Разработка печатной платы отладочной платы S7600A

7. Размеры элементов конструкций (классы точности). Наименьшие номинальные размеры элементов конструкции ПП в зависимости от класса точности приведены в нормативном документе.

Для свободного места  указанные значения допускается  устанавливать по любому более низкому классу, а для первого класса - увеличивать в 2 раза.

Ширину печатного проводника выбирают в зависимости от токовой  нагрузки.

Принцип конструирования  выбран моносхемный, так как данная схема не требует высокой ремонтопригодности, и также при этом принципе конструирования достигается наибольшая надёжность из-за отсутствия межплатных соединений. Разработанный сборочный чертёж печатной платы представлен на странице (16).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 Конструкторский расчёт элементов на печатной плате

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет взаимной емкости и индуктивности печатных проводников.

 

Исходные данные:

Максимальная длина  печатного проводника L=80мм

Толщина a=30 мкм

Ширина t=0,25мм

Расстояние между проводниками S=1,64мм

Удельное сопротивление r=0,025 мкОм/м

Плотность тока в проводнике g_доп =18А/ _мм2

 

Расчет по постоянному  току:

Максимальный ток  в проводнике

Imax=10-3g_доп *a*t=10-3*20*35*0,35=55мА

Сопротивление максимального  участка печатного проводника:

R=r*L/(a*t)=0,025*27/35*0,3=0,06Ом

Емкость и индуктивность  между параллельно расположенными проводниками:

L=r*L*(lg(2L/(a+t))+0,2235*(a+t)/L+0,5)=2*27*lg(2*27/(35*0,35))+0,2235*(35+0,35)/27+0,5)=10,2мкГн

C=0,12*E*L/lg(2S/(a+t))=0,12*2*27/lg(2*1,54/(35+0,3)=5,9пФ

Емкость и индуктивность  между параллельно расположенными проводниками составляет, соответственно, 10,2мкГн и 5,9пФ. Потребляемая мощность 44Вт. Что в свою очередь соответствует указанным стандартам для данной схемы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.4 Расчёт надежности модернизированной схемы ОП S7600A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Надежность – свойство изделия или отдельных его элементов выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в необходимых пределах, соответствующих данным режимам и условиям использования технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортировки. На показатель надежности влияют следующие характеристики схемы: элементная база, количество паек, условия эксплуатации, долговечность, ремонтопригодность, безотказность.

Интенсивность отказов  – условная вероятная частота  возникновения отказов объекта, определяемая для рассматриваемого времени, при условии, что до этого момента отказ не возникал.

Отказ – нарушение  работоспособности, без устранения которых не возможна дальнейшая работа аппаратуры.

Ремонтопригодность –  свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания.

Сохраняемость – это  свойство объекта непрерывно сохранять  требуемые эксплуатационные  показатели в течении (и после) срока хранения и транспортирования.

Долговечность – свойство аппаратуры долго сохранять работоспособность  до наступления предельного износа.

Безотказность – свойство устройства непрерывно сохранять работоспособность  в течение некоторого времени и некоторой наработки.

Существует несколько  методов определения надежности, и они делятся на 2 группы:  приближенный или ориентировочный расчет, полный или окончательный расчет.

В данном курсовом проекте  применяется полный метод расчета надежности БУП FM-Stepdrive по экспоненциальному закону.

Вероятность безотказной работы P(t) – вероятность того, что в пределах заданной наработке, т.е. заданного интервала времени, не возникает отказа изделия.

Произведем расчет надежности схемы БУП FM-Stepdrive по схеме электрической принципиальной. Исходные данные для расчета представлены в таблице 4.

Исходными данными для  расчёта являются

1. – интенсивность отказов элементов
2. Ni – количество элементов i-ой группы
3. Кн.- нагрузочный коэффициент
4. K T - температурный коэффициент

Данные для расчета  надежности приведены в таблице 1.

 

 

Таблица 1.

Наименование элементов	Количество элементов	Интенсивность отказов одного элемента	l i * NI * 10 – 6   [1/час]	Кн	Кт
	N I [шт ]	l i × 10 - 6  [1/ч ]	[1/час]
Микроконтроллер S7600A	1	0,00031	0,00031	0,9	1,2	0,0003348
Интерфейс RS-232	1	0,00021	0,00021	0,8	1,27	0,0002133
формирователь	1	0,00025	0,00025	0,9	1,3	0,0002925
Демультиплексор	1	0,05	0,05	0,8	1,3	0,052
Резисторы	1	0,00028	0,00028	0,9	1,29	0,00032508
ШИНА ISA	1	0,04	0,04	0,7	1,45	0,0406
Пайка	262	0,001	0,262	1	1	0,262

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1) Определяем общее значение  интенсивности отказов элементов схемы:

λ_общ = = 0,0003348+0,0002133+0,0002925+0,052+ 0,00032508+0,0406+0,9072 +0,0448+0,571725+0,06344+0,033408+ 0,01722+0,262 = 1,99355868*10^-6(1/час)

 

2) Определим  наработку на отказ:

Т0= 1/ λ_общ = 1/1,99355868*10^-6=78840(часов) =3285 (дней) ≈9(лет)

 

3) Вычисляем  вероятность безотказной работы  для нескольких промежутков

времени.

P (t) = e^-λобщ*t

P (0) = e^{-1,99355868*10^-6}*0 = 1

P (10) = e^{-1,99355868*10^-6} *10 = 0,999992

P (100) = e^{-1,99355868*10^-6} *100 = 0,999921

P (1000) = e^{-1,99355868*10^-6} *1000 = 0,999208

P (10000) = e^{-1,99355868*10^-6}  *10000 = 0,992086

P (100000) = e^{-1,99355868*10^-6}  * 100000 = 0,920869

P (1000000) = e^{-1,99355868*10^-6} * 1000000 = 0,208695

 

4) Наряду с вероятностью  безотказной работы P (t) можно определить пока-

затель вероятности отказов Q (t), который определяется по формуле:

 

Q (t) = 1 – P (t)

Q (0) = 1-1 = 0

Q (10) = 1- 0,999992 = 0,000008

Q (100) = 1- 0,999921 = 0,000079

Q (1000) = 1- 0,999208 = 0,000792

Q (10000) = 1- 0,992086 = 0,007914

Q (100000) = 1- 0,920869 = 0,079131

Q (1000000) = 1-  0,208695 = 0,791305

 

 

  При расчете надежности было установлено, что при малом времени эксплуатации вероятность безотказной работы большая – близка к 1 (Р₍₁₀₎ = 0,999992). При увеличении времени эксплуатации вероятность безотказной работы стремится к 0 (Р_(1000000) = 0,208695), а вероятность отказа, наоборот возрастает и стремится к 1.В результате расчета надежности было установлено, что схема ОП S7600S является достаточно надежной и обеспечивает безотказную работу в течение 9 лет

 

 

Масштабы:

По оси P, Q: в 1см 0,2 P(t), Q(t);

По оси времени t: в 2x cм 10ⁿ [час], где n=1, 2…4;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Технологическая часть

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1 Трассировка печатной платы ОП S7600A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Трассировка печатной платы - разработка топологии электрических  соединений между посадочными местами  электронных компонентов, устанавливаемых  на печатную плату. Трассировка печатных плат является следующей стадией после разработки схемотехники будущего изделия, подбора соответствующих электронных компонентов, и выбора конструктива для установки печатной платы. Процесс выполнения трассировки - пошаговый процесс прокладки проводников, выполняется в одном из многочисленных САПР печатных плат.

Всего способов выполнения трассировки три это:  1) ручной - самостоятельно с помощью определенных программных инструментов наносит рисунок проводников на чертеж платы; 2) автоматический - программа самостоятельно прокладывает проводники используя ограничения, наложенные разработчиком. Разработчик контролирует результат. При необходимости корректирует исходные параметры задачи и повторяет трассировку. Корректировка включает изменение расположения компонентов, предварительную отрисовку цепей вручную и т.п. На данный момент все современные системы проектирования имеют сложные и эффективные системы автоматической трассировки; 3) интерактивный - человек указывает роботу последовательность действий в сложных участках трассировки, контролируя пошагово результат, а автоматика делает черновую работу по отрисовке цепи и контролю правил трассировки. Интерактивная трассировка печатных плат может использоваться как для полностью ручной трассировки, так и для доработок печатной платы после автоматической трассировки.

Трассировка соединений является, как правило, заключительным этапом конструкторского проектирования ПП и состоит в определении линий, соединяющих эквипотенциальные контакты элементов, и компонентов, составляющих проектируемое устройство. Задача трассировки одна из наиболее трудоемких в общей проблеме автоматизации проектирования печатной платы. Это связано с несколькими факторами, в частности с многообразием способов конструктивно-технологической реализации соединений, для каждого из которых при алгоритмическом решении задачи применяются специфические критерии оптимизации и ограничения. С математической точки зрения трассировка — наисложнейшая задача выбора из огромного числа вариантов оптимального решения. Однако, одновременная оптимизации всех соединений при трассировке за счет перебора всех вариантов в настоящее время невозможна. Поэтому разрабатываются в основном локально оптимальные методы трассировки, когда трасса оптимальна лишь на данном шаге при наличии ранее проведенных соединений.

Процесс трассировки  ПП не может выполняться без соблюдения всех входных данных, необходимых для осуществления работ: 

1. Схема электрическая  принципиальная модернизированная;

2. Спецификация - список электронных компонентов для монтажа на печатную плату;

3. Габаритный чертеж печатной  платы. На чертеже должны быть указаны все необходимые размеры контура печатной платы, расположение крепежных отверстий, разъемов, радиаторов и других элементов, расположение которых является фиксированным;

4. Техническое  задание. В техническом задании должны быть указаны требования по взаимному расположению компонентов на печатной плате, трассировке цепей, ширине проводников, волновому сопротивлению, если необходимо и т.д.

В ТЗ должны быть отражены основные группы сигналов и их свойства, требования по длине, расстояния между сигналами и группами сигналов. Должны быть указаны сигналы, требующие расчета ширины линии, в зависимости от того, на каком слое они проходят.

В большинстве  случаев процесс трассировки  делится на несколько этапов:

- трассировка дифференциальных пар;

- трассировка сигналов с высокой тактовой частотой;

- трассировка быстрых групп сигналов (шины адресов, данных и др.);

- трассировка остальных сигналов, не имеющих особых требований;

- формирование полигонов (GND, VCC…).

Известные алгоритмы  трассировки ПП можно разбить на три группы:

1 Группа: «Волновые алгоритмы» - данные алгоритмы получили широкое распространение в существующих САПР, поскольку они позволяют легко учитывать технологическую специфику печатного монтажа со своей совокупностью конструктивных ограничений. Эти алгоритмы всегда гарантируют построение трассы, если путь для нее существует (основанные на идеях Ли и разработанные Ю. Л. Зиманом и Г. Г. Рябовым);