – расстояние между краямипроводников, d = ШКС – bПР. Тогда С =1,613 пФ.3.4. Определениевзаимной индуктивности между двумя параллельно идущими проводниками на однойстороне ПП

<img src="/cache/referats/3559/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1037">·

10-9 Гн3.5. Определение емкости между двумя параллельно идущимипроводниками на разных сторонах ПП

<img src="/cache/referats/3559/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1038">L= — максимальная длина двух параллельно идущих проводников на разных сторонах ПП,исходя из чертежа ПП L== 0,02 м.

х, r

(х)– коэффициенты, учитывающие краевой эффект: <img src="/cache/referats/3559/image030.gif" v:shapes="_x0000_i1039">r(х) = 3,042; тогда С1 = 6,31·10-14Ф.4. Размещение конструктивных элементов

Для обеспечения минимальной длины проводников и минимальногоколичества переходных отверстий, т.е. оптимального размещения КЭ на ППприменяется метод размещения КЭ с помощью матрицы связей. Для упрощениярасчетов в матрице связей учитывается только размещение ИМС. Дискретныекомпоненты размещаются по возможности ближе к тем элементам, с которыми у нихнаибольшее количество связей.

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

DA1

DD1

DD2

DD3

DD4

DD5

DD6

DD7

DD8

DD9

DD10

DD11

DD12

DA1

DD1

DD2

DD3

DD4

DD5

DD6

DD7

DD8

DD9

DD10

DD11

DD12

r

i — число связей i-го элемента со всемиостальными (локальная степень) <img src="/cache/referats/3559/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1040">kj– j-й элемент в k-й строке матрицы связей.

Выбираем элемент (вершину) с наименьшей локальлной степенью. Внашем случае – это вершина DA1.Элемент DA1 размещаем впозицию Р1. Далее в строке, сответствующей элементу DA1 находим ячейку с наибольшимколичеством связей и в позицию Р2 помещаем элемент из соответствующего столбцаматрицы связей. В нашем случае это элемент DD1. Далее анализируемстроку, соответствующую элементу DD1 аналогично предыдущей и т.д. В результате получим следующееразмещение ИМС по посадочным местам:

DA1

DD1

DD2

DD3

DD4

DD5

DD6

DD7

DD8

DD9

DD10

DD11