3 Вибір і обґрунтування елементної бази

Одним з початкових кроків при розробці проекту є вибір елементної бази для проектування електричної схеми розроблювального пристрою з погляду доцільності конструкторської реалізації проекту на пропонованій компонентній базі. У результаті такого аналізу повинна бути знайдена компонентна база, що відповідає умовам поставленої задачі по електричних характеристиках, по стійкості до механічній, кліматичним впливам, по надійності і т.п.

При виборі елементної бази варто орієнтуватися на максимальне використання стандартних елементів і пристроїв, що випускаються серійно. Зокрема, при створенні нових функціональних електронних блоків варто широко використовувати сучасні серії інтегральних мікросхем, мікропроцесорну техніку, зокрема, PIC-процесори, з огляду на те, що їхнє застосування приводить до скорочення габаритів і маси пристроїв, підвищенню надійності і технологічності виробу і його здешевленню. Забороняэться застосовувати застарілі, зняті з виробництва елементи і вузли. Бажано, щоб весь пристрій був виконаний на елементній базі одного типу.

При виборі елементної бази необхідно враховувати вартість, споживану потужність, надійність, масу і габарити, технологічність і інші параметри.

Об’єм підрозділу – 5... 8 сторінок.

Перелік найбільш застосованих сучасних ЕРЕ приведено в додатку С.

Приклад оформлення розділу приведено в додатку Е.

4 СХЕМОТЕХНІЧНЕ ПРОЕКТУВАННЯ

4.1 Розробка принципової електричної схеми

Принципова схема виконується на листі формату А1 відповідно до ГОСТ2.702 «ЄСКД. Правила виконання електричних схем», ГОСТ2.709 «ЄСКД. Правила виконання електричних схем цифрової обчислювальної техніки», ГОСТ2.710 «ЄСКД. Позначення буквено-цифрові в електричних схемах».

Принципова схема є найбільш повною електричною схемою виробу, на якій зображуються всі електричні елементи і пристрої, необхідні для здійснення і контролю у виробі заданих електричних параметрів, усі зв'язки між ними, а також елементи підключення, якими закінчуються вхідні і вихідні ланцюги.

Електричні елементи на схемі зображуються умовними графічними позначеннями (УГП), креслення і розміри яких встановлені в стандартах ЄСКД

Допускається зображувати УГП або функціональних груп рознесеним способом, тобто розташовувати їх у різних частинах схеми.

Рекомендується виконувати схему рядковим способом; УГП елементів або їхніх частин відповідно до функціонального призначення групувати в горизонтальні і вертикальні ланцюги. При цьому ланцюги нумеруються арабськими цифрами.

Усім зображеним на схемі елементам привласнюються умовні буквено-цифрові позиційні позначення відповідно до ГОСТ2.710.

Порядкові номери елементам починаючи з одиниці, привласнюють у межах групи елементів з однаковими буквено-цифрові позиційними позначеннями однієї групи або одного типу відповідно до послідовності їхнього розташування на схемі зверху вниз у напрямку зліва направо.

Позиційні позначення проставляють на схемі поруч з УГП лементів із правої сторони або над ними.

Лінії зв'язку виконують у виді горизонтальних і вертикальних відрізків прямих ліній, що мають мінімальну кількість зламів і перетинів.

Креслення принципової схеми рекомендується виконувати в пакеті «PCad». Принципи створення принципової схеми, а при необхідності, окремих елементів приведені в Методичних вказівки по проведенню лабораторних робіт з курсу „Моделювання і САПР радіоелектронних пристроїв”.

Кресленню електричної принципової схеми згідно ГОСТ 2.701 присвоюється код Е3

Приклад оформлення розділу приведено в додатку Ж.

4.2 Розробка переліку елементів

Перелік елементів виконують у виді окремого документа на листі формату А4 з основним написом для текстових документів за формою 2 або 2а ГОСТ2.104. Перелік елементів виконають у виді таблиці і заповнюють зверху вниз.

Перелікові елементів привласнюється код ПЕ.

Елементи записуються по групах (видах) за абеткою буквених позиційних позначень, розташовуючи один за одним в порядку зростання номерів у межах кожної групи, а при цифрових позначеннях – у порядку їхнього зростання. Між окремими групами елементів рекомендується залишати трохи вільних строк для внесення змін.

5 РОЗРОБКА КОНСТРУКЦІЇ ПРИСТРОЮ

5.1 Конструювання друкованої плати

Мета конструкторської розробки - проектування і розрахунок найбільш технологічних економічно обґрунтованих конструкцій приладів з урахуванням вимог технічної естетики й ергономіки.

Виконуючи конструкторську розробку, необхідно враховувати:

- технічні вимоги, пропоновані до проектованого приладу, пристроєві, системі (можливі межі зміни температури, вологості, тиску, прискорення, напруги живлення і т.ін.):

- сучасні методи технології виробництва;

- конструктивне виконання приладів і пристроїв близького функціонального призначення (вітчизняних і закордонних).

Друкована плата являє собою комутаційний пристрій для об'єднання ЭРЭ у функціональний вузол із забезпеченням необхідних механічних і електричних параметрів у заданому діапазоні експлуатаційних характеристик при мінімальних витратах.

При розробці друкованої плати необхідно:

вибрати тип ПП;

визначити клас точності;

установити габаритні розміри і конфігурацію;

вибрати матеріал основи для ПП;

визначити розміри елементів рисунка;

здійснити трасування;

забезпечити автоматизацію процесів виготовлення і контролю плати, процесів збірки, пайки і контролю вузлів;

розробити конструкторську документацію.

Тільки комплексне рішення цих задач забезпечує оптимальний варіант конструкції ДП.

Конструювання ДП починають з докладного вивчення ТЗ, принципової електричної схеми і компонування виробу, до складу якого повинна входити проектована ДП.

На підставі вимог, закладених у ТЗ, визначають умови експлуатації, збереження і транспортування проектованої ДП.

Знання компонування виробу дозволяє визначити розміри і форму ДП, способи і точки кріплення, конфігурацію пазів, вирізів отворів і т.п.

На основі переліку елементів визначають параметри друкованої плати.

Сумарну розрахункову площу друкованих плат визначає число елементів, які входять до складу пристрою і їхній тип

,

де n – кількість типорозмірів;

m - кількість елементів одного типорозміру;

- установочна площа елемента.

Необхідна кількість плат визначається з виразу

,

де - площа обраної друкованої плати.

Габаритні розміри, маса, площі для монтажу широковживаних начіпних елементів, роз’ємів, кріпильних елементів приведені в додатку С.

Виходячи з розрахунків площі друкованої плати вибирається плата типових розмірів.

Вибір габаритів ПП (довжина В і ширина А) зв'язаний з розбивкою електричної схеми блоку на функціонально закінчені частини. Найбільше чітко цей зв'язок помітний в електричних схемах з регулярною структурою, що типово для цифрової техніки. У таких схемах легко виділити багаторазово повторювані частини, що мало відрізняються друг від друга. При уточненні електричної схеми ці розходження варто забрати, увівши надмірність у ті схеми, де додаткові елементи відсутні. У результаті виявляються частини електричної схеми блоку, що можуть бути виконані на ДП і використані в даному блоці кілька разів. Варто оцінити можливість уніфікації такої схеми і за межами блоку. Таких ПП може бути виділено декілька. Їх виконують у виді електронних модулів, і при експлуатації РЕА вони відіграють роль типових елементів заміни ТЕЗ, що входять у ЗІП.

Основні розміри висоти (Н) і ширини (В) друкованих плат загального призначення вибираються за ГОСТ 10317—79. До 100 мм можна застосовувати довільні розміри, кратні 2,5 мм; до 350 мм приймаються розміри, кратні 5,0 мм, а понад 350 мм — кратні 10 мм. Граничні значення друкованих плат зазначені в таблиці 3.3, при цьому співвідношення сторін не більш 1:4.

Числові значення основних розмірів друкованих плат вибирають на основі основного типорозміру 100 х 100 мм по змішаній системі мір: розмір Н — кратним 44,45 мм, розмір В — кратним 60 мм. Так, у виборі типорозмірів друкованих плат існує два напрямки, що включають розміри Н, кратні 2U : 2U, 4U,8U, 12U і В - кратні 3U: 3U, 6U, 9U, 12U.

Крім цього, також знаходять застосування типорозміри друкованих плат по метричній системі мір (за ГОСТ 10317 — 79), тоді Н = 100; 135; 140; 170; 360 мм і В = 150; 200, 240; 280 мм.

Довжина ДП звичайно регламентована з урахуванням розміру електричного з'єднувача і складає В = 170 мм. Розмір Н складає 75 мм; 120 мм (тільки для морської і літакової РЕА); 150 мм; 200 мм. Дозволений до застосування розмір Н = 150 мм головним чином заміняють двома стандартними платами розміром 75 мм.

Кращим є типорозмір 170 х 75 мм. Цей найменший типорозмір з ряду, що рекомендується, вигідно сполучить у собі всі переваги ДП малих розмірів з досить великою корисною площею. Розмірні переваги малих ДП перед великими виявляються в ослабленні негативного впливу таких явищ, як короблення, погіршений теплообмін у центрі плати, знижена ремонтопридатність.

При розробці друкованої плати варто взяти її розміри з системи уніфікованих конструкцій (УК).

В системі УК друкована плата є виробом нульового порядку.

У виробах 0-го порядку УК плати друковані, монтажні, всувні є несучими конструкціями, призначеними для розміщення, конструктивного й електричного об'єднання і приєднання до зовнішніх ланцюгів дискретних і інтегральних ектро- і радіоелементів.

Плати друковані монтажні, вдвижні призначені для установки у вироби 1-го порядку і використовуються для створення блоків елементів.

У УК прийняті чотири, типорозміри всувних друкованих плат: Е1, Е2, ЕЗ і Е4.

Плата типу ЕI (100 х 160 мм) призначена для компонування функціонально і конструктивно закінчених вузлів логічних блоків. Плата типу Е2 (233,4 х 220 мм) призначена для створення всувних функціонально закінчених логічних блоків, процесорів, контролерів і модулів пристроїв сполучення з об'єктом (МСО). Плата типу ЕЗ (233,4 х 160 мм) є допоміжною для створення логічних блоків допоміжного і сервісного обладнання.

Плата типу Е4 (100 х 220 мм) є допоміжною для створення спеціальних блоків.

Для промислових виробів електронного обладнання систем керування розроблені типовіт конструкції практично під кожний з типів шин зв’язку електронного пристрою з керуючою ЕОМ. Типова конструкцыя модуля для широковживаноъ шини РС104 наведена в додатку С.

Дані про елементну базу й електричні характеристики принципової схеми визначають компонування, розміщення елементів рисунку ДП і їхні параметри, кількість ПС, клас точності.

Експлуатаційні характеристики виробу визначають вибір типу матеріалу основи і його товщину, тип конструктивних покрить.

При виборі типу ДП варто звернути особливу увагу на техніко-економічні показники, що залежать від складності ДП, числа шарів і типу матеріалу основи.

Складність ДП визначається відстанню між його елементами, шириною і числом провідників, числом, формою і розмірами отворів, припустимими відхиленнями від номінальних значень.

У залежності від припустимих відхилень визначені чотири класи точності ДП. Значення основних конструктивних параметрів по класах точності приведені у додатку І.

Розмір кожної сторони друкованої плати повинний бути кратним:

2,5 при довжині до 100 мм;

5 при довжині до 350 мм;

10 при довжині більш 350 мм.

Максимальний розмір кожної зі сторін повинний бути не більше 470 мм.

Співвідношення лінійних розмірів сторін повинне бути не більше 5 :1.

Знаючи габарити і матеріал друкованих плати і виходячи з рівномірного розташування електронних компонентів роблять перевірочний розрахунок віброміцності плати для того, щоб вибрати оптимальний спосіб її кріплення.

Розміри і конфігурацію кріпильних, конструктивних, технологічних отворів вибирають з ГОСТ 11284.

5.2 Розрахунок елементів провідного рисунку друкованої плати.

Конструктивно-технологічний розрахунок друкованих плат виконується з урахуванням виробничих похибок рисунка провідних елементів, фотошаблонів, базування, свердлування, експонування і т. ін. по ГОСТ 23751.

Сторони прямокутної друкованої плати розташовують паралельно лініям координатної сітки. Крок координатної сітки варто вибирати по таблиці И.1 додатку И.

Отвори й елементи провідного рисунка розташовують на друкованій платі щодо бази координат. Базу координат вибирають таким чином, щоб виключити наявність негативних значень координат і отворів, використовуваних у друкованій платі.

Елементи провідного рисунка розташовують від краю плати, неметалізованого отвору (діаметром більш 1,5 мм), паза, вирізу і т.д. на відстані не менш товщини плати з урахуванням допуску на лінійні розміри; для плат товщиною менш 1 мм на відстані не менш 1 мм, якщо це не суперечить електричної міцності.

Розрахункове значення номінального діаметра монтажного отвору

_{d – dе + r + |dн в|,}

де d_е — максимальне значення діаметра виводу начіпного елемента, установлюваного на друковану плату;

r — різниця між мінімальним значенням діаметра отвору і максимальним значенням діаметра виводу встановлюваного елемента (величину r рекомендується вибирати в залежності від допусків на діаметри виводів встановлюваних елементів і їхнього розташування на корпусі);

d_н.о — нижнє граничне відхилення номінального значення діаметра отвору.

Діаметри монтажних отворів вибирають так, щоб різниця між мінімальним значенням діаметра отвору і максимальним значенням діаметра виводу встановлюваного елемента була в межах (0,1 ... 0,4) мм.

Діаметри монтажних і перехідних отворів металізованих і неметалізованих повинні відповідати ряду 0,7; 0,9; 1,1; 1,3; 1,5 мм, а перехідних отворів з ряду (0,7; 0,9; 1,1) мм, встановленому ГОСТ 10317

Номінальне значення ширини провідника t у міліметрах розраховується за формулою

t = t_{м п} + |t_{н в}|,

де t_{м п} — мінімально припустима ширина провідника (визначається далі);

t_{н в} — нижнє граничне відхилення ширини провідника.

Номінальне значення відстані між сусідніми елементами провідного рисунка S у міліметрах визначають за формулою

S = S_{м п} +  t _{в в},

де S_М._П — мінімально припустима відстань між сусідніми елементами провідного рисунка;

t_{в в} — верхнє граничне відхилення ширини провідника.

Мінімально припустима відстань між сусідніми елементами провідного рисунка S_М._П вибирають з розрахунку забезпечення електричної міцності ізоляції відповідно до ГОСТ 23751—79.

Центри монтажних і перехідних отворів на друкованій платі розташовують відповідно до ГОСТ 10317—79.

Граничне відхилення значення номінальної відстані між центрами двох отворів друкованої плати визначають як напівсуму позиційних допусків розташування центрів цих отворів.

Розрахунок мінімального діаметра контактної площадки роблять за формулою

D = (d + d_{в в}) + 2b + t_{в в} + 2d_{м р} + (d² + p² + p² + t²_{н в})^1/2,

де d_{в в} — верхнє граничне відхилення діаметра отвору;

d_{м р} — глибина підтравлювання діелектрика для багатошарових друкованих плат (приймається рівної 0,03 мм).

Розрахунок, мінімальної відстані для прокладки п_гго кількості провідників між двома отворами з контактними площадками діаметрами D₁ і D₂ роблять за формулою

l= (D₁ + D₂)/2 + t_n + S (n + 1) + l,

де n — кількість провідників;

 — допуск, що враховується тільки при n > 0.

Для центрів монтажних отворів під неформовані виводи багатовивідних елементів, міжцентрові відстані, які не кратні кроку координатної сітки, варто мати у своєму розпорядженні такий образ, щоб у вузлі координатної сітки знаходився центр принаймні одного з монтажних отворів, центри монтажних отворів під інші виводи розташовувати відповідно до вимог конструкції встановлюваного елемента.

Взаємне розташування розміри і конфігурацію кріпильних і інших конструктивних отворів, наприклад для корпуса начіпних елементів, вибирають за ГОСТ 11284 у залежності від вимог конструкції встановлюваного елемента. Не рекомендується використовувати більш трьох різних діаметрів монтажних отворів.

Всі отвори на друкованій платі виконують без зенковок. Допускається в металізованих отворах друкованих плат притуплення гострих крайок і часткове затягування фольги в неметалізовані отвори. При розрахунку діаметра контактної площадки наявність притуплення крайок не враховують.

Отвори, що металізуються (перехідний і монтажні), мають діаметр не менш однієї третини товщини плати, якщо остання не менше 0,1 мм.

Діаметр монтажних отворів після металізації, мм, приблизно можна оцінити за формулою

d_м = d_е + (0,14 ... 0,3),

при цьому діаметр свердління отвору під металізацію

d_св = d_м +(0,1 ... 0,15).

Металізовані отвори повинні мати контакт­ні площадки з двох сторін друкованої плати.

Неметалізовані отвори на провідниках і екранах і монтажні отвори варто розташовувати в зоні контактної площадки. Допускається розташування контактної площадки поруч з неметалізованим отвором. При цьому

де D₀₁ і D ₀₂ — діаметри зон навколо отворів, вільних від провідного рисунка.

Діаметр зони

D₀ = (d + d_{в в}) + d + 2b.

Контактні площадки можуть мати довільну форму. Кращою є кругла форма.

Контактна площадка, призначена під установку першого виводу багатовивідного елемента, повинна мати форму, відмінну від інших. Розраховану контактну площадку неметалізованого монтажного отвору, варто розвивати у вільну сторону з таким розрахунком, щоб її площа, без урахування площі отвору, для 1-го і 2-го класів була не менш 2,5 мм², для 3-го і 4-го класів не менш 1,6 мм². Контактні площадки на провідниках і екранах варто виконувати відповідно до рисунка 1.

Рисунок 1

Контактні площадки для автоматичного контролю і діагностики варто виконати круглої форми діаметром не менш 2 мм і розташовувати у вузлах координатної сітки з кроком 2,5 мм у вільних місцях у шаховому по рядку так, щоб відстань між центрами контактних площадок, що лежать на одній лінії координатної сітки, була кратною 5, а відстань між центрами контактних площадок, що лежать на сусідніх лініях координатної сітки, кратною 2,5.

Числові значення розрахованих елементів рисунку друкованої плати слід округлити до більшої стандартної величини, що вказана в таблиці И.2 додатку И.

Друковані провідники рекомендується виконувати однакової ширини по нормах для вільного місця на всьому їхньому протязі. Звужувати провідники до мінімального значення можна тільки у вузькому місці на можливо меншій довжині. Провідники шириною більш 3 мм, розташовані на друкованій платі з боку пайки виконують відповідно до рекомендацій для конструювання екрана (ГОСТ 23751—79).

Провідники розташовують рівномірно по повній площі друкованої плати з урахуванням обліком наступних вимог:

паралельно ліній координатної сітки або під кутом, кратним 15°;

паралельно напрямкові руху хвилі припою або під кутом до нього не більш 30° з боку пайки, якщо провідний рисунок не покривають захисною маскою;

у взаємно перпендикулярних напрямках на сусідніх провідних шарах друкованої плати;

перпендикулярно дотичної до контуру контактної площадки.

Екрани виконують в одній площині з провідним рисунком. Всі екрани виконують з вирізами. Площа вирізів повинна бути не менш 50 % загальної площі екрана. Форма вирізів довільна, визначається конструктором. На екранах при попаданні в зону екрана отвору, електрично з ним не зв'язаного, варто зробити виріз навколо цього отвору шириною, що забезпечує електричну міцність ізоляції, але не менш 1,0 мм.

Кінцеві друковані контакти розташовують на краю друкованої плати. Розміри контактних площадок і їхнє розташування визначають з технічних умов на з'єднувач. На торці друкованої плати з боку друкованих контактів знімають фаску 0,3 х 45°.

Усі друковані контакти на платі повинні мати зносостійке покриття, що вказують на кресленні.