Следующим этапом является конструкторское проектирование. При

выполнении этапа пользователь вводит конструкторско - технологические ограничения (КТО) (например, число токопроводящих слоев, размер платы, области, запрещенные для трассировки и размещения, зазор между проводниками и т.д.). Размещение и трассировка также выполняются в среде графических редакторов, которые поддерживают как автоматизиро­ванный процесс, так и возможность интерактивного вмешательства пользователя в процесс проектирования. Чаще всего задача вначале решается в автоматическом режиме, а далее дорабатывается вручную до требуемого уровня качества.

Например: при проектировании печатных плат (ПП) относительно средних размеров (~40-50 DIP) обычно конструктор в ручном режиме затрачивает 50-60ч. рабочего времени.

Трассировка аналоговой платы с помощью персонального компьютера занимает не более 30 минут. Автоматические трассировщики дают 90-95% соединений. После установки межэлементных связей осуществляется проверка спроектированной платы на наличие отклонения от геометрических параметров. Также осуществляется автоматический контроль на предмет соответствия физически реализованных соединений соединениям принципиальной электрической схемы.

Этап подготовки производства ПП заключается в выпуске полного комплекта конструкторской документации шелкографических или фотошаблонов и перфолент для сверлильных и установочных станков.

3 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Расчет частоты собственных колебаний блока

Арифметическо-логическое устройство может применяется в основном в стационарных ЭВМ. Наиболее разрушающее воздействие при эксплуатации ЭВМ, оказывает вибрация. Конструкция ЭВМ представляет собой сложную колебательную систему, состоящую из конечного числа простых механических узлов. Суммарная частота колебаний складывается из частоты собственных колебаний узла и частот случайных воздействий.

Расчет частоты собственных колебаний блока производиться путем условной замены конструкции блока эквивалентными расчетными схемами.

Частоту собственных колебаний платы для всех случаев ее краев можно определить по формуле 3.1.

f = km*k* B*h*104/a2                                                               (3.1)

 где f – частота собственных колебаний;

 k - поправочный коэфицент при распределенной нагрузке;

 km - поправочный коэфицент на материал

 B - частотная постоянная, зависящая от вида закрепления платы;

 h - толщина платы;

 a - длинна платы;

Выбранные способы(способы 2,3,6) закрепления платы показаны на рисунке 3.1

                2                              3                                6

Рисунок 3.1 Способы крепления плат

Выбираем значения частотной постоянной B для выбранных способов крепления и отношения сторон платы.

Так как соотношения сторон  a и b  равно 1, то значение B для данных способов крепления равны:

Способ 2 – B=336

Способ 3 – B=181

Способ 6 – B=62

Поправочный коэфицент на материал определяется по формуле (3.2).

km = (E/Ec)*(pc/p)                                                                                   (3.2)

где  - поправочный коэфицент на материал;

E и р - модуль упругости и плотность применяемого материала;

Ec и pc - модуль упругости и плотность стали;

Так как плата не стальная, а выполнена из фольгированного диэлектрика, то поправочный коэфицент на материал равен km =  поправочный коэфицент массы элементов при распределенной нагрузке рассчитывается по формуле (3.3).

k = 1/ 1+Qэ/Qn                                                                                                                            (3.3)

где k – поправочный коэфицент при распределенной нагрузке;

Qэ - масса элементов, равномерно размещенных на плате;

 Qn  - масса платы;

В данном случае, поправочный коэфицент массы элементов при распределенной нагрузке равен k =0.6

Толщина платы h= 0.5

Длинна платы a= 95

Подставляем полученные значения в формулу (3.1), и определяем частоту собственных колебаний f0

f02 =(0.54*0.6*336*05*104)/952=0.07

f03 =(0.54*0.6*181*05*104)/952=0.03

f06 =(0.54*0.6*62*05*104)/952=0.01

На основании расчетов получены частоты собственных колебаний платы. Из трех выбираем наименьшее. Исходя из условий прочности, вынужденная частота колебаний должна быть более чем в два раза меньше частоты собственных колебаний. Поэтому данная плата должна применяться в устройствах, где вынужденные колебания не выше

3.2 Оценка уровня унификации блока

Оценить уровень унификации блока путем расчета коэфицентов применяемости и повторяемости .

Коэффициент повторяемости показывает долю элементов в модуле, которые применялись в производстве. Он рассчитывается по формуле (3.4):

                                                 (3.4)

где  кпр - коэфицент применяемости;

nст - количество стандартных изделий, применяемых в блоке;

nун - количество унифицированных изделий, применяемых в блоке;

nнорм - количество нормализованных изделий, применяемых в блоке;

nп - количество покупных изделий, применяемых в блоке;

nор - количество оригинальных изделий, применяемых в блоке;

Эти значения приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Подставляем значения и рассчитываем коэфицент применяемости по формуле (3.4):

                                                        (3.4)

Коэфицент повторяемости находится из отношения общего количества составных частей к общему количеству типоразмеров. Коэфицент применяемости рассчитывается по формуле (3.5):

kn = Nобщ / Nнаим                                                                                   (3.5)

где  - коэфицент повторяемости;

 Nобщ- общее количество применяемых изделий, применяемых в блоке (Nобщ =nст+nун+nнорм+nп+nор);

Nнаим - количество наименований(типоразмеров) изделий;

Подставляем значения и рассчитываем коэфицент повторяемости по формуле(3.6)

                                                   (3.6)

Выполнив расчеты, можно сделать вывод о том, что данный блок является технологичным, так как knр >0.7 и kn >1.

3.3 Оценка надежности блока

Надежность — это свойство объекта выполнять заданные функции в задан­ных условиях в пределах, оговоренных в ТУ.

К основным показателям надежности относятся вероятность безотказной работы, интенсивность отказов, среднее время безотказной работы.

Вероятность безотказной работы - это вероятность того, что в заданном интервале времени не произойдет ни одного отказа. Расчет вероятности безотказ­ной работы ячейки производится по формуле

P(t)=eАt

где P(t) - вероятность безотказной работы;

e — основание натурального логарифма;

A- суммарная интенсивность отказов;

t - требуемое время безотказной работы.

Интенсивность отказов показывает, какая часть элементов по отношению к общему количеству исправно работающих элементов в среднем выходит из строя в единицу времени. Интенсивность отказов ячейки определяется по формуле (3.7):

= 22.59*10-6                                                                     (3.7)

где A0 - интенсивность отказов ячейки;

Д,-э - интенсивность отказов в реальных условиях эксплуатации;

Nj — количество элементов с интенсивностью отказов Ул.

Наработка на отказ То - среднее значение наработки восстанавливаемого объекта между отказами. Среднее время безотказной работы определяется по формуле (3.8):

                                                                                        (3.8)

где То - среднее время безотказной работы;  A0- интенсивность отказов ячейки.

Электрический режим использования ЭРЭ характеризуется коэффициен­том нагрузки, который определяется по формуле (3.9):

                                                                                        (3.9

 где Кн - коэффициент нагрузки;

Npa6 - нагрузка на элемент в рабочем режиме;

Nном номинальная или допустимая по ТУ нагрузка.

Расчет надежности представлен в таблице 3.2

Таблица 3.2

 Расчет надежности

где H - интенсивность отказов в нормальных условиях;

Кн - коэффициент нагрузки;

-коэффициент учета температурного режима;

Kн - интенсивность отказов в реальных условиях эксплуатации;

Ni - количество элементов с интенсивностью отказов .

Подставляем значения и рассчитываем интенсивность отказов ячейки по формуле (3.7):

                                 (3.7)

Подставляем значения и рассчитываем среднее время безотказной работы по формуле (3.8):

T0= 6,4*106ч                                            (3.8)

Рассчитываем вероятность безотказной работы ячейки при разных значе­ниях времени безотказной работы по формуле (3.6):

а)   вероятность безотказной работы ячейки при t1=1000ч:
Р1 (1000) = 1 - 0,0001565 = 0,9998435

б)   вероятность безотказной работы ячейки при t2=5000ч:
P2 (5000) = 1 - 0,0007325 - 0,9992175

в)      вероятность безотказной работы ячейки при t3=10000ч;

Р3 (10000) = 1 - 0,001565 = 0,998435

г)       вероятность безотказной работы ячейки при 14=20000ч:

P4 (20000) = 1 - 0,003195 = 0,996805

д)      вероятность безотказной работы ячейки при t5=50000ч:

P5(50000) = 1 - 0,007825 = 0,992175

Рисунок 3.2  График P(t)

при t1=1000ч, t2=5000ч, t3=l 0000ч, t,=200004,t5=50000ч

Из-за высоких требований, предъявляемых к работе ЭВМ, большое внима­ние в процессе разработки, изготовления и эксплуатации машин уделяется повы­шению надежности. Одним из наиболее совершенных способов повышения на­дежности является резервирование. Рассмотрим два случая резервирования:

1)    нагруженный резерв с общим резервированием всего устройства без восстановления отказавшего устройства;

2)    нагруженный резерв с поэлементным резервированием без применения переключающих устройств.

Для случая нагруженного резерва вероятность безотказной работы устрой­ства определяется по формуле (3.10):

Pur(t)=1-[1-eAut]m                                                                            (3.10)

где Pur(t) - вероятность безотказной работы устройства с постоянным ре­зервом;

Au - интенсивность отказов устройства (AU=0,1565*1011);

t - требуемое время безотказной работы;

m - количество параллельно работающих устройств (m=5);

е - основание натурального логарифма.

Рассчитываем вероятность безотказной работы устройства при разных значениях времени безотказной работы по формуле (3.10):

а)      вероятность безотказной работы устройства при t1=10000ч:

Pur1 (10000) = 1-[l-(l-0,1565-10-2)] 4 =1-[1-1 + O,1565-10-2] 4 =

= 1 - 6 -10 = 0,999999999994

б)      вероятность безотказной работы устройства при t2=50000ч:

Pur2 (50000) = 1 - [0,7825 *10-2 ]4 = 1 - 0.0000000037=0,9999999963

в) вероятность безотказной работы устройства при t3=100000ч:

Pur3 (100000) = 1 - [0,7825 *10-2 ]4 = 1 – 6*10-8  = 0,9999999963

г)       вероятность безотказной работы устройства при t4=150000ч:

Pur4 (150000) = 1 - [0,23475*10 ] 4 = 1 - 0,0000003 - 0.9999997

д)      вероятность безотказной работы устройства при t5=200000ч:

Pur5 (200000) = 1 -[0,313*10] 4 = 1 - 0,00000096 = 0,99999904

Рисунок 3.3 - График P(t)

при t,=l 0000ч, t2=50000ч, t3=l00000ч, t4=150000, t5=200000

3.4 Расчет параметров печатного монтажа платы

Разрабатываемая печатная плата характеризуется следующими общими параметрами, которыми будем руководствоваться при расчете:

1)   шаг основной координатной сетки равен 2,5 мм;

2)   класс платы Б - повышенная плотность монтажа;

3)   толщина платы 0,8±0,15 мм;

4)   толщина материала 0,8 мм, толщина фольги 50 мкм;

5)   сопротивление при длине проводника 1 м: 0,83 Ом;

6)   толщина проводника 80 мкм;

7)   ширина проводника t=0,3 мм;

8)   расстояние между проводниками S=0,4 мм;

9)   расстояние между контактными площадками или проводниками и кон­тактной площадкой So=O,3 мм;

10)диаметр вывода навесного элемента не более 0,5 мм.

Величина диаметра отверстий после металлизации определяется по фор­муле (3.12):

d0 =dв+(0,14+0,30)                                                                         (3.12)

где do - диаметр отверстий после металлизации;

dв -диаметр вывода навесного элемента.

Рассчитываем диаметр отверстий после металлизации по формуле (3.12):

do = 0,5 + 0.30 = 0,8 мм

Диаметр отверстия под металлизацию определяется по формуле (3.13):

d = d0 +(0,1 + 0,15)                                                                           (3.13)

Рассчитываем диаметр отверстия под металлизацию по формуле (3.13):

d = 0,8 + 0,1 = 0,9 мм

Диаметр зенковки для отверстий диаметром менее 1мм определяется по формуле (3.14):

dзенк =d + 0,2                                                                                     (3.14)

Рассчитываем диаметр зенковки для отверстий диаметром менее 1мм по формуле(3.14):

dзенк =0,9 + 0,2 = 1.1 мм

Диаметр контактной площадки отверстий определяется по формуле (3.15):

dK=d + c + 2b                                                                                      (3.15)

где dK - диаметр контактной площадки отверстий;

d - диаметр отверстия;

с-суммарный коэффициент, учитывающий изменение диаметров отвер­стий, контактных площадок, межцентрового расстояния и смещения слоев в про­цессе изготовления (с=0,5 мм);

b-ширина контактной площадки в узком месте : b=0,15 мм.

Рассчитываем диаметр контактной площадки отверстий по формуле (3.15)

dK =0,8+ 0.5+ 2-0,15 = 1,6 мм

Расстояние между центрами двух монтажных отверстий определяется по формуле (3.16):

                                  (3.16)

где l - расстояние между центрами двух монтажных отверстий;-

kn - технологический коэффициент, обеспечивающий возможность качест­венного изготовления плат (kn=0,l);

n - количество проводников.

Рассчитываем расстояние между центрами двух монтажных отверстий по формуле (3.16):

Максимальное количество проводников, проходящих между соседними отверстиями, определяется по формуле (3.17):

n = ((l-2l2)/tв) + 1                                                                                 (3.17)

где п - максимальное количество проводников между соседними отвер­стиями;

l -расстояние между центрами двух монтажных отверстий;

l2 -номинальное расстояние между осями контактной площадки и провод­ника и рассчитывается по формуле (3.18):

l2 = Dk max + 2Smin tmax

                             2                                                                   (3.18)

где DKmax - максимальный диаметр контактной площадки;

Smin - минимально допустимое расстояние между проводниками;

tmax -максимально допустимая ширина проводника,

Страницы: 1, 2, 3, 4