Г(о) боуспо елецкий промышленно-экономический техникум курсовой проект

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 Выбор элементной базы.

1.2.1 Обоснование выбора резисторов

1.2.2 Обоснование выбора конденсаторов

1.2.3 Обоснование выбора диодов

1.2.4 Обоснование выбора оптопар АОД130А

1.2.5 Обоснование выбора микросхем КР 544УД2А

1.3 Создание электрической принципиальной схемы в системе Dip Trace.

1.4 Создание печатной платы в системе Dip Trace.

1.5 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.

КП. КПЭ СВТ. 230101.13.01.(01) ПЗ.

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Разраб.

«Конструирование, производство и эксплуатация СВТ»

Лит.

Лист

Листов

Пров.

Белянина Е.Ю.

3

ЕПЭТ

Н. контр.

Утв.

Белянина Е.Ю.

ВВЕДЕНИЕ

В производстве изделий приборостроения, средств вычислительной техники и бытовой электрорадиоаппаратуры широко применяются печатные платы как средство, обеспечивающее автоматизацию монтажно-сборочных операций, снижение габаритных размеров аппаратуры, металлоемкости и повышения ряда конструктивных и эксплутационных качеств изделия.

При изготовлении печатных плат в зависимости от их конструктивных особенностей и масштабов производства применяются различные варианты технологических процессов, в которых используются многочисленные химико-технологические операции и операции механической обработки.

Электронные вычислительные машины являются одним из наиболее важных средств автоматизации производства и повышения качества продукций, а также служат основой наиболее перспективных технологий. Эффективное использование современных вычислительных и управляющих машин определяет уровень научно-технического прогресса во всех отраслях промышленности, сельском хозяйстве, научных исследованиях.

Получение высоконадежных ЭВМ, содержащих большое число схемных деталей, решается путем отказа от использования дискретных элементов и замены их интегральными схемами.

В качестве элементной базы используют сверхбольшие интегральные микросхемы, для разработки которых требуются мощные системы автоматического проектирования.

Основной особенностью производства средств вычислительной техники является использование большого количества стандартных и нормализованных элементов, интегральных схем, радиодеталей и др. Выпуск этих элементов в больших количествах и высокого качества — одно из основных требований вычислительного машиностроения. Важным вопросом, решаемым в настоящее время, является массовое производство стандартных блоков с использованием новых элементов. Унификация отдельных элементов создает условия для автоматизации их производства.

Другой особенностью является высокая трудоемкость сборочных и монтажных работ, что объясняется наличием большого числа соединений и сложностью их выполнения вследствие малых размеров контактных соединений и высокой плотности монтажа.

Повышение качества и экономичности производства во многом зависит от уровня автоматизации технологического процесса. Предпосылки для широкой автоматизации проектирования и производства элементов и блоков электронных устройств обеспечиваются высоким уровнем технологичности конструкции, широким внедрением типовых и групповых технологических процессов, а также средств автоматизации.

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,

Лист

4

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

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. 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.

Цель проекта: приобретение опыта проектирования электронных устройств.

Задачи проекта:

• Разработать печатную плату звонка электронного на микросхеме К176ИЕ12 в системе DipTrace, произвести выбор и обоснование элементной базы печатной платы, с исходными данными к проекту:

схема электрическая принципиальная Рис.1.

• Рассчитать надежность проектируемой печатной платы.

Рис.1. Электрическая принципиальная схема звонка электронного на микросхеме К176ИЕ12.

Лист

5

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

1. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ.

1.1 Описание конструкции и принципа действия электронного устройства.

Это электромузыкальное устройство формирует только четыре тона (ноты). Но схемотехнически оно построено так, что ноты имеют разную длительность и распределены по тактам, причем в каждом такте может быть две или три ноты. Это позволило сформировать музыкальный фрагмент, воспринимаемый на слух как эпилог (окончание) условного музыкаль­ного произведения.

Музыкальная запись на нотном стане воспроизводимого фрагмента выглядит примерно так:

Под термином "примерно" здесь под­разумевается, что, учитывая специфику работы микросхемы К176ИЕ12, переклю­чение мелодии с такта с тремя нотами на такт с двумя нотами и наоборот про­исходит асинхронно (в любом месте так­та) с воспроизводимой мелодией. В результате появляются дополнительные, приятные на слух нотные "переливы" в моменты переходов, вариантов которых может быть несколько. Несмотря на та­кую "рассинхронизацию" всей мелодии, нарушения ритмического рисунка воспро­изводимого фрагмента на слух практи­чески не замечается.

Основой устройства (рисунок 1) служит микросхема К176ИЕ12 (DD1), которая совместно с полевыми транзисторами КП103Е (VT1, VT2) формирует весь му­зыкальный рисунок. Резисторы R1 и R3-R5, конденсатор С2, а также транзисто­ры VT1 и VT2, работающие в ключевом режиме, являются элементами внутрен­него генератора микросхемы DD1. Кон­денсатор С1 и резистор R2 обеспечива­ют надежный запуск генератора в момент включения питания. Частота генерации (высота нот) зависит от номиналов ре­зисторов R3 — R5 и конденсатора С2.

Музыкальный рисунок мелодии форми­руется коммутацией резисторов R4 и R5 параллельно резистору R3 через сток-исток транзисторов VT1 и VT2, которые, в свою очередь, управляются сдвинуты­ми между собой на 90° импульсами, по­ступающими с выходов Т3 и Т2 (8-го раз­ряда делителя микросхемы). Наличие в каждом такте мелодии двух или трех нот зависит от уровня сигнала на выходе М счетчика-делителя на 60, управляемого импульсами, снимаемыми с выхода F (5-й разряд делителя).

Работает устройство следующим об­разом. В момент включения питания счет­чики-делители микросхемы устанавлива­ются в случайные состояния. Допустим, что на выходе М микросхемы — сигнал высокого уровня. В таком случае тран­зистор VT2 окажется закрытым (забло­кированным) через диод VD1. Поэтому только резистор R4 будет подключаться параллельно резистору R3 через сток-исток транзистора VT1, управляемого (периодически закрываемым) положи­тельными импульсами с выхода Т3 мик­росхемы. Частота коммутации — в 28=256 раз ниже исходной частоты генератора при скважности импульсов, равной 4. В результате этого образуются такты из двух нот разной длительности.

Частоты генерации (высоты нот) мож­но определить по формулам

f1=(0,46/ R3*C2 и f2 = (0,46(R3+R4)/C2*R3*R4,

где f1 — соответствует ноте "соль" (транзистор VT1 закрыт),

Лист

6

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

f2 — ноте "до" (транзистор VT1 открыт и резисторы R3 и R4 соеди­нены параллельно).

Коэффициент 0,46 — эмпирический и зависит, в основном, от напряжения питания микросхемы.

Спустя некоторое время на выходе М микросхемы появится напряжение низ­кого уровня. Теперь диод VD1 закроет­ся, транзистор VT2 разблокируется и бу­дет управляться (периодически закры­ваться) импульсами высокого уровня с выхода Т2 микросхемы. Резисторы R4 и R5 станут поочередно или одновремен­но подключаться параллельно резистору R3 через сток-исток транзисторов VT1 и VT2 соответственно, образуя такты из трех нот мелодии.

При этом возникают колебания часто­той f2, f3, f4. Частоты f3 и f4 можно рассчи­тать по формулам:

f3=0,46(R3+R5)/C2R3R5,

транзистор VT1 закрыт, VT2 — открыт, резистор R5 подключается параллельно резистору R2 — звучит нота "ля";

f4=0,46(R3R4+R4R5+R3R5)/C2R3R4R5,

оба транзистора открыты, резисторы R4 и R5 подключаются параллельно резис­тору R3 — звучит нота "ре".

Результирующий сигнал, снимаемый с выхода микросхемы, усиливается по мощности транзистором VT3. Небольшая мощность, рассеиваемая этим транзис­тором (не более 0,7 Вт), позволяет обой­тись без теплоотвода.

Уровень громкости воспроизводимой мелодии устанавливают подстроенным резистором R6.

Размещение деталей устройства в кор­пусе (размерами 135x75x50 мм) показа­но на рисунке 2. Печатная плата (рисунок 3), на которой смонтирована большая часть радиодеталей, выполнена из двусторон­него фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, причем фольга одной стороны платы (ее соединяют с общим проводом) выполняет функцию экрана устройства.

Рисунок 2

Лист

7

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Рисунок 3

Корпус устройства выполнен из плас­тин одностороннего фольгированного текстолита толщиной 1,5 мм, спаянных между собой с внутренней стороны и соединенных с общим проводом. Ось под­строенного резистора R6 выведена нару­жу корпуса под шлиц отвертки. Предохра­нитель FU1 впаян в разрыв сетевого про­вода и заключен в поливинилхлоридную трубку. Полевые транзисторы КП103 мо­гут быть с буквенными индексами Ж, И, К или 2П103 с индексами А, Б, В. Транзис­тор КТ972Б заменим на КТ972А или на пару транзисторов серий КТ817 и КТ315 (с буквенными индексами А—В), включен­ных по схеме составного транзистора.

Диоды КД522Б заменимы на любые кремниевые маломощные, например Д220, а стабилитрон Д818Е — на Д814Б. Выпрямительный мост VD5 можно со­ставить из четырех диодов КД522Б или других аналогичных на максимальный ток не менее 100 мА.

Динамическая головка 8А1 — 0,5ГДШ-2-8 или аналогичная дру­гая со звуковой катушкой сопротивлени­ем 4...8 Ом.

Сетевой трансформатор типа ИИ.4.702.142 или подходящий другой, обмотка II которого рассчитана на напря­жение 12... 14 В притоке нагрузки 0,12 А.

Конденсатор С3 — К50-16, постоянные резисторы — С1-4, МЛТ. Желательно, чтобы резисторы R3—R5 были одного типа. Каждый из резисторов R4 и R5 состав­лен из двух, соединенных последователь­но резисторов: R4 — сопротивлением 750 кОм и 91 кОм. R5 — 1,5 МОм и 240 кОм.

Безошибочно собранное из заведомо исправных деталей устройство не нуждается в налаживании. При необходимос­ти можно подкорректировать воспроиз­водимые тона мелодии подбором резис­торов R3 — R5, добиваясь наиболее точ­ного воспроизведения звуковых частот, соответствующих полутонам хроматической равномерно-темперированной шка­лы музыкального строя. Контролиру­ют воспроизводимую мелодию на слух или сравнивая ее звучание с каким-либо хорошо настроенным музыкальным инструментом.

Лист

8

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

1.2 Выбор элементной базы.

1.2.1 Обоснование выбора резисторов

Применяемые в устройстве гальванической развязки непроволочные постоянные резисторы (С2-33Н), предназначены для работы в цепях постоянного, переменного токов и в импульсных режимах, содержат резистивный элемент в виде очень тонкой (десятки доли микрометра) металлической плёнки, осаждённой на основании из керамики, стекла, слоистого пластика, ситалла или другого изоляционного материала. Непроволочные постоянные резисторы менее стабильны по сравнению с проволочными, но на ряду с этим имеют меньшие габариты, их сопротивление менее зависит от частоты и напряжения, они значительно дешевле. Поэтому в аппаратуре непроволочные резисторы применяются значительно чаще, чем проволочные.

Минимальный срок сохраняемости, лет 25

Диапазон рабочих температур, 25 от-60 до +70

Следовательно, непроволочные постоянные резисторы типа С2-33Н подходят для использования в проектируемом устройстве.

1.2.2Обоснование выбора конденсаторов

В устройстве применены электролитические конденсаторы К53-4А, предназначенные для работы в цепях постоянного и пульсирующего токов.. Электролитические конденсаторы К53-4А рассчитаны на широкий диапазон ёмкостей и рабочих напряжений. Имеют цилиндрическую форму и выпускаются в трёх конструктивных вариантах – с гибкими проволочными выводами одинаковой длины (неполярные), с выводами разной длины (короткий вывод плюсовой) и с запрессованными в пластмассу лепестковыми выводами.

В первых двух вариантах торцы заливают герметиком, в третьем вставляют пластмассовую крышку. Во всех случаях цилиндры у торцов закатывают по внешней поверхности, по сравнению с другими конденсаторами, конденсаторы типа К53-4А, более низковольтные и имеют широкий диапазон номинальной ёмкости.

Минимальная наработка на отказ, ч 10 000

Срок сохраняемости, лет 15

Диапазон рабочих температур, ⁰С от-60 до +85

Исходя из параметров данные конденсаторы подходят для применения их в устройстве.

1.2.3 Обоснование выбора диодов

Для устройства выбраны кремниевые диоды из серии 2Д512А. Диоды являются импульсными, предназначены для работы в радиотехнических устройствах, изготовлены в стеклянном корпусе. Диоды предназначены для автоматизированной и ручной сборки (монтажа) аппаратуры.

Минимальная наработка на отказ, ч 80 000

Срок сохраняемости, лет 25

Диапазон рабочих температур, ⁰С от -60 до +12

.

Лист

9

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

1.2.4 Обоснование выбора оптопар АОД130А

Основное назначение оптопар диодных - использование в качестве элементов предназначены для автоматизированной и ручной сборки (монтажа) аппаратуры гальванической развязки в высоковольтной электротехнической и радиоэлектронной аппаратуре. Оформление – в пластмассовом корпусе. Материал – излучатель на основе арсенида галлия – алюминия и кремниевый фотоприемник. Оптопары аппаратуре. Оформление – в пластмассовом корпусе. Материал – излучатель на основе арсенида галлия – алюминия и кремниевый фотоприемник. Оптопары предназначены для автоматизированной и ручной сборки (монтажа) аппаратуры.

Максимально допустимый входной ток, мА 20

Входное напряжение, В 1,5

Обратное входное напряжение, В 3,5

Обратное выходное напряжение, В 30

Время нарастания (спада) выходного сигнала, нс не более 100

Минимальная наработка на отказ, ч 35 000

Срок сохраняемости, лет 12

Диапазон рабочих температур,⁰С от -60 до +50

1.2.5 Обоснование выбора микросхем КР 544УД2А

Быстродействующий операционный усилитель применяется для работы в цепях постоянного тока и импульсных режимах.

Оформление - в пластмассовом корпусе. Микросхемы предназначены для ручной и автоматизированной сборки аппаратуры.

Напряжение питания, В от ±5 до ±18

Ток потребления, мА не менее – 8 не более +8

Максимальное выходное напряжение, В не менее +12

Минимальное выходное напряжение, В не более -12

Входной ток, нА не более 500

Минимальная наработка на отказ, ч 50 000

Срок сохраняемости, лет 15

Диапазон рабочих температур, ⁰С от -40 до +70

Исходя из параметров, данные микросхемы подходят для применения их в устройстве электронного звонка.

Таким образом, элементная база соответствует техническим характеристикам проектируемого устройства по электрическим и эксплуатационным параметрам.

Лист

10

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

1.3 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”

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”.

Лист

11

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

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.

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 звонка электронного на микросхеме К176ИЕ12, представленная на Рис.4.

Рис.4. Электрическая принципиальная схема звонка электронного на микросхеме

К176ИЕ12

Лист

12

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

1.4 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”.

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.

Лист

13

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

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.

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”).

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”.

Лист

14

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

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.

Результаты трассировки представлены в на Рис. 5.

Рис. 5 Печатная плата схема звонка электронного на микросхеме К176ИЕ12

Лист

15

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

1.5 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 - 82,

Корпуса - 37,

Сети - 21,

Трассированные сети - 21,

Переходы - 28,

Перемычки - 14.

Количество слоев:

Сигнальные - 2,

Экранные - 0.

Плата:

Ширина - 113, 97 мм,

Высота - 34, 32 мм,

Площадь - 2549,9 мм².

Отверстия:

Количество - 44,

Металл / Неметалл - 44 / 0.

Лист

16

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.

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:

Лист

17

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

(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.

Лист

18

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.).

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.

Лист

19

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

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.

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.

Лист

20

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Интенсивность отказов компонентов проектируемого изделия. Таблица 2

Лист

21

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=0,2185+0,0964+0,5141+0,02144+0,0256+0,7498+0,6534=2,2794 10^-6 1/час

По найденному значению Λ определяется среднее время наработки до отказа

Т =1/ Λ = 1/2,2794 10^-6= 4318712 час

А также вероятность безотказной работы устройства для t=10000 часов

Р(t)=е^{- Λ t} = е^{-2,2794 10-6 10+4}= е^-0,22794= 0,796

Разрабатываемое электронное устройство звонок электронный на микросхеме

К176ИЕ12 обладает достаточно хорошей надежностью.

Лист

22

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения данного курсового проекта были рассмотрены общие вопросы проектирования печатных плат в системе Dip Trace, разработаны схема электрическая принципиальная и печатная плата звонка электронного на микросхеме К176ИЕ12, 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.

Повышение надежности электронных устройств, выполненных указанными методами микроминиатюризации, достигается тем что, во-первых, все методы основаны на автоматизации производственных процессов, при этом предусматривается тщательный контроль на отдельных операциях.

В изделиях, изготовленных на базе микросхем, значительно уменьшается количество паянных соединений, которые являются причиной многих отказов.

Увеличение надежности конструкций, выполненных методами микроминиатюризации, объясняется также, гораздо большими возможностями обеспечить защиту от воздействия внешней среды. Малогабаритные узлы могут быть гораздо легче герметизированы, что к тому же увеличит и механическую прочность. Наконец, применение миниатюрных узлов и деталей позволяет лучше решать задачи резервирования, как общего, так и раздельного.

Как видно из сказанного, задача уменьшения габаритов и массы тесно связана с увеличением надежности.

Значительное уменьшение стоимости электронных устройств может быть достигнуто только путем полной автоматизации их проектирования и производства. Автоматизация, как было указано ранее, является одним из условий повышения надежности электронной аппаратуры.

Лист

23

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.

Лист

24

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

Лист

25

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

Лист

26

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

Лист

27

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

ПРИЛОЖЕНИЕ П 5

Таблица значений функции

Лист

28

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Лист

29

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Лист

30

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Лист

31

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата