Г(о)боуспо елецкий промышленно-экономический техникум выпускная квалификационная работа

Раздел работы

Срок выполнения

Подпись руководителя

по плану

фактически

1. Раздел. Конструкторская часть.

2. Раздел. Расчетная часть.

3. Оформление пояснительной записки.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ.

1.1 Описание конструкции и принципа действия электронного устройства.

1.2 Создание электрической принципиальной схемы в системе Dip Trace.

1.3 Создание печатной платы в системе Dip Trace.

1.4 Информация о печатной плате в системе Dip Trace.

2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ.

2.1 Расчет надежности

2.1.1 Основные понятия теории надежности

2.1.2 Расчет надежности электронного устройства по внезапным отказам.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Справочные данные для расчета надежности:

Таблицы:

П 1. Интенсивности отказов компонентов;

П 2. Коэффициенты влияния механических воздействий;

П 3. Коэффициенты влияния влажности;

П 4. Коэффициенты влияния атмосферного давления;

Графики:

П 1. Зависимости _N(t_KN,K_HN) для транзисторов;

П 2. Зависимости _N(t_KN,K_HN) для полупроводниковых диодов;

П 3. Зависимости _N(t_KN,K_HN) для конденсаторов;

П 4. Зависимости _N(t_KN,K_HN) для резисторов ( _i<1);

П 5. Зависимости _N(t_KN,K_HN) для резисторов ( _i>1);

П 6. Зависимости _N(t_KN,K_HN) для трансформаторов.

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.07. ПЗ

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Разраб.

Иванов И.И.

«Оператор ЭВМ»

Лит.

Лист

Листов

Пров.

Белянина Е.Ю.

3

ЕПЭТ ЭВМ-10-1

Н. контр.

Утв.

Белянина Е.Ю.

ВВЕДЕНИЕ

Печатная плата - пластинка из электроизоляционного материала (гетинакса, текстолита, стеклотекстолита, и др.), на поверхности которой каким либо образом (например, фотохимическим) нанесены тонкие электропроводящие полоски (печатные проводники) с контактными площадками для подсоединения навесных электро- и радиоэлементов (в том числе модулей и интегральных схем). Под печатной платой понимается конструкция электрических межсоединений на изоляционном основании. Основные конструктивные элементы печатной платы - основание (подложка) и проводники.

Круг второстепенных элементов несколько шире: контактные площадки, переходные металлизируемые и монтажные отверстия, ламели для контактирования с разъемами, участки для осуществления теплоотвода и др.

Переход к печатным платам ознаменовал качественный скачок в области конструирования радиоэлектронной аппаратуры. Печатная плата совмещает функции носителя радиоэлементов и электрического соединения этих элементов.

В настоящее время имеется ряд систем сквозного проектирования электронных устройств, включающих разработку функциональных и принципиальных схем, моделирование различных режимов работы устройств, разработку печатных плат с выдачей данных на устройства печати и подготовкой данных для фотоплоттера и сверлильного станка. Наиболее известны пакеты Design Center и Design Lab корпорации MicroSim, Dr Spice фиpмы Deutsch Research. Это мощные пакеты с современными интерфейсами пользователя, возможностью моделирования аналоговых, цифровых и аналого-цифровых схем, а также схем на базе программируемых логических устройств. В состав этих пакетов входит трассировщик SPECCTRA, разработанный фирмой Cadence Design Systems и считающийся в настоящее время наилучшим. В последнее время появились новые пакеты сквозного проектирования. Один из них – OrCAD9.x, продукт слияния фирм OrCAD и MicroSim, воплотивший достоинства пакетов OrCAD и PSpice. Он выполнен на платформе Windows 95/NT и предназначен для проектирования аналоговых, цифровых и смешанных устройств, синтеза программируемой логики и аналоговых фильтров.

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.07. ПЗ

Лист

4

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Естественно, эти пакеты очень дорогие, стоимость их составляет десятки тысяч долларов. Их рекомендуется использовать, если основное внимание при разработке уделяется моделированию.

Наиболее популярным пакетом для проектирования печатных плат является пакет P-CAD, ранние версии которого разработаны фирмой Personal CAD Systems Inc., а наиболее поздние – фирмой ACCEL Technologies. В России применяется несколько версий этого пакета, наиболее распространенной из которых является версия 4.5, поскольку она русифицирована и имеет интерфейсы с оборудованием для производства печатных плат. Все версии P-CAD работают под управлением DOS, однако в настоящее время имеются разработки версий P-CAD для Windows – ACCEL EDA. Последней версии пакета возвращено старое доброе имя P-CAD.

К сожалению, версии под управлением Windows из-за дороговизны пока не получили широкого распространения в России.

В нашем образовательном учреждении для проектирования печатных плат используется пакет DipTrace. Система DipTrace является интегрированным набором специализированных программных пакетов, работающих в диалоговом режиме. Средства системы позволяют проектировать принципиальные электрические схемы, печатные платы (в том числе и многослойные), а также получать всю необходимую информацию о печатной плате

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.07. ПЗ

Лист

5

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Задачи выпускной квалификационной работы:

• Разработать печатную плату мелодичного звонка на микросхеме K155ЛАЗ в

системе DipTrace, с исходными данными к проекту:

схема электрическая принципиальная Рис.1.

• Рассчитать надежность проектируемой печатной платы.

Рис. 1 Электрическая принципиальная схема мелодичного звонка

на микросхеме K155ЛАЗ

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.07. ПЗ

Лист

6

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

1. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ.

1.1 Описание конструкции и принципа действия электронного устройства.

Квартирные звонки, «исполняющие» фрагменты популярных мелодий, которые конструкторы выбирают сами и заранее программируют, вызывают большой интерес радиолюбителей. Однако при их повторении нередко возникают сложности с приобретени­ем комплектующих элементов. Осо­бенно трудно это достается еще не очень опытным радиолюбителям с весь­ма ограниченным запасом деталей. В предлагаемой конструкции мелодического звонка (рис. 1) использованы наиболее доступные для радиолю­бителей микросхемы серии K155 и транзисторы широкого применения. Элементы DD1.1 и DD1.2 микросхе­мы К155ЛАЗ (DD1) и транзистор VT1 образуют тактовый генератор, выраба­тывающий прямоугольные импульсы, следующие с частотой около 1,5 Гц. Импульсы поступают на вход делителя частоты, собранного на D-триггерах микросхемы К155ТМ2 (DD2), и инвертор DD 1.3, а с их выходов — на элек­тронный переключатель, выполненный на элементах микросхем K155ЛA4 (DD3—DD5). Выходы элементов пере­ключателя через развязывающие диоды VD1—VD7 и резисторы R2—R8 подклю­чены к генератору колебаний звуковой частоты, собранному по схеме несимметричного мультивибратора на транзисто­рах VT2, VT3. Элемент DD5.3 выполняет функцию усилителя колебаний ЗЧ. Его нагрузкой служит половина первичной обмотки трансформатора Т1, ко вторич­ной обмотке которого подключена дина­мическая головка ВА1. Регулировка гром­кости осуществляется резистором R16.

Стабилизированное напряжение 5 В питания микросхем обеспечивает сетевой блок питания. Напряжение сети, пони­женное трансформатором Т2 до 7...8 В, выпрямляется диодным мостом VD9 — VD12. Стабилизатор выпрямленного на­пряжения образуют транзисторы VT4, VT5 и стабилитрон VD8. Конденсатор С4 сгла­живает пульсации питающего напряже­ния.

Устройство работает следующим обра­зом. При нажатии на кнопку SB 1 «Вызов» на выходах элементов переключателя, в том числе и на выводе 6 элемента DD5.2. появляется напряжение высокого уровня.

Открывается ключевой транзистор VT6, срабатывает реле К1, а его контакты К1.1 блокируют кнопку, которую теперь мож­но отпустить.

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.07. ПЗ

Лист

7

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Одновременно начинает работать так­товый генератор. Его сигналы, пройдя через делитель DD2.1, DD2.2 и инвертор DD1.3, поступают на входы элементов переключателя. При этом на выходах эле­ментов переключателя от верхнего, по схеме, к нижнему элементу «перемещает­ся» сигнал низкого уровня, соединяя с общим проводом соответствующие частотозадающие резисторы R2—R8 генерато­ра ЗЧ. Динамическая головка ВА1 излуча­ет звук соответствующей тональности. Как только сигнал низкого уровня дойдет до выхода 6 элемента DD5.2, транзистор VD6 закроется, реле К1 отпустит якорь, его контакты К1.1 разомкнутся и выключат питание звонка.

Цепь начальной установки R17C5 обеспечивает исходное состояние триггеров DD2.1 и DD2.2 после выключения пита­ния.

Все резисторы - МЛТ-0,125 или МЛТ-0,25, оксидные конденсаторы — К50-6, остальные — МБМ или КМ-6. Диоды VD1—VD7 — любые кремниевые или гер­маниевые. Диоды VD9—VD12 должны быть рассчитаны на ток не менее 300 мА, VD1 — не менее 50 мА (ток срабатывания реле К1).

Трансформатор Т1 — выходной от ма­логабаритного транзисторного приемни­ка. Реле К1 - РЭС9 (паспорт РС4.524.203). Подойдут также реле РЭС10 (паспорт РС4.524.304) или другие аналогичные, контакты которых способны коммутиро­вать значительный ток и допускают пере­менное напряжение 220 В.

Магнитопровод трансформатора Т2 бло­ка питания собирают из пластин Ш16, толщина пакета — 16 мм. Обмотка 1 содержит 2750 витков провода ПЭВ-1 0,15, обмотка II - 100 витков провода ПЭВ-1 0.44 (марка намоточного провода может быть иной). Между обмот­ками проложен слой лакоткани. Транзис­тор ГТ403Б (VT4) стабилизатора напря­жения заменим на любой p-n-р транзистор средней или большой мощности, а транзистор МП38А(VТ5) — на любой n-p-n транзистор малой мощности, в том числе на КТ315 с любым буквенным индексом.

Вообще же, для питания электронной части звонка пригоден любой другой сете­вой блок с выходным напряжением 5 В при токе нагрузки до 300 мА.

Налаживание устройства начинают с проверки работоспособности блока питания.

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.07. ПЗ

Лист

8

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

На его выходе должно быть 5 В, а на эмиттере транзистора VT5 относительно цепи +5 В —3,9 В, т. е. соответствовать напряжению стабили­зации стабилитрона VD8. Необходи­мое выходное напряжение устанавли­вают подбором резистора R14.

Далее, предварительно замкнув про­волочной перемычкой контакты реле К1.1, к выходу тактового генератора (вывод 6 элемента DD1.2) подключают вольтметр постоянного тока и по коле­баниям его стрелки наблюдают им­пульсы генератора частотой примерно 1,5 Гц. Такую частоту генератора уста­навливают подбором резистора R1 или конденсатора C1.

Затем проверяют работу делителя час­тоты тактового генератора. На выходах 5 и 6 триггера DD2.1 частота импульсов должна быть в два, а на выходах 9 и 8 триггера DD2.2 в четыре раза меньше частоты генератора.

Работу электронного переключателя проверяют поочередным подключени­ем вольтметра (или осциллографа) к выходам его элементов. При сигнале высокого уровня на выходе каждого из них измерительный прибор должен показать напряжение не менее 2.4 В, а при сигнале низкого уровня — пример­но 0,4 В.

Музыкальная гамма — это ни что иное, как ряд последовательных звуков определенной частоты. Поэтому ори­ентировочное сопротивление каждого из времязадаюших резисторов R2—R8 выбранной мелодии определяют по формуле

Rx=100/(10000 - 7f),

где Rx — сопротивление резистора, МОм, f — частота соответствующей ноты, Гц.

Резистором R2 устанавливают пер­вый тон, а затем подбором остальных резисторов — весь фрагмент мелодии. Звучание одного тона во время подбора того или иного резистора можно удли­нить, подключив параллельно конденсатору С1 тактового генератора допол­нительный конденсатор емкостью 30...50 мкФ. Для более точной настройки резисторы R2—R8 можно за­менить подстроечными резисторами.

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.07. ПЗ

Лист

9

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

2. Создание электрической принципиальной схемы в системе Dip Trace.

Перед началом работы производят настройку редактора Dip Trace Schematic

В редакторе Schematic устанавливаются следующие настройки в пункте меню Параметры:

- размер рабочей области окна – А4

- единицы – mm (миллиметры)

- шаг сетки – 2,5 мм и 1,25 мм

- толщина линии – 0,25 мм

Для создания схемы электрической принципиальной необходимо подключить созданную библиотеку (Bibl.lib). Это производится выбором пункта меню Библиотека/Установка и добавлением в открывшемся окне данной библиотеки.

С помощью пиктограммы «Поместить элемент» в схему добавляются элементы, которые берутся из подключенной библиотеки. Затем элементы соединяются между собой с помощью соответствующей пиктограммы. При последних двух операциях нужно отслеживать минимальное расстояние между элементами и проводниками. В результате получается схема электрическая принципиальная.

Чтобы переместить установленный компонент наводим стрелку на символ и нажав левую кнопку мыши захватим его, затем переместим символ в нужное место, удерживая левую кнопку. Чтобы изменить метку транзистора U1, выделим курсором символ и нажмем правую кнопку, затем выберем верхний пункт (метка компонента) в появившемся подменю. В диалоговом окне укажем новую метку. Чтобы повернуть компонент перед установкой на схему, нажмем клавишу “пробел” или “R”.

Скопировать можно двумя способами:

а) Выберите “Правка / Копировать” в главном меню, а затем

“Правка /Вставить” три раза или щелчок правой кнопкой мыши в месте, где

надо вставить символ и “Вставить” в появившемся подменю.

б) Выберите компонент, затем “Правка / Создать матрицу” в главном меню

(или просто нажмите “Ctrl+M”). В диалоговом окне “Матрица” укажите

количество столбцов и строк и расстояния. Получится матрица компонентов.

Повернуть компонент на 90 градусов можно используя, “пробел” или клавишу “R”

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.07. ПЗ

Лист

10

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

для вращения символов. Можно вращать используя команду “Правка / Вращение”

или щелчок правой кнопки мыши на символе и выбрать “Вращение” в подменю.

Для ортогонального перемещения используют клавишу “Shift”.

Перемещать схему можно, используя правую кнопку или колесо мыши: установим

курсор в области построения, затем нажмем и удержим правую кнопку или колесо

мыши и переместите проект в новое положение. Чтобы отобразить тип компонентов схемы, щелкнем правой кнопкой по ним и выберем “Свойства” в подменю.

Щелкнем по закладке “Надписи” в окне свойств компонента. Выберем “Тип” в поле “Показывать” для дополнительной надписи. Позиционное обозначение метки на схеме, соответствует настройкам по умолчанию.

Чтобы показать имена выводов нажмем “Вид / Номера выводов / Показать”.

Можно изменить номера выводов компонента, сделав щелчок правой кнопкой по

выводу и выбрав “Имя вывода” в появившемся подменю.

Чтобы переместить текст выберем “Вид /Надписи компонентов / Позиционирование”

или просто нажмем “F10”, а затем переместим название типа компонента и имена выводов.

Можно вращать надписи при перемещении нажатием клавиши “R” или “Пробел”.

Можно задать общие настройки для всей схемы, которые применяются для всех компонентов в подменю “Вид / Надписи компонентов” кроме тех, которые имеют индивидуальные настройки.

Чтобы отменить предыдущее действие можно использовать команду “Правка / Шаг назад” или нажать соответствующую кнопку на стандартной панели.

Программа сохраняет до 50 шагов. Вы можете сделать “Шаг вперед” в противоположность функции “Шаг назад”.

При создании сложных электрических схем трудно избежать ошибок при вводе всех объектов схемы. Поэтому всегда необходимо производить проверку схемы на наличие ошибок.

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.07. ПЗ

Лист

11

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Сделаем проверку целостности сетей. Нажмем “Проверка / Проверка

целостности сетей” и увидим сообщение об ошибках.

Сравним наш проект с заданной схемой. Сравнение со схемой отображает ошибки структуры сетей. Выберем “Проверка / Сравнение со схемой” в главном меню, затем выберем файл схемы.

Увидим список ошибок. Двойной щелчок на ошибке в списке – место

ошибки будет локализовано в центре окна и ошибка будет обведена для более

легкого распознавания. Исправим ошибки без закрытия окна DRC, затем

перезапустим DRC для обновления списка ошибок.

После исправления всех ошибок сохраним электрическую принципиальную

схему для дальнейшего преобразования ее в печатную плату.

В результате работы над проектом получена электрическая принципиальная

схема терморегулятора, представленная на Рис.2.

Рис.2 Электрическая принципиальная схема терморегулятора в системе Dip Trace

Рис.2 Электрическая принципиальная схема терморегулятора в системе Dip Trace

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.07. ПЗ

Лист

12

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

1.3 Создание печатной платы в системе Dip Trace.

Перед началом работы производят настройку редактора Dip Trace PCB

Устанавливаются следующие настройки редактора:

- размер рабочей области окна – 240х200мм;

- единицы – mm;

- шаг сетки – 2,5мм;

- толщина линии – 0,25мм;

- стиль контактной площадки и стиль переходного отверстия – устанавливаются при подключении файла технологии проекта в меню Файл/Параметры технологии проекта.

В редакторе Schematic выбираем “Файл /Преобразовать в плату” и производим преобразование схемы.

Размещаем компоненты, в соответствии с правилами. Перемещение компонентов производится путем размещения курсора на компоненте и перетаскивании его в

нужное положение. Нажмите “Пробел” или клавишу “R” для вращения компонента

на 90 градусов. Для вращения на угол, не кратный 90 градусов, выбераем компонент,

делаем щелчок правой кнопкой по нему и выбираем “Задать угол” или “Режим вращения”. Второй режим позволяет свободно вращать компонент с помощью мыши

на произвольный угол.

Компоненты группируются по функциональному назначению (источник питания, цифровая часть, аналоговая часть) с целью достижения кратчайших связей между компонентами и минимизации помех. Для высокочастотной техники применяются дополнительные правила для достижения целостности передачи сигнала.

Размещение компонентов проводится вручную. При этом используется процедура автоматического выравнивания. Для этого необходимо выбрать компоненты, которые нужно выровнять, и с помощью контекстного меню выбрать сначала точку выбора, а затем параметры выравнивания.

Можно обновить плату из измененной схемотехники с сохранением трассировки.

Для этого выбираем “Файл / Обновить структуру из схемы”, затем выбираем

измененный файл схемотехники.

Делаем надписи корпусов видимыми выбирая “Вид / Надписи корпусов / Основная / Метки”.

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.07. ПЗ

Лист

13

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Для выравнивания надписей, нажимаем “Вид / Надписи корпусов / Основная / Выравнивание” и выбираем более подходящее расположение для надписей.

Для задания индивидуальных параметров для выбранных компонентов: щелчок правой кнопки по одному из них Свойства / Надписи. Можно использовать “F10”

или “Вид / Надписи корпусов / Позиционирование” для перемещения надписей.

Изменение конфигурации связей после расстановки, производим выбирая

“Вид / Связи / Оптимизировать” в главном меню для оптимизации связей.

Добавление и удаление связи производим наведя курсор на один из выводов (например, R4 – B), и щелчком правой кнопкой, выбираем “Удалить из сети” и вывод будет удален из сети.

Добавление нескольких выводов к сети без создания линии связи, производим

подведя курсор к выводу, и делая щелчок правой кнопкой. Затем выбираем

“Добавить в сеть / Выбрать из списка”. Теперь подводим курсор к этому выводу,

делаем щелчок левой кнопкой, затем перемещаем курсор к другому выводу и делаем

еще один щелчок левой кнопкой. Так создаем связь между выводами.

Для удаления существующей связи нужно повторить создание связи, в появившемся подменю выбрать “Удалить связь”.

Перед трассировкой надо задать границы платы. Для этого выбираем

“Трассировка / Границы платы” или соответствующую кнопку на панели трассировки.

Затем размещаем границы платы: щелкая левой кнопкой мыши и задаем углы полигона, щелкнем правой кнопкой для задания последней точки полигона и выберем “Ввод”.

Для построения границы платы или ее фрагмента в виде дуги, выбираем “Режим дуги” после щелчка правой кнопкой.

Можно задать точки границ платы или размеры платы из диалога “Границы платы”. Для его открытия выбираем “Трассировка / Координаты вершин” в главном меню.

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.07. ПЗ

Лист

14

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Можно Добавить, Вставить и Удалить точки границ платы. Координаты могут отображаться и редактироваться в абсолютных и относительных значениях (последний режим более удобный).

Если выбираем “Дуга” для некоторых точек, тогда эти точки будут посередине дуги, а соседние точки станут начальными и конечными точками дуг.

Для прямоугольной платы устанавливаем “Создание прямоугольной платы” и просто задаем первую точку, а также ширину и высоту платы.

Для удаления границ платы можно использовать “Трассировка / Удалить границы платы” в главном меню для удаления границ платы.

По умолчанию программа устанавливает начало координат в центр окна и не отображает его. Для отображения начала координат нажмем “Вид / Начало координат”

После этого начало координат (две синие линии) отображается, но его положение не подходит для нашей платы, поэтому выбираем функцию “Изменить начало координат” в верхней части окна и щелкаем левой кнопкой мыши в левом нижнем углу платы для перемещения начала координат в эту точку.

Перед трассировкой печатной платы проводится процедура оптимизации связей.

В результате получается вид размещения компонентов с оптимизированными связями.

Трассировку можно провести несколькими способами:

- ручная трассировка

- интерактивная трассировка

- автоматическая трассировка

Автоматическая трассировка может быть проведена с помощью авторассировщика

Зададим настройки автотрассировщика: “Трассировка / Параметры автотрассировки”. В настройках Grid Router отменим “Использовать все доступные слои” и измените количество слоев на “1” - трассировка будет в нижнем слое.

Выбор качества трассировки: “Автонастройка: Нормальная”. Простую плату можно трассировать ее без перемычек. Но возможен вариант трассировки с применением перемычек (для этого включаем опцию “Использовать перемычки”).

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.07. ПЗ

Лист

15

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Затем выбираем “Трассировка / Параметры трассировки”, изменяем стандарт на “0,5мм”. Для задания ширины трассы каждой сети подведем курсор к одному из выводов сети, для которой хотим изменить настройки, щелчок правой кнопкой и выбор “Свойства сети”.

В появившемся диалоговом окне можно задать ширину трасс и зазоры между трассами только для выбранной сети.

Для конфигурирования стандартов трасс выберем в главном меню “Трассировка / Стандарты дорожек”.

Разводка платы: “Трассировка / Запуск”, и плата будет разведена.

Если одна или несколько сетей будут не разведены, запустим повторно

автотрассировку: “Шаг назад” или “Трассировка / Детрассировать все”, затем запустим автотрассировщик повторно.

После завершения разработки топологии печатной платы необходимо проверить плату на соответствие принципиальной схеме, правилам проектирования и технологическим ограничениям. Проверка производится с использованием DRC (Design Rule Check). Нажмем кнопку “DRC” на панели трассировки или выберем “Проверка / Показать ошибки трассировки” в главном меню для проверки всего проекта.

Затем можно проверить на идентичность схему электрическую принципиальную

и печатную плату. Для этого выбирается пункт меню “Проверка / Сравнение со схемой”. В появившемся окне выбирается список соединений, с которым будет

сравнена печатная плата. В области Атрибуты выбираются категории, по

которым будет сравниваться печатная плата. После завершения сравнения

выдается текстовый отчет о наличии различий в схеме и печатной плате.

Двойной щелчок на ошибке в списке – место ошибки будет локализовано в центре окна и ошибка будет обведена для более легкого распознавания.

Исправляем ошибки без закрытия окна DRC, затем перезапускаем DRC для

обновления списка ошибок.

Делаем проверку целостности сетей: “Проверка / Проверка целостности сетей”. Если проект имеет ошибки, то это можно увидеть из сообщения об этом.

Когда ошибки в проекте исправлены, сохраняем печатную плату с произведенной на ней трассировкой.

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.07. ПЗ

Лист

16

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Результаты трассировки представлены в на Рис. 3.

Рис. 3 Плата с произведенной на ней трассировкой мелодичного звонка на микросхеме K155ЛАЗ в системе Dip Trace

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.001.(1) ПЗ.

Лист

17

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

1.4 Информация о печатной плате в системе Dip Trace.

Пакет Dip Trace позволяет нам не только проектировать электронные схемы и

печатные платы, библиотеки корпусов и компонентов, но и имеет различные

дополнительные возможности. Например, подсчет количества выводов или площади печатной платы.

Для этого надо выбрать “Файл /Информация о плате” в главном меню. В диалоговом окне “Информация о плате” Вы можете увидеть количество

различных объектов, слоев, размеры платы, размеры отверстий. Для открытия окна “отверстий по размеру” нажмите кнопку “...” в правом нижнем углу.

Количество объектов:

Выводы - 58

Корпуса - 64

Сети - 50

Трассированные сети - 50

Переходы - 6

Перемычки - 0

Количество слоев:

Сигнальные - 2

Экранные - 0

Плата:

Ширина - 12,123 in

Высота - 7.51 in

Площадь - 91.113 in

Отверстия:

Количество - 157

Металл / Неметалл - 157

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.001.(1) ПЗ.

Лист

18

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ.

2.1 Расчет надежности.

2. 1.1 Основные понятия теории надежности.

Надежность - свойство аппаратуры сохранять свои выходные параметры в определенных условиях эксплуатации.

Надежность является комплексным свойством, которое обуславливается безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.

К основным показателям надежности относятся:

• вероятность безотказной работы P(τ),

• интенсивность отказов системы Λ,

• среднее время безотказной работы T.

Вероятность безотказной работы – это вероятность того, что в заданном интервале времени или в пределах заданной наработки не произойдет ни одного отказа.

Интенсивность отказов показывает, какая часть элементов, по отношению к общему количеству исправно работающих в среднем выходит из строя в единицу времени.

Среднее время безотказной работы - наработка на отказ изделия между соседними отказами.

Расчет надежности заключается в определении показателей надежности

проектируемого изделия по известным характеристикам надежности

составляющих элементов конструкции и компонентов системы с учетом

условий эксплуатации.

Основным показателем безотказности изделия является вероятность безотказной работы P(τ) – безразмерная величина, зависимая от времени наработки τ и изменяющаяся в пределах от 0 до 1.

Понятие надежности связано с отказами.

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособности. При этом под работоспособностью понимают такое состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями технической документации.

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.001.(1) ПЗ.

Лист

19

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Отказы классифицируют по характеру их возникновения на - внезапные и постепенные, независимые и зависимые, по внешним проявлениям – на очевидные и скрытые, по объему – на полные (авария) и частичные, по длительности действия – на окончательные (устойчивые) и перемещающиеся (временные).

Для нерезервированных систем на основном временном участке работы,

когда приработка изделия завершена и производственные дефекты, если такие выявились, устранены, а износ еще не наступил вероятность безотказной работы P(τ)

вычисляется по формуле:

(1)

где: m – число элементов;

λi - интенсивность отказа i-го элемента.

То есть, вероятность безотказной работы уменьшается во времени по

экспоненциальному закону от значения 1.

При этом интенсивность отказов системы

(2)

а среднее время наработки до отказа

(3)

Проведем расчет вероятности безотказной работы проектируемого устройства по внезапным отказам.

Соответствующая методика расчета приведена в следующем разделе.

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.001.(1) ПЗ.

Лист

20

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

2.1.2 Расчет надежности электронного устройства по внезапным отказам.

Определяются интенсивности отказов элементов и компонентов с

учетом условий эксплуатации устройства по формуле

(4)

где λ oi - номинальная интенсивность отказов i – го элемента или

компонента (элемента расчета надежности);

К₁ и К₂ – поправочные коэффициенты на воздействие механических факторов;

К₃ – поправочный коэффициент на воздействие влажности;

К₄ – поправочный коэффициент на давление воздуха;

аi(t_K, K_H) – поправочный коэффициент на температуру поверхности компонента (t_K);

K_H -коэффициент нагрузки .

Значения номинальных интенсивностей отказов компонентов берутся из технических условий на данный компонент или из справочников, содержащих такие сведения. В учебном проектировании допускается использовать усредненные

значения интенсивностей для определенных групп компонентов.

Значения номинальных интенсивностей отказов основных компонентов, приведены в Приложении (см. таблицу П 1.).

Поправочные коэффициенты К1 … К4 определяются по таблицам П 2., П 3., П 4., помещенным в Приложении.

Поправочные коэффициенты аi(tK,KH) определяются по графикам для

основных групп компонентов, также приведенным в Приложении

(рис. П 1., П 2., П 3., П 4., П 5, П 6.).

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.001.(1) ПЗ.

Лист

21

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Здесь важно правильно задаться температурой поверхности корпуса

компонента tK. Для этого студенту необходимо провести рассуждения, в

которых должны рассматриваться четыре температуры:

- температура tС окружающей среды, т.е. среды, окружающей проектируемое

устройство;

- температура tку корпуса устройства;

- температура среды (воздуха или другого газа) tСК внутри корпуса;

- температура tКi поверхности корпуса конкретного i – го компонента.

Очевидно, что, поскольку основным источником тепловыделений в

устройстве являются различные компоненты (резисторы, диоды, транзисторы, интегральные схемы и пр.), а рассеивается тепло в окружающей среде за пределами устройства, в стационарном тепловом режиме

tC <tКУ< tСК ≤ tКi (5)

Путем логических рассуждений студент выбирает максимальную температуру и дальнейшие расчеты идут с учетом выбранного значения.

Коэффициенты электрической нагрузки KHi компонентов определяются отношением значения контролируемого параметра (тока, напряжения или мощности) рассматриваемого компонента к максимально возможному (допустимому) по техническим условиям значению этого параметра. В качестве контролируемого параметра для конкретного компонента берется тот, от которого в наибольшей степени зависит надежность компонента.

Контролируемые параметры и формулы вычисления коэффициентов нагрузки для основных электрорадиоизделий приведены в таблице 1.

При проведении расчетов необходимые данные следует брать из задания и из справочных данных, приведенных в приложениях.

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.001.(1) ПЗ.

Лист

22

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Коэффициенты нагрузки компонентов Таблица 1.

Компоненты	Контролируемые параметры	Коэффициент нагрузки Кн	Рекомендуемые значения в режимах
			импульсный	статический
Микросхемы	Входной ток микросхем, включенных на выходе, Iвхi Максимальный выходной ток Iвых max Число нагруженных входов n		-	-
Транзисторы	Мощность рассеиваемая на коллекторе, Рк		0,5	0,2
Полупроводниковые диоды	Обратное напряжение, U0		0,5	0,2
Конденсаторы	Напряжение на обкладках, U		0,7	0,5
Резисторы	Рассеиваемая мощность, Р		0,6	0,5
Трансформаторы	Ток нагрузки,Iн		0,9	0,7
Электрические соединители	Ток, Iк		0,8	0,5

Количество элементов и компонентов, составляющих конструкцию

проектируемого устройства, как правило, достаточно велико. Поэтому для

сокращения объема расчета и компактного представления полученных

результатов мы все m элементов устройства разбили на L групп,

каждая из которых (с номером N) объединяет элементы одного типа с одинаковыми номинальными интенсивностями отказов, а также работающих в одинаковых

условиях эксплуатации и одинаковых режимах. Допускается объединять в группу элементы и компоненты, у которых параметры различаются не более чем на 10 %.

Результаты расчетов приведены в таблице 2.

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.001.(1) ПЗ.

Лист

23

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Интенсивность отказов компонентов проектируемого изделия. Таблица 2

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.001.(1) ПЗ.

Лист

24

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Продолжение

Таблица 3

Примечание: _N(t_KN,K_HN) - из графика в приложениях Рис. П 1 - П 6.

Определяются интенсивности отказов элементов и компонентов с учетом условий эксплуатации устройства и промежуточные расчеты заносятся в таблицу 2.

Затем суммируем интенсивности отказов элементов и получаем интенсивность отказов системы Λ =∑ ,

где - интенсивность отказов N-го элемента, – число элементов.

Λ=0,4896+0,0315+3,0529+1,5416+0,3470+0,1946+0,7498+0,6206 = 7,0276 10^-6 1/час

По найденному значению Λ определяется среднее время наработки до отказа

Т =1/ Λ = 1/7,0276 10^-6 = 0,142296 10^-6 = 142296 часов

А также вероятность безотказной работы устройства для t=10000 часов

Р(t)=е^{- Λ t} = е^{-7,0276 10-6 10+4}= е^-0,7027= 0,4966

Разрабатываемое электронное устройство мелодичный звонок на микросхеме

K155ЛАЗ обладает достаточно хорошей надежностью.

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.001.(1) ПЗ.

Лист

25

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения данной выпускной квалификационной работы были рассмотрены общие вопросы проектирования печатных плат в системе Dip Trace, разработаны схема электрическая принципиальная и печатная плата мелодичного звонка на микросхеме K155ЛАЗ, а также произведен расчет ее надежности.

При выполнении данной работы был получен ценный опыт работы с системой автоматизированного проектирования печатных плат электронных устройств, которые широко применяются в производстве изделий приборостроения, средств вычислительной техники и бытовой электрорадиоаппаратуры.

Освоение систем сквозного проектирования печатных плат с учетом повышения их надежности является предпосылкой для создания высококачественных надежных приборов и устройств, выпускаемых с минимальными производственными затратами.

В последнее время научно-исследовательские и производственные предприятия радиотехнической и электронной промышленности передовых стран мира тратят много сил и средств на отыскание путей уменьшения габаритов и массы радиоэлектронной аппаратуры. Работы эти получают поддержку потому, что развитие многих отраслей науки и техники, таких как космонавтика, вычислительная техника, кибернетика, бионика и другие, требуют исключительно сложного электронного оборудования. К этому оборудованию предъявляются высокие требования, поэтому аппаратура становится такой сложной и громоздкой, что требования высокой надежности и значительного уменьшения габаритов приобретают важнейшее значение. Особенно эти требования предъявляются ракетной технике. Известно, что для подъема каждого килограмма массы аппаратуры космического корабля необходимо увеличить стартовую массу ракеты на несколько сотен килограммов. Чтобы удовлетворить эти требования, необходимо миниатюризировать аппаратуру. Это и достигается повышением плотности монтажа на печатных платах, а также применением гибридных интегральных микросхем и микросборок.

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.001.(1) ПЗ.

Лист

26

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

ЛИТЕРАТУРА

1. Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат: Учебник. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2006. - 560 с.

2. Электронный учебник по Dip Trace support@diptrace.com.

3. Фрумкин Г. Д. Расчет и конструирование радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. Пособие для радиотехнич. спец. техникумов. – 6-е изд. перераб. и

доп. – М.: В. Ш., 2007.-287 с., ил.

4. Конструирование и технология производства ЭВМ: Учебник / Пикуль М. И., Русак И. М., Цырельчук Н. А. - Минск: Выш. Шк., 2006. - 266 с.

5. Новиков Ю. В., Калашников О. А., Гуляев С. Э. Разработка уст­ройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC: Практи­ческое пособие /Под ред. Новикова Ю. В.- М.: ЭКОМ., 2005. - 224 с.

6. Хокс Б. Автоматизированное проектирование и производство /Пер. с англ.-М.: Мир, 2008.- 296 с.

7. Норенков И.П., Маничев В. Б. Основы теории и проектирования САПР: Учебник для втузов по спец. «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети». - М.: Высшая школа, 2007. - 335с.

8. Быков А. Б., Гаврилов В. Н., Рыжкова Л. М. и др. Компьютерные чертежно-графические системы для разработки конструкторской и техно­логической документации в машиностроении: Учебное пособие для на­чального профессионального образования /Под ред. Чемпинского Л. А. -М.: Издательский центр «Академия», 2008. — 224 с.

9. Савельев М. В. Конструкторско-технологическое обеспечение произ­водства ЭВМ: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 2006 - 319 с

10. Разевиг В. Д. Система схемотехнического моделирования и проекти­рования печатных плат Design Center (PSpice). - М.: СК Пресс, 2006. -272 с.

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.001.(1) ПЗ.

Лист

27

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

ПРИЛОЖЕНИЯ

Справочные данные для расчета надежности

Интенсивность отказов компонентов Таблица П 1.

Компоненты	λ0 × 10 6, 1/ч
1	2
Микросхемы со средней степенью интеграции	0,013
Большие интегральные схемы	0,01
Транзисторы германиевые:
до 2 мВт	0,4
до 20 мВт	0,7
до 200 мВт	0,6
свыше 200 мВт	1,91
Транзисторы кремниевые:
до 150 мВт	0,84
до 1 мВт	0,5
до 4 мВт	0,74
Диоды германиевые	0,157
Диоды кремниевые	0,2
Конденсаторы:
бумажные	0,05
керамические	0,15
слюдяные	0,075
стеклянные	0,06
электролитические	0,035
воздушные переменные	0,034
Резисторы:
композиционные	0,043
пленочные	0,03
проволочные	0,087
угольные	0,045
Трансформаторы:
входные	1,09
выходные	0,09
звуковой частоты	0,02
высокочастотные	0,045
Трансформаторы питания	0,025
Автотрансформаторы	0,06
Дроссели	0,34
Катушки индуктивности	0,02
Обмотки электродвигателя	0,08
Реле	0,25n
Соединители	0,062n
Переключатели кнопочные	0,07n
Гнезда	0,01
Зажимы	0,0005
Провода соединительные	0,015

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.001.(1) ПЗ.

Лист

28

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Продолжение Таблица П1.

Примечание n – число контактов.

Коэффициенты влияния механических воздействий Таблица П2.

Условия эксплуатации аппаратуры	Вибрация К1	Ударные нагрузки К2	Суммарные воздействия КΣ
Лабораторные	1,0	1,0	1,0
Стационарные (полевые)	1,04	1,03	1,07
Корабельные	1,3	1,05	1,37
Автофургонные	1,35	1,08	1,46
Железнодорожные	1,4	1,1	1,54
Самолетные	1,46	1,13	1,65

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.001.(1) ПЗ.

Лист

29

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Коэффициенты влияния влажности Таблица П3.

Влажность, %	Температура, 0С	Поправочный коэффициент К3
60…70	20…40	1,0
90…98	20…25	2,0
90…98	30…40	2,5

Коэффициенты влияния атмосферного давления Таблица П4.

Давление, кПа	Поправочный коэффициент К4
0,1…1,3	1,45
1,3…2,4	1,4
2,4…4,4	1,36
4,4…12	1,35
12…24	1,3
24…32	1,25
32…42	1,2
42…50	1,16
50…65	1,14
65…80	1,1
80…100	1,0

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.001.(1) ПЗ.

Лист

30

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.001.(1) ПЗ.

Лист

31

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.001.(1) ПЗ.

Лист

32

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

ВКР. ЭВМ. 230103.01.13.001.(1) ПЗ.

Лист

33

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата